ydc-168型旋转冲击钻井工具的研制

ydc-168型旋转冲击钻井工具的研制

目前，西部勘探吐哈俄伦的主要市场是玉门青西油田、托哈油田三塘湖盆地和塔里木油田。现在，由于大部分耕地和卵石层都是井，井孔通常会钻到坚硬的土层和厚的卵石层，从而具有很强的研磨性。采用传统的齿轮钻、pdc钻头和喷射钻孔装置的旋转孔方法，上井段的钻孔压力严重不足。钻头切割齿很难穿透坚硬的岩石，钻孔速度低，效率低，钻孔寿命短，钻井周期长，钻孔成本高。旋转冲击钻井系统的破岩方式结合了顿钻和旋转钻井的两种破岩方式,以较小的钻压(5吨以内)就能够达到大幅度提高机械钻速的目的,因此相对于硬脆性地层来说,其适用范围远大于其他钻井技术。本文介绍的YDC-168型旋冲钻井工具为射吸式冲击器,已在吐哈油田区块进行了试验,并取得了一定的效果。1我国旋冲钻井技术的研究液动冲击旋转钻井技术的设想最早始于欧洲,18671887年相继出现了液动冲击钻具,19001905年期间,俄国工程师B·沃尔斯基设计了几种石油钻井液动冲击钻具。在20世纪40年代,前苏联H·葛莫夫研制出了滑阀式正作用液动冲击钻具。到50年代,美国艾莫雷研制出了活阀式反作用液动冲击钻具。我国自20世纪70年代以来,在地矿系统固体矿钻井中开始研究旋冲钻井技术,到了80年代该技术进入推广应用阶段,被列为地矿部三大重要钻探技术之一。长庆工程院从1992年开始进行旋冲钻井提速的技术研究,并在陕北进行了多口井的试验,钻速同比提高了58%;在华池作业区的9口井实施旋冲钻井,钻速同比提高了29%,但使用寿命均在40小时以内。2002年中海油田服务有限公司研制的DGSC-203液动射流冲击器,外径设计为Φ203mm,配用Φ311.2mm牙轮钻头。试验发现应重点解决冲击器的寿命问题,共入井17h,纯钻13.25h。大港油田集团公司钻采工艺研究院在玉门油田窿114和金海1两口井应用了DGSC型液动冲击器及配套技术,取得了较好的效果,机械钻速提高30%以上。2岩石旋转脉冲机和高速喷射脉冲机的工作原理2.1冲击载荷作用特点当井底不规则的岩石表面受到钻压的作用时,在作用力逐渐增加时,牙齿与岩石接触部位原先是产生弹性变形,随着作用力的持续快速增加,钻头下面的岩石开始出现微裂纹,然后逐渐形成放射裂纹,此时裂纹在岩石中形成一个长而窄的岩屑破碎区,岩石表面突然破裂,出现许多贝壳状的破碎。然后随着作用力增加变慢,两侧产生的剪切体被工具的吃入和崩落排除,作用力下降时,形成一个破碎坑,在旋转作用下,两坑穴间脊部被剪切掉形成体积破碎。一个牙齿压入岩石后,在井底平面内周向移动时,连续完成多次冲击,在一定静压力作用下,应力波形式传递的冲击力能有效作用到岩石上。冲击载荷特点是接触应力瞬时可以达到高值,局部应力集中,在岩石内部非常容易产生微裂纹,并且冲击速度越大,岩石脆性就越大,越有利于形成裂缝。冲击形成的裂缝会大大降低井底岩石的强度,当冲击载荷足够大时,应力很快接近甚至超过岩石抗压强度,产生脆性破岩,岩石体积崩离。2.2冲锤+阀套冲击时YDC-168型旋转冲击钻具为射吸式冲击器,内部结构和原理见图2。射吸式冲击器工作原理是:启动前阀套与活塞都位于工作行程的下限(见图2a),此时阀控系统执行喷射泵功能,当钻井液从喷嘴射出时,上腔内钻井液进入下腔,上腔压力降低,下腔压力升高,压力差推动阀套与活塞上行(回程)。由于阀套的质量小于活塞(活塞与冲锤连为一体),上升速度比活塞快,先抵达行程上限(见图2b),活塞紧随其后,当活塞也上行至趋近于工作行程的上限时,冲锤顶部椎体与阀门十分靠近,其间的环形流道缩小为一缝隙,水流迫使阀门迅速关闭(见图2c)而发生水击,此时上腔压力达到峰值,而与此同时,由于下腔液流补给阻断,压力急剧下降,此时阀腔系统失去喷射泵的功能,转而成为推动活塞冲锤迅速向下冲击(见图2d)。当阀套抵达行程下限而停止时侯,冲锤则继续向下冲击砧子(见图2e)。至此,一个工作循环结束。冲锤冲击砧子后阀门完全开启,液流畅通,阀控系统恢复喷射泵的功能,开始下一循环,周而复始不停地冲击。3ybc-168钻具的现场应用3.1入井旋冲钻具、钻井量、钻杆、束柱的选择及钻细及施工本次旋冲钻井工具试验的井为吐哈油田三塘湖盆地条21井,条21井基本数据:条21井位于新疆哈密地区巴里坤县岔哈泉乡东偏北21.5km,是三塘湖盆地条山凸起西缘条16井西断鼻构造带上的一口预探井,下入工具型号为:YDC-168型旋转冲击钻具,外径结构Φ168mm;总长度1.71m,上接头母螺纹430;下接头母螺纹460,适合井眼尺寸Φ215.9mm;可以产生55-76kN的额定冲击力,入井旋冲钻具组合为Φ241mm钻头+YDC-168型射吸式冲击器+Φ178mm钻铤×12根+Φ165mm钻铤×9根+随钻震击器+Φ165mm钻铤×2根+Φ127mm钻杆。2010年8月11日4:50下钻划眼到底跑合钻头,正式钻进。钻井参数为钻压180kN,转速90/min,排量40L/s,泵压18MPa。8月12日13:45钻至井深2745.19m,钻进41m,由于机械钻速太慢,决定起钻。起第一柱时较为困难,经过上下活动,座卡瓦转动钻柱后起出,以后正常起40L/s,泵压18MPa。8月12日13:45钻至井深2745.19m,钻进41m,由于机械钻速太慢,决定起钻。起第一柱时较为困难,经过上下活动,座卡瓦转动钻柱后起出,以后正常起出。8月13日3:30起钻完,旋冲工具外表正常,钻头报废。4试验结构特征(1)在吐哈油田实验区的条21井试验过程中,研制的工具入井的井段见到了明显的提速效果,火成岩整体提速30%以上,为今后开发此类研磨性强的硬地层提供了有针对性的高效破岩工具。(2)由于工作状况十分恶劣,钻井工具在承受高温高压含固相颗粒钻井液的射流冲刷的同时亦受到高冲击频率的影响,因此,本次试验工具虽然只钻进41m,但是对今后钻井工具在结构上简化和改良具有指导意义。(3)通过本次试验发现优质钻井液在钻井过程中起到相当重要的作用,旋冲钻井钻进过程中使用优质钻井液,有利于工具工作时间的延长,否则会严重损害冲击器的运动件。连续不断的冲击作用在井底岩石表面上会形成延伸程度不同的裂纹,一方面有助于产生剪切体,另一方面有助于旋转剪切破碎岩石。同时两次冲击之间所形成的岩石脊部很容易被剪切掉,从而大幅提高钻速,减少井斜,提高井身质量,解决影响钻速的几个因素与现有钻井条件之间的矛盾,从而实现了高效率体积破岩。旋冲钻井可以分解为旋转破岩和冲击破岩的复合钻井过程,见图1。3.2岩性成岩钻工具入井2704～2720m见到了明显