SLTIT型扭转冲击钻井提速工具.docx

石油机械

2012年第40卷第2期CHINAPETROLEUMMACHINERY—15—

钻井新技术?

SLTIT型扭转冲击钻井提速工具*

周燕1,2安庆宝2蔡文军2谢慧2罗熙2

(1.中国石油大学(华东)2.胜利石油管理局钻井工艺研究院)

摘要在我国钻井大提速的背景下，提出了一种集机械剪切、水力和扭转冲击3种破岩方式共同作用的复合钻井工艺新技术及装备。旋转钻井过程中，在不影响钻进的情况下，扭冲工具利用钻井液驱动内部冲击锤做反复的扭转冲击，将部分流体能量转换成一定频率、周向扭转、冲击型的井底机械破岩能量，并直接传递给钻头。5口井的现场试验结果表明，扭转冲击复合钻井技术与装备适合我国的钻井技术环境，能够有效消除PDC钻头的卡滑现象，减轻钻柱扭转振荡，能够有效保护钻头和钻具等配套部件，有效降低钻井成本。

关键词扭转冲击卡滑提速工具难钻地层剪切破岩

中图分类号：TE924文献标识码：A文章编号：1001-4578(2012)02-0015-03

0引言

提速是钻井工程永恒的主题。随着钻井深度的不断增加，钻遇地层日益复杂，一方面，难钻地层的机械钻速有待提高；另一方面，作为石油钻井的主力钻头——PDC钻头的卡滑现象亟待解决。卡滑导致钻柱扭转振荡、钻进过程不稳定，以剪切破岩为机理的PDC钻头普遍存在卡滑问题，平均每10s发生1次卡滑。这种剧烈不稳定的钻进不但容易造成复合切削片崩齿，导致PDC钻头失效，也易使钻头松扣，诱发井下事故；而且钻柱配套部件及井下工具组合受力工况恶劣，疲劳寿命低，也在一定程度上降低了钻井效率。面对难钻地层，破岩依赖刀具的研磨能力而非剪切性能，为此出现了更加耐磨的孕镶钻头[1-2],与PDC钻头同属金刚石钻头，都有不同程度的卡滑现象。PDC钻头的吃入深度不够，机械钻速低，例如我国川东北地区坚硬地层平均机械钻速≤3m/h,高钻压会加剧卡滑现象。

在我国钻井大提速的背景下，胜利石油管理局钻井工艺研究院从2010年开始致力于SLTIT型扭转冲击钻井提速工具[3-4](以下简称扭冲工具)的研究，并创新性地提出一种集机械剪切、水力和扭转冲击3种破岩方式共同作用的复合钻井工艺新

技术。一方面，该装置能解决PDC钻头的卡滑问题，提高从旋转驱动系统到钻头的能量传递效率，同时能够保护钻头；另一方面，该装置在PDC剪切破岩的基础上增加了扭转冲击破岩方式，使PDC钻头的破岩能力更强，为拓展其新的应用领域奠定基础；再者，在目前旋转钻井体系下提高难钻地层机械钻速的所有手段中，扭冲工具是较为简

便且综合效益较高的产品，该工具只需在钻头上端加装一套长约0.5m的扭冲工具即可，更加适合我国的钻井技术环境。

1扭冲工具技术分析及与国外相关技术产品对比

1.1扭转冲击工作原理

扭冲工具安装在PDC钻头上面(图1)。旋转钻井过程中，在不影响正常钻进的情况下，扭冲工具利用钻井液驱动内部冲击锤在图2所示的位置1、2做反复的扭转冲击，将部分流体能量转换成一定频率、周向扭转、冲击型的井底机械破岩能量，并直接传递给钻头。

1.2扭冲工具钻井提速机理

由于岩石的各向异性，钻进过程受力不平衡，为积聚足够的破岩能力，PDC钻头的卡滑现象频

*SLTIT型扭转冲击钻井提速工具已获国家专利，专利号：ZL201020567011.5。

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繁出现。扭冲工具在钻进过程中对钻头施加一定频率的扭转冲击，,好似一把无形的小榔头，在旋转动力系统将扭矩传递给PDC钻头的同时，增加了脉动冲击破岩的能力。难钻地层如火成岩，多为易破裂的脆性岩层，扭冲工具增加的高频冲击能量更容易使这些质密的脆性岩层内部的微裂缝发展为宏观裂缝，从而有效降低岩石的整体强度，更容易使岩石块状剥落，在达到提高机械钻速的同时，起到稳定钻进过程和保护钻头等钻井工具的目的。

图1SLTIT型扭转冲击钻井提速工具结构示意图1—钻铤短节；2—扶正块；3—钻头座；4-PDC钻头。

a.位置1b.位置2

图2扭转冲击发生机理

1—冲击锤；2—锤座。

钻进过程中钻柱扭矩与时间的变化规律见图3。地层的剪切破碎临界值为直线；未使用