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扭力冲击器-螺杆复合钻进工艺应用实践  PDF

  • 兰永飞 1,2 ✉
  • 韩玉香 1,2
  • 陈明勇 1,2
  • 王虎 1,2 ✉
1. 贵州省地质矿产勘查开发局111地质大队，贵州 贵阳 550081； 2. 贵州地质工程勘察设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081

中图分类号： P634.5； TE249

最近更新：2023-08-31

DOI：10.12143/j.ztgc.XXXX.XX.001

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摘要

扭力冲击器可以将钻井液的动能转化成下部钻具的高频周向动能，从而消除粘滑振动，保护PDC钻头，提高施工效率。在广西百色及贵州毕节2口地热钻井施工过程中，受软硬夹层的影响，粘滑振动效应强烈，导致PDC钻头的复合片迅速崩碎，钻头提前报废。使用扭力冲击器-螺杆钻具复合钻进工艺，通过合理设计钻具组合和钻进参数，与单纯的螺杆钻进工艺相比，因粘滑振动得到有效控制，钻头复合片崩齿现象显著减少，使用寿命增加，平均机械钻速提高了1倍以上，整体提高了施工效率和经济效益，为软硬夹层等易发生粘滑效应的地层施工提供了新的解决方案。

0 引言

贵州省地热资源较为丰富，但因地质条件复杂［

1］，钻探施工成本高，效率低。近年来，推广应用了螺杆钻进工艺［2］、空气潜孔锤钻进工艺［3-4］、气举反循环钻进工艺［5］、双壁钻杆空气潜孔锤局部反循环钻进工艺［6］及多工艺复合钻进技术［7］等钻进工艺技术，并对相关配套设备机具进行了完善［8］，取得了一定的成果［9］。但在软硬夹层、硬岩地层及破碎地层钻进时，因粘滑效应导致的钻头寿命短［10-11］、钻进效率低的问题一直没有得到有效解决。扭力冲击器可以有效缓解粘滑效应［12］，并提高机械钻速［13-14］，在我国油气钻井施工中已经得到了一定程度的推广应用，但在地热井施工中应用还较少。本文将扭力冲击器提速工具引入到地热钻井施工中，为进一步提高地热钻井施工效率，降低施工成本提供了新的解决方案。

1 扭力冲击器工作机理

如图1（a）所示，在理想状态下，钻头在碎岩过程中是与钻具以相同的速度转动的，即钻头为持续旋转碎岩的。实际上，钻头在地层中钻进的过程中，当前扭矩不足以切削岩石时，会有一个短暂的停滞蓄能过程，被称为“粘滞状态”（见图1b），随着钻头处积蓄的能量达到破碎岩石的需求时，钻头破碎岩石并高速旋转，被称为“滑脱状态”（见图1c），直到能量释放到低于破碎岩石所需，钻头又进入“粘滞状态”。钻头这种“粘滞状态”与“滑脱状态”反复循环的过程，即为“粘滑振动”［

15］。这种振动会导致钻头发生崩齿、跳钻等现象［16-17］，从而减少钻头寿命，降低钻进效率，增加施工成本。

图1  粘滑振动机理示意

扭力冲击器能够产生高频低幅的周向冲击力，该周向冲击力通过扭力冲击器下端的传动短接传递给钻头，能够有效地抑制粘滑振动，提高钻头碎岩效率，并增加钻头寿命（见图1d）［

18］。此外，该钻具为纯机械构造，内部无电子元件及橡胶部件［19］，具有较强的耐用性和安全性。

2 扭力冲击器-螺杆复合钻进工艺在地热井中的应用方法

2.1 扭力冲击器型号选择

在地热井施工中，拟采用螺杆钻进工艺配合扭力冲击器提速工具的复合钻进方式，即将扭力冲击器置于螺杆钻具与PDC钻头之间，由螺杆钻具提供孔底动力，由扭力冲击器解决粘滑效应，最终实现增加钻头寿命、提高施工效率和降低施工成本的目的。综合地热井常规钻井结构，结合钻具接头型号及泥浆泵能力等情况，最终选定BHDC-182型和BHDC-230型2种扭力冲击器，其具体性能参数见表1。

表 1  扭力冲击器技术参数
型 号BHDC-182BHDC-230
适用井眼尺寸/mm 215.9~241.3 311.2
工具长度/mm 710 880
上端直径/mm 166 200
下端直径/mm 182 230
打捞颈长度/mm 280 280
最大工作温度/℃ 200 200
最大抗压载荷/kN >3000 >3000
最大抗拉载荷/kN >1000 >1000
材料屈服极限/MPa 930 930
压降/MPa 0.5~2 1.8~2.5
上端扣型 410/411 630/631
上端上扣扭矩/(kN·m) 5.5~6.5 5.5~6.5
下端扣型 430/630 630
推荐转速/(r·min-1) 50~70 50~70
钻压范围/kN 40~120 40~160
排量/(L·s-1) 26~38 40~60

2.2 钻具组合

根据选定的扭力冲击器型号，结合地热井常规钻井设计及螺杆钻进工艺的钻具组合情况，对扭力冲击器-螺杆钻具复合钻进工艺进行钻具组合设计。

（1）一开：主动接头+Ø127 mm钻杆+Ø159 mm钻铤+Ø203 mm钻铤+Ø203 mm螺杆钻具+BHDC-230型扭力冲击器+Ø311 mm PDC钻头；

（2）二开：主动接头+Ø127 mm钻杆+Ø159 mm钻铤+Ø172 mm螺杆钻具+BHDC-182型扭力冲击器+Ø216 mm PDC钻头。

2.3 钻进参数

结合扭力冲击器技术参数要求及螺杆钻具技术参数要求，可以确定扭力冲击器-螺杆钻具复合钻进工艺钻进参数合理范围见表2。

表2  扭力冲击器-螺杆钻具复合钻进工艺钻进参数
开次钻孔直径/mm扭力冲击器型号螺杆型号排量/(L·s-1）转速（r·min-1）钻压/kN
一开 311 BHDC-230 7LZ203×7.0L-5 40~41 50~70 155~160
二开 216 BHDC-182 5LZ172×7.0L-4 26~31 50~70 100~120
5LZ172×7.0L-5 26~31 50~70 100~120
7LZ172×7.0L-5 26~38 50~70 100~120

3 现场应用试验及效果分析

为验证扭力冲击器的提速降本效能，在广西百色及贵州毕节2口地热井施工中进行了应用试验。由于新工具引进具有不确定性，基于成本和风险控制原则，应用试验只针对Ø216 mm口径进行。

3.1 广西百色地热井

3.1.1 工程概况

2019年12月至2020年1月，项目组在广西百色地热井施工过程中进行了扭力冲击器+螺杆钻具组合钻进工艺现场应用试验，试验井位于百色市右江区龙景街道园博园附近，钻遇地层情况见表3，地层硬度5~6级，属中硬地层，设计井深1700 m，井身结构采用二开结构设计，详见表4。

表3  百色地热井地层概况
地层名称底板埋深/m地层厚度/m主 要 岩 性 描 述
桂平组 34 34 上部为粘性土，下部为砂砾岩
伏平组 850 816 石英细砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩及泥岩
百岗组 1200 350 灰、浅灰、灰绿色泥岩，砂质泥岩，粉砂岩及少量砂岩
那读组 1700 500 泥岩，钙质泥岩及含油砂岩、粉砂岩及2~3层可采褐煤，局部夹泥砾岩及细砾岩
表4  百色地热井井身结构设计
开钻次序井段/m钻头直径/mm套管直径/mm套管下入地层层位套管井段/m水泥封固段/m
表层 0~40 395 377 桂平组 0~40 0~40
一开 40~900 311 244.5 伏平组 0~900 0~900
二开 900~1700 216 177.8 百岗组、那读组 870~1700 根据需要调整

3.1.2 现场应用试验设计

本次试验井段为900~1400 m，井径为Ø216 mm。900~1100 m为对比段，采用螺杆钻进工艺施工；1100~1400 m为试验段，采用扭力冲击器-螺杆钻具复合钻进工艺施工。施工钻机为RB-T100型全液压多功能钻机，使用3NB-500型泥浆泵，选用BHDC-182型扭力冲击器。

900~1100 m井段钻具组合为：主动接头+Ø127 mm钻杆+Ø159 mm钻铤+Ø172 mm螺杆钻具+Ø216 mm PDC钻头。

1100~1400 m井段钻具组合为：主动接头+Ø127 mm钻杆+Ø159 mm钻铤+Ø172 mm螺杆钻具+BHDC-182型扭力冲击器+Ø216 mm PDC钻头。

对比井段与试验井段地层岩性为泥岩、砂岩，为进一步减少影响因素，增强对比度，两段采用相同的钻进参数，钻进时泥浆泵排量为26 L/s，转速50~70 r/min，钻压100~120 kN。

3.1.3 现场应用试验效果分析

表5为本次试验数据统计表。试验井段与对比井段的岩性基本相同，钻井直径相同，使用的钻进参数基本一致，对比段900~1100 m井段使用螺杆钻进工艺，施工进尺200 m，纯钻时间131 h，平均机械钻速1.53 m/h，最高机械钻速2.20 m/h，机械钻速不稳定，使用全新的5翼PDC钻头入井，起钻后钻头多处复合片有崩齿现象；试验段1100~1400 m井段使用扭力冲击器+螺杆复合钻进工艺，施工进尺300 m，纯钻时间96 h，平均机械钻速3.13 m/h，比对比段提高约105%，最高机械钻速3.61 m/h，机械钻速较稳定，起钻后钻头基本无崩齿现象（图2），钻头新度与对比段相比略新，说明钻头受到了较好的保护。

表5  百色地热井试验数据统计
井段/m进尺/m纯钻时间/h地层岩性

施工

工艺

机械钻速/（m·h-1）
平均最高
900~1100 200 131 泥岩、砂岩 螺杆 1.53 2.20
1100~1400 300 96 泥岩、砂岩 螺杆+扭冲 3.13 3.61

(a)  入井前

(b)  起钻后

图2 试验用PDC钻头入井前后对比

3.2 贵州毕节金沙城北地热井

3.2.1 工程概况

施工地点位于贵州省毕节市金沙县，设计井深2200 m，地层岩性情况见表6，井身结构设计见表7。

表6  金沙地热井地层岩性
地层名称底板埋深/m地层厚度/m主要岩性描述钻进注意事项
第四系（Q） 20 20 残坡积亚粘土 防垮
寒武系第三统至奥陶系下统娄山关组（∈3-4O1l） 176 156 主要为灰、浅灰色白云岩、硅质条带白云岩 防漏失
寒武系第二统至第三统陡坡寺组至石冷水组（∈2-3dp-sh） 276 100 上部为灰黄色薄层泥质粉砂岩夹灰色泥质白云岩，下部为白云岩夹粉砂岩 防漏失，降滤失
寒武系第二统清虚洞组（∈2q） 426 150 上部主要为灰色中厚层夹薄层泥质、灰质白云岩，下部为灰色中厚层至厚层灰岩及白云质灰岩 防漏失
寒武系下统金顶山组（∈2j） 573 147 上部主要为灰绿、黄绿色粉砂质页岩夹砂岩 降滤失
寒武系下统明心寺组（∈2m） 926 353 上部为灰绿色粉砂质页岩及砂岩，中部为灰、深灰色厚层灰岩夹黄绿色砂岩，下部为黄绿色页岩及泥质砂岩 降滤失
寒武系下统牛蹄塘组（∈1-2n） 1078 152 上部为深灰、黄灰色含泥质页岩夹少量炭质页岩，下部为炭质页岩夹少量硅质岩 降滤失，防垮
震旦系上统至寒武系纽芬兰统灯影组（Pt33b∈1dy） 1690 612 主要为浅灰、灰色中厚层白云岩夹燧石条带白云岩 防漏失，夹硬岩
震旦系下统陡山沱组（Pt33d） 1904 214 上部主要为紫红色夹灰绿色粘土岩，下部主要为紫红、灰绿色泥质白云岩 水敏地层
南华系上统南沱组（Pt32cn） 2015 111 主要为紫红色夹灰绿色冰碛砾岩 硬岩，防跳钻，防斜
南华系中统澄江组（Pt32bch） 2086 71 主要为浅灰、灰绿色厚层细—粗粒砂岩夹粘土岩，浅灰、灰绿色薄层粉—细砂岩夹粘土岩状玻屑凝灰岩，紫红色含砾岩屑长石砂岩及长石岩屑砂岩，夹少量紫红或灰绿色粉砂质粘土岩 水敏地层
平坝断层 2186 100 断层角砾岩或破碎带 防垮，防漏失
青白口系下江时期清水江组（Pt31dq） 2200 - 主要为变余砂岩及变余凝灰岩夹绢云母板岩 硬岩，防跳钻，防斜
表7  金沙地热井井身结构
钻井次序钻 井套 管固井井段/m
井径/mm井段/m外径/mm井段/m型 号
表层 395 0~10.60 377 -2.00~10.60 无缝钢管 0~11.60
一开 311 10.60~1092.22 244.5 -1.73~1092.22 J55API石油套管 0~1092.22
二开 216 1092.22~2195.6 177.8 1035.8~1642.78 J55API石油套管和筛管 1035.80~1537.10
127 1642.78~2195.60 J55API石油套管和筛管 -

3.2.2 现场应用试验设计

本次现场应用试验计划在二开井段实施，井径为Ø216 mm。1092.22~1400 m为对比段，采用螺杆钻进工艺施工；1400~1800 m为试验段，采用扭力冲击器-螺杆钻具复合钻进工艺施工，选用扭力冲击器型号为BHDC-182。

对比井段钻具组合为：主动接头+Ø127 mm钻杆+Ø159 mm钻铤+Ø172 mm螺杆钻具+Ø216 mm PDC钻头。

试验井段钻具组合为：主动接头+Ø127 mm钻杆+Ø159 mm钻铤+Ø172 mm螺杆钻具+BHDC-182型扭力冲击器+Ø216 mm PDC钻头。

对比段与试验段分别使用全新M1365DG型PDC钻头1个，为进一步减少影响因素，增强对比度，两段采用相同的钻进参数，钻进时泥浆泵排量为26 L/s，转速50~70 r/min，钻压100~120 kN。

3.2.3 现场应用试验效果分析

3.2.3.1 钻头保护效果分析

现场应用试验时，对比段钻进至1245 m时，因进尺缓慢，起钻查看钻头，发现钻头因受粘滑振动影响，复合片崩齿，崩碎的复合片在井底进一步破坏钻头复合片及胎体，最终导致钻头报废（图3b），故提前终止对比段试验，进入试验段程序。试验井段变更为1245~1600 m，试验结束后，起钻查看钻头新度仍在90%以上（图3c）。

（a）  新钻头

（b）  螺杆钻进工艺出井钻头

（c）  扭冲-螺杆复钻进工艺出井钻头

图3 PDC钻头使用情况对比

3.2.3.2 钻进效率分析

表8为二开1092.22~1600 m钻进情况统计表。从表中可以看出，单纯使用螺杆钻进工艺时，因钻头迅速损坏，平均机械钻速仅为1.58 m/s；而使用扭力冲击器+螺杆钻具复合钻进工艺，平均机械钻速提高到3.35 m/h以上，机械效率提高了1倍以上。

表8  金沙地热井钻进效率分析
井段/m进尺/m纯钻时间/h地层岩性施工工艺机械钻速/（m·h-1）
平均最高
1092.22~1245 152.78 97 泥质白云岩夹页岩夹白云岩及砂岩 螺杆 1.58 4.02
1245~1523 278 79.5 泥质白云岩夹页岩夹白云岩及砂岩 螺杆+扭冲 3.50 4.05
1523~1600 77 23 粘土岩夹砂岩 螺杆+扭冲 3.35 3.67

综上可见，使用扭力冲击器可以有效消除粘滑振动，提高钻头寿命，提高施工效率。

4 结论

扭力冲击器可以将钻井液的动能转化为下部钻具的周向高频振动，从而有效消除粘滑振动。将扭力冲击器安装在螺杆钻具与PDC钻头之间，使用扭力冲击器+螺杆钻具复合钻进工艺，可以保护钻头，增加钻头寿命，减少钻头使用费用，提高机械钻速，从而整体提高了施工效率和经济效益，为软硬夹层等易发生粘滑效应的地层施工提供了新的解决方案。

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