陳 鑫陳紹云王 楚李瑞營(yíng)

（1.東北石油大學(xué)，黑龍江大慶 163318；2.大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶 163413；3.大慶油田有限責(zé)任公司采油一廠，黑龍江大慶 163001）

扭力沖擊器在宋深9H側(cè)鉆小井眼水平井中的應(yīng)用

陳 鑫1陳紹云2王 楚3李瑞營(yíng)2

（1.東北石油大學(xué)，黑龍江大慶 163318；2.大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶 163413；3.大慶油田有限責(zé)任公司采油一廠，黑龍江大慶 163001）

為提高慶深氣田側(cè)鉆小井眼水平井鉆井速度，縮短鉆井周期，開(kāi)展了扭力沖擊器配常規(guī)導(dǎo)向動(dòng)力鉆具提速技術(shù)的研究與應(yīng)用。首先，重點(diǎn)分析新鉆具組合強(qiáng)度是否滿足鉆進(jìn)需求，從而防止應(yīng)力集中造成鉆具疲勞破壞；其次，利用扭力沖擊器泵壓-排量回推公式，優(yōu)化鉆井參數(shù)；最后，按照鉆具允許的彎曲半徑必須小于井眼/套管實(shí)際彎曲半徑的原則，分析了?215.9 mm和?152.4 mm鉆具組合通過(guò)能力，從而實(shí)現(xiàn)了鉆具安全下入，形成了慶深氣田扭力沖擊器小井眼水平井提速技術(shù)，并在宋深9H井成功實(shí)施，為加快深層砂礫巖氣藏的勘探開(kāi)發(fā)提供了新的技術(shù)手段。

慶深氣田；扭力沖擊器；水平井；小井眼鉆井；宋深9H井

近年來(lái)大慶深層致密氣藏不斷深入開(kāi)發(fā)，導(dǎo)眼側(cè)鉆小井眼水平井成為針對(duì)致密砂礫巖儲(chǔ)層勘探的一種有效方式。為進(jìn)一步評(píng)價(jià)徐家圍子斷陷宋站地區(qū)沙河子組砂礫巖儲(chǔ)層的含氣性部署的宋深9H井，由于儲(chǔ)層物性差、孔隙度低、地層提前滯后較多，采用先打?qū)а壑本矫鞯貙蛹昂瑲馇闆r部署的然后采用側(cè)鉆小井眼水平井的方式建設(shè)產(chǎn)能［1］。但深層側(cè)鉆小井眼水平井存在巖石可鉆性差、摩阻扭矩高等難點(diǎn)，導(dǎo)致PDC鉆頭黏滑嚴(yán)重，無(wú)法有效吃入地層，破巖效率低。筆者針對(duì)小尺寸鉆具易發(fā)生彎曲，鉆壓不能加過(guò)大的技術(shù)現(xiàn)狀，從解決硬地層PDC鉆頭黏滑入手，借鑒深層直井扭力沖擊器試驗(yàn)效果［2］，創(chuàng)新性地開(kāi)展了扭力沖擊器應(yīng)用于水平井的研究，并在宋深9H井獲得了良好的應(yīng)用效果。

1 扭力沖擊器水平井應(yīng)用技術(shù)研究

1.1 扭力沖擊器工作原理

PDC鉆頭的運(yùn)動(dòng)是極其無(wú)序的，配合扭力沖擊器使用，其破巖機(jī)理是以沖擊破碎為主，并加以旋轉(zhuǎn)剪切巖層，主要作用是在保證井身質(zhì)量的同時(shí)提高機(jī)械鉆速。扭力沖擊器消除了井下鉆頭運(yùn)動(dòng)時(shí)可能出現(xiàn)的一種或多種振動(dòng)（橫向、縱向和扭向）的現(xiàn)象，使整個(gè)鉆柱的扭矩保持穩(wěn)定和平衡，將鉆井液的流體能量轉(zhuǎn)換成扭向的、高頻的、均勻穩(wěn)定的機(jī)械沖擊能量并直接傳遞給PDC鉆頭，使鉆頭和井底始終保持連續(xù)性［3-5］。因此，這種破巖方式具有以下幾項(xiàng)特點(diǎn)：（1）工具無(wú)橡膠件，深井應(yīng)用過(guò)程中抗溫能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)；（2）鉆井液流量和流速越大，沖擊能量也越大，對(duì)鉆頭產(chǎn)生的沖擊頻率也越高；（3）扭力沖擊器增加機(jī)械鉆速和鉆井導(dǎo)向性，使PDC更有效地剪切破碎地層；（4）扭力沖擊器降低了鉆具震動(dòng)，保護(hù)了切削齒，延長(zhǎng)了PDC使用壽命；（5）由于高頻沖擊主要存在于周向上，所以只能與PDC鉆頭配合使用。

1.2 技術(shù)可行性分析

1.2.1 強(qiáng)度校核和信號(hào)干擾 深層側(cè)鉆水平井由于摩阻、扭矩較大，鉆壓加壓效率相對(duì)較低，為了獲得較好的破巖效率，需要適當(dāng)增加鉆壓，但卻易發(fā)生鉆具屈曲，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生斷鉆具事故［6-7］；由于該項(xiàng)技術(shù)屬首次應(yīng)用，而廠家生產(chǎn)的能滿足井眼尺寸的工具僅有?165 mm和?146 mm兩個(gè)型號(hào)，較與之相連接的?172 mm和?120 mm螺桿尺寸有一定差異，可能存在應(yīng)力集中點(diǎn)；由于該工具短、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，若發(fā)生井下事故，打撈難度較大。因此，工具入井前要開(kāi)展強(qiáng)度校核，并做好工具探傷和運(yùn)行記錄。運(yùn)用Landmark軟件對(duì)三開(kāi)鉆具組合進(jìn)行強(qiáng)度校核以及摩阻扭矩分析，扭力沖擊器強(qiáng)度和摩阻扭矩均滿足安全施工要求，優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 宋深9H井造斜段、水平段鉆具組合

導(dǎo)向功能主要依賴MWD/LWD的測(cè)量，而地面監(jiān)控與井下儀器通迅，則是通過(guò)鉆井液脈沖形式實(shí)現(xiàn)。但在信號(hào)傳輸過(guò)程中，混有多種頻率、幅度噪聲源，需要通過(guò)濾波裝置濾波，才能夠在井下復(fù)雜鉆井環(huán)境下，從不固定的多頻強(qiáng)噪聲背景下提取出有用信號(hào)。根據(jù)扭力沖擊器廠家提供的沖擊頻率為11 ~22 Hz，在濾波器濾波范圍內(nèi)，對(duì)儀器監(jiān)控?zé)o影響。1.2.2 鉆井參數(shù) 如圖1所示，為大慶肇深17、徐深442等直井（?215.9 mm井眼）扭力沖擊器井口測(cè)試時(shí)壓降與排量關(guān)系圖，據(jù)此回歸出壓降-排量關(guān)系式為

圖1 扭力沖擊器井口測(cè)試壓降與排量關(guān)系圖

為了快速攜巖，并保證扭力沖擊器處于理想工作狀態(tài)，所需排量為28~32 L/s（造斜段）、12~15 L/s（水平段）0，由式（1）計(jì)算出扭力沖擊器壓耗為2.5~3 MPa。根據(jù)本井?215.9 mm造斜段前幾趟鉆排量30 L/s時(shí)泵壓為17.51 MPa、?152.4 mm水平段前幾趟鉆排量13 L/s時(shí)泵壓為20.49 MPa，累加得出新鉆具組合在滿足攜巖、工具高效工作的同時(shí)，泵壓小于25 MPa（圖2），符合現(xiàn)場(chǎng)安全施工要求。

圖2 宋深9H井泵壓、排量關(guān)系曲線

隨著鉆壓增大機(jī)械鉆速會(huì)有一定的提高，鉆具組合就會(huì)發(fā)生彎曲，且較小尺寸的鉆桿，由于其抗拉、抗扭強(qiáng)度的限制，使得小井眼鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭加壓和抗扭矩能力降低。小井眼鉆井時(shí)轉(zhuǎn)速高，鉆具在井底承受的反扭矩也更大，在加壓過(guò)大時(shí)極易導(dǎo)致扭斷鉆具的事故發(fā)生。所以在保證井身質(zhì)量要求的情況下，運(yùn)用Landmark軟件對(duì)鉆井參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)（見(jiàn)表2），從而降低卡鉆等復(fù)雜情況發(fā)生幾率。

表2 宋深9H井造斜段、水平段各參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

1.2.3 下入能力 為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將宋深9H井井眼軌道視為二維剖面。如圖3所示，由于在常規(guī)導(dǎo)向鉆具基礎(chǔ)上增加了扭力沖擊器，則底部鉆具組合長(zhǎng)度、剛度、造斜能力均發(fā)生了變化，考慮到套管/井眼內(nèi)側(cè)鉆水平井的環(huán)空間隙小、動(dòng)力鉆具彎角等特征，要使下部鉆具組合在套管和裸眼井段內(nèi)安全通過(guò)，應(yīng)滿足下部鉆具組合中機(jī)構(gòu)性鉆具（如螺桿鉆具、扭力沖擊器）的彎曲變形應(yīng)小于許用變形值，確保機(jī)構(gòu)性鉆具能夠正常工作［7］。而為了便于計(jì)算，現(xiàn)將實(shí)際情況轉(zhuǎn)化為如圖4所示的簡(jiǎn)直梁情況，并根據(jù)以上條件確定鉆具通過(guò)理論計(jì)算公式

式中，Dci為套管內(nèi)徑，m；Dco為套管外徑，m；h為套管壁厚，m；Rs為近鉆頭螺扶半徑，m；Rb為鉆頭半徑，m；O1為鉆頭在螺桿彎角作用下偏移軸線值，m；O2為扭力沖擊器在側(cè)向外擠力作用下彎矩，m。

現(xiàn)假設(shè)螺桿彎角為θ，近鉆頭螺扶中心至鉆頭下端面距離為L(zhǎng)，則有O1=Lsinθ。由于國(guó)外廠商技術(shù)保密原因，扭力沖擊器抗彎強(qiáng)度EId無(wú)法獲得，因此將其視為同尺寸的螺桿鉆具，并運(yùn)用Landmark軟件計(jì)算出鉆頭所受側(cè)向力F約為42 kN，O2=FEId。

圖3 扭力沖擊器配螺桿鉆具理論與實(shí)際偏移情況

圖4 扭力沖擊器配螺桿鉆具理論與實(shí)際偏移情況簡(jiǎn)化示意圖

針對(duì)宋深9H井實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算，取扭力沖擊器抗彎強(qiáng)度EId=4.647×103kN·m2，可得扭力沖擊器彎矩O2=0.090 380 891 m，其中，鉆頭直徑為152.4 mm， 鉆頭長(zhǎng)度0.35 m， 工具長(zhǎng)度0.7 m，并據(jù)此算出所需最小套管內(nèi)徑（見(jiàn)表3）。

表3 宋深9H井實(shí)際數(shù)值

從表3中可以看出，當(dāng)螺桿彎角達(dá)到1.70°，井眼曲率為0~2.31°時(shí)，鉆柱無(wú)法下入，而當(dāng)井眼曲率繼續(xù)增加時(shí)，鉆柱又能順利下入。分析其主要原因?yàn)楫?dāng)現(xiàn)場(chǎng)操作人員通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)將螺桿工具面調(diào)至與井眼剖面一致時(shí)，井眼的彎曲將有利于鉆柱的下入。因此，根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況得出：扭力沖擊器配常規(guī)螺桿導(dǎo)向鉆具在直井段最難下入；隨著螺桿彎角的增大，鉆柱的下入能力也隨之變差。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

宋深9H井設(shè)計(jì)井深4 795.24 m，實(shí)際完鉆井深4 650 m，四開(kāi)采用多級(jí)滑套固井，井身結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。該井累計(jì)使用鉆頭31只，其中用于側(cè)鉆小井眼水平井22只，進(jìn)尺1 603.99 m，機(jī)械鉆速1.25 m/h（試驗(yàn)井段所用鉆頭6只，進(jìn)尺687.79 m，機(jī)械鉆速1.60 m/ h）。使用扭力沖擊器井段占側(cè)鉆全井段的42.88%，但純鉆時(shí)僅占33.49%，較常規(guī)導(dǎo)向鉆進(jìn)節(jié)約純鉆時(shí)5.04 d，節(jié)省鉆頭3.43只（節(jié)約起下鉆6.17 d）。

圖5 宋深9H井井身結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 造斜段試驗(yàn)情況

該井于2012年12月2日于井深3 046.00 m開(kāi)始側(cè)鉆，截至2012年12月28日鉆至井深3 205.74 m，累計(jì)使用鉆頭4只（扣除1只江漢開(kāi)窗鉆頭，進(jìn)尺3.95 m），平均單只進(jìn)尺僅為38.95 m，平均日進(jìn)尺6.14 m。因此，在3 205.74~3 515.00 m試驗(yàn)扭力沖擊器配螺桿導(dǎo)向鉆具+U613M鉆頭（3只），進(jìn)尺309.26 m，純鉆時(shí)間177.06 h，平均機(jī)械鉆速1.75 m/ h。較同井段前4只鉆頭，單只進(jìn)尺提高164.66%，機(jī)械鉆速提高201.72%（表4）。

表4 試驗(yàn)總體效果

2.2 水平段試驗(yàn)情況

鑒于造斜段扭力沖擊器提速效果明顯，水平段計(jì)劃也開(kāi)展扭力沖擊器提速，但由于廠家供貨僅有3只配套工具，同時(shí)為了便于對(duì)比試驗(yàn)效果。因此，分別在3 630.08~3 757.57 m、4 082.48~4 198.27 m、4 405.13~4 540.39 m分3段進(jìn)行了提速試驗(yàn)（鉆頭：1只U613M、2只U713M），累計(jì)進(jìn)尺378.54 m，純鉆時(shí)間233.88 h，平均機(jī)械鉆速1.62 m/h。較同井段其余9只鉆頭，單只進(jìn)尺提高83.48%，機(jī)械鉆速11.72%。

2.3 總體效果

扭力沖擊器配螺桿導(dǎo)向鉆具現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)6井次（其中造斜段3次，水平段3次），累計(jì)進(jìn)尺678.80 m，平均單只進(jìn)尺114.63 m，平均機(jī)械鉆速1.65 m/h，同比提高88.48%、43.00%，縮短鉆井時(shí)間11.21 d，解決了大慶深層水平井（營(yíng)城組）PDC鉆頭無(wú)法效吃入地層的技術(shù)難題。

3 結(jié)論和建議

（1）扭力沖擊器通過(guò)鉆井液脈沖產(chǎn)生穩(wěn)定的、扭向沖擊力作用在PDC鉆頭上，解決了高研磨地層PDC鉆頭黏滑現(xiàn)象，提高了鉆頭破巖效率。

（2）扭力沖擊器配螺桿導(dǎo)向鉆具下入能力隨螺桿彎角增加而變差，對(duì)于?152.4 mm小井眼水平井，螺桿彎角應(yīng)不大于1.5°，最優(yōu)井眼曲率范圍2.31~6.00°。

（3）宋深9H井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)6井次，累計(jì)進(jìn)尺678.80 m，縮短鉆井時(shí)間11.21 d，為沙河子組致密砂礫巖地層經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)提供新的提速手段。

［1］韓福彬，李瑞營(yíng)，李國(guó)華，等.慶深氣田致密砂礫巖氣藏小井眼水平井鉆井技術(shù)［J］.石油鉆探技術(shù)，2013，41（5）：56-61.

［2］李歡歡，王玉璽，李秋杰.扭力沖擊器在大慶油田肇深17井的試驗(yàn)應(yīng)用［J］.探礦工程，2013，40（4）：44-47.

［3］劉巨保，羅敏，鄒野.?139.7套管內(nèi)側(cè)鉆水平井彎螺桿鉆具通過(guò)能力分析［J］.鉆采工藝，2003，26（1）：15-16.

［4］馬升武，張金斌，張瑞英，等.扭力沖擊器在玉北地區(qū)應(yīng)用研究［J］.鉆采工藝，2013，36（4）：37-39.

［5］許京國(guó)，尤軍，陶瑞東，等.扭力沖擊器在玉門(mén)油田鴨西102井的應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2013，36（5）：81-83.

［6］呂曉平，李國(guó)興，王震宇，等.扭力沖擊器在鴨深1井志留系地層的試驗(yàn)應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2012，34（2）：99-101.

［7］商勇，陳世春，何選篷.輪古40C井套管開(kāi)窗側(cè)鉆小井眼定向鉆井技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2005，27（3）：8-11.

（修改稿收到日期 2014-11-06）

〔編輯 薛改珍〕

Application of TorkBuster to sidetracking of slimhole horizontal well in Well Songshen 9H

CHEN Xin1, CHEN Shaoyun2, WANG Chu3, LI Ruiying2
（1.Northeast Petroleum University,Daqing163318,China;2.Daqing Drilling Engineering and Technology Research Institute,Daqing163413,China;3.No.1Oil Production Plant of Daqing Oilfield Co.Ltd.,Daqing163001,China）

In order to improve drilling rate in sidetracking of slimholehorizontal well in Qingshen Gasfield and shorten drilling period, research and application has been conducted on the technology of increasing drilling rate by TorkBuster assisted with conventional geosteering power drill.Firstly, analysis was conducted to see if the new assembly had enough strength for drilling, thus preventing fatigue and damage of the drillstring caused by stress concentration;secondly, the TorkBuster pump pressure-displacement back-push equation was used to optimize the drilling parameters;finally, the passing capacity of ?215.9 mm and ?152.4 mm assembly was analyzed as per the principle that the allowable bending radius must be less than the actual bending radius of slim hole/casing, hence realizing safe running of the assembly and generating this technology for increasing drilling rate in slim hole horizontal well by TorkBuster in Qingshen Gasfield, which was successfully used in Well Songshen 9H, providing a new technical approach for accelerating the exploration and development of deep sandy conglomerate gas pools.

Qingshen Gasfield;TorkBuster;horizontal well;slim hole drilling;Well Songshen 9H

陳鑫，陳紹云，王楚，等.扭力沖擊器在宋深9H側(cè)鉆小井眼水平井中的應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2014，36（6）：32-35.

TE242

：A

1000–7393（2014） 06–0032– 04

10.13639/j.odpt.2014.06.008

陳鑫，1988年生。2012年畢業(yè)于東北石油大學(xué)電子信息工程專業(yè)，在讀碩士研究生，主要從事鉆井設(shè)計(jì)和相關(guān)科研工作。電話：0459-4893596。E-mail：chenxin_0622@126.com。