旋冲钻井在塔河工区超深井段的应用

索忠伟 王甲昌 张海平 李广国 张仁龙 敬辉阳

（1.中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院，北京 100101；2.华东石油局钻井公司，江苏镇江 212003；3.中国石油天然气管道局天津设计院，天津 300457）

旋冲钻井在塔河工区超深井段的应用

索忠伟1王甲昌1张海平1李广国2张仁龙1敬辉阳3

（1.中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院，北京 100101；2.华东石油局钻井公司，江苏镇江 212003；3.中国石油天然气管道局天津设计院，天津 300457）

为提高新疆塔河工区深部地层机械钻速，在该区块试验应用了旋冲钻井技术。针对新疆塔河工区深部地层岩性特点和钻头选型情况，优选出旋冲钻井匹配钻头，优化并确定出射流冲击器结构性能参数。使用改进后射流冲击器首先在塔河工区S116-3井中配合PDC钻头在超深井段进行探索性应用，验证射流冲击器+PDC钻头的可行性，应用井深达6 086 m。随之，在TP324井进行了长井段现场应用，实现了液动射流冲击器与PDC钻头配合实质性应用。S116-3井应用井段：5 998.41～6 086 m，TP324井应用井段为6 151.65～6 912 m，总进尺847.94 m，总纯钻时间314.02，机械钻速同比提高32%～45%。S116-3、TP324井应用结果验证了该技术在深井超深井的提速效果及可靠性，为塔河工区深部地层探索了新的途径。

旋冲钻井；射流冲击器；PDC钻头；超深井

旋冲钻井技术是在旋转钻井的基础上，增加一个冲击器产生的高频冲击作用，使钻头承受周期性的冲击载荷，实现冲击载荷与静压旋转联合作用破碎岩石。由于在钻进过程中施加了高频的冲击载荷，使岩石形成体积破碎，从而提高钻井速度， 特别在可钻性级值4级以上、抗压强度大于100 MPa的硬地层中钻进效果更佳。实现旋冲钻井的主要工具是液动冲击器，是一种以钻井液为动力，直接在钻头上施加冲击能，实现冲击载荷与静压旋转联合破岩的工具。YSC-178型液动射流式冲击器具有结构简单、性能可靠、启动灵活、工作稳定且适用范围广等优点，不必改变现有的钻井装备。不受背压影响，有利于深井钻井。

近年来，基于黏滑振动理论，旋冲钻井技术应用于PDC钻头取得了突破性进展，即利用冲击振动发生工具减轻或消除有害黏滑振动对PDC钻头的影响，实现PDC钻头提速及提高进尺。最具代表性的是阿特拉的TorkBuster扭力冲击器、NOV公司的旋冲钻具，中国石油大学研制的自激震荡旋冲钻井工具+PDC钻头也在试验中取得了较好的效果，除扭力冲击器为周向冲击以外，另外2种技术均为轴向高频温和冲击工具。实践证明，使用合理的冲击器参数，在适宜的冲击振动作用下，可以有效消除井底钻头及钻具的有害黏滑振动，改善钻头工作状态，使钻头更平稳地切削从而扩大钻头适用地层范围，发挥PDC钻头钻速高、进尺多的优势，减少起下钻次数，降低钻井成本。射流式液动冲击器作为一种参数调节范围很宽的轴向冲击振动发生工具，通过合理调整分流孔径、冲击行程、冲锤重量获得合适的输出参数，可配合PDC钻头进行旋冲钻井。

1 冲击器性能参数确定

考虑冲击器工作频率过高会加速活塞的磨损，降低冲击器工作寿命，在满足冲击器降低冲击力的前提下，结合性能试验结果，选择活塞行程为15 mm，锤重45 kg，分流孔直径13 mm。表1列举了排量为25～30 L/s时对应的冲击器性能参数。

表1 冲击器结构参数及性能参数

依据冲击器性能参数与排量关系曲线（图1）可确定现场不同排量下对应冲击器冲击功及冲击频率大小，为旋冲钻井参数优选提供了实验依据。

图1 冲击器性能参数与排量关系曲线

2 钻头选择

塔河地区志留系—奥陶系地层岩石强度34～200 MPa，变化范围较大，上部井段抗压强度相对较高。拟应用井段地层硬度分级为IADC4-7，地层软硬交错综合考虑托普台地层特点和PDC钻头的地层适应性，结合本区块钻井实践，对石炭系及石炭系以下地层以压实性好的泥岩为主，可钻性相对较差，推荐选择中等抛物线型、中等布齿密度、13～16 mm复合片、负前角20°或25°的胎体PDC钻头。另外，综合考虑PDC钻头配合冲击器使用，钻头须能够承受一定冲击力，采用热稳定性好、特别耐磨、耐冲击的X3齿 ，单个金刚石复合片可承受60J以下的冲击能。Ø215.9 mm FX65D钻头采用双排齿设计，后排齿可有效降低载荷波动范围，提高钻头安全。

3 现场应用

3.1 S116-3井

S116-3井在库车县境内，为沙雅隆起阿克库勒凸起南斜坡带布置的一口评价井，设计井深6 295 m，为五开制直井，目的层位：奥陶系中—下统鹰山组。因为首次冲击器与PDC钻头配合应用，选取该井四开Ø215.9 mm井眼，在四开设计中完前100 m井段进行探索性试验应用，实际应用井段：5 998.41～6 086 m（四开中完井深），地层为奥陶系上统桑塔木组、良里塔格组、恰尔巴克组。地层岩性主要为灰色泥岩、灰岩、棕红色泥岩。钻具组合为：Ø215.9 mm FX65D+YSC-178射流冲击器+单流阀+411×4A10+Ø163mmDC×2根+Ø215 mm 扶正器+Ø163 mmDC×19根+4A11×410+Ø127 mmHWDP×6根+Ø127 mmDP。

旋冲钻井参数：钻压60～80 kN，转速65～70 r/min，排量 26～28 L/s，立压 20～22 MPa。钻井液性能：密度 1.30 g/cm3，黏度 51 s，含砂量 0.1%。冲击器入井共计87 h，纯钻41.02 h，进尺87.59 m，采用旋冲钻井较常规钻井机械钻速提高40%以上。冲击器及钻头出井后均保持完好，可继续使用。该井试验井段虽短，但由于钻穿多套地层，同时验证了射流冲击器与PDC配合应用的可行性。在S116-3探索性应用的基础上，开展了TP324井长井段的应用，TP324井选用钻头为S116-3井出井钻头。

3.2 TP324井

TP324井在沙雅县境内，位于TP313H井口东南116°47' 46"方位，平距1 888 m； TP39井南东60°9'23＂，平距 2 557m；TP311井东南172°25'37＂方位，平距2 815 m。设计井深7 035 m。旋冲应用井段为6 151.65～6 912 m，地层为奥陶系桑塔木组、良里塔格组、恰尔巴克组。地层岩性主要为灰色泥岩、灰岩、灰质泥岩、泥质灰岩、棕红色泥岩。钻具组合为：Ø215.9 mm FX65D+YSC-178射流冲击器+单 流 阀+411×4A10+Ø163 mmDC×2根+Ø215 mm扶正器+Ø163 mmDC×19根+4A11×410+Ø127 mmHWDP×6根+Ø127 mmDP。

钻井参数：钻压 30～80 kN，转速 65～70 r/min，排量 26～28 L/s。钻井液性能：1.35 g/cm3，黏度 57 s，含砂量＜0.2%。冲击器入井井深为6 151.65 m。起钻井深为6 912 m，因三开中完起钻。旋冲钻井上返岩屑颗粒较常规钻井上返岩屑颗粒粒径大，说明了旋冲钻井有利于岩屑录井，便于鉴别分析岩性，是地面实时判断冲击器是否正常工作的一个重要依据。

钻进至6 555 m进行测斜，测斜点为6 550 m，测斜结果：井斜0.76°，方位为20.4°，温度为122.78℃。测斜结果符合设计要求，说明旋冲钻井在提高机械钻速同时，可以保证井斜控制要求。

冲击器使用井段6 151.65～6 912 m，钻头总进尺760.35 m，总计入井时间351 h，纯钻时273.7 h，循环33 h；其中冲击器正常工作井段为6 151.65～6 522 m，旋冲钻井进尺370.35 m，纯钻时113.1 h。冲击器本体及钻头出井后保持完好，钻头新度为90%，可继续使用。

TP324井旋冲钻进井段钻速与上部井段、下部井段及邻井相应井段对比情况见表2。

表2 TP324井与邻井及邻井段钻进效果对比

综合以上对比分析，可以看出，TP324旋冲钻井井段平均机械钻速较上部邻井段提高35.7%，较下部邻井段提高34.5%，与邻井TP311、TP313H同井段平均机械钻速相比分别提高32.9%、45.3%。

4 结论

（1）YSC-178射流冲击器可应用于6 000 m以深超深井钻进，工作可靠，为塔河工区深部地层提速提供了新的途径。

（2）采用射流冲击器在塔河奥陶系地层中进行旋冲钻进，提速效果良好，与同井上下井段及邻井相同井段相比提速32%～45%。

（3）旋冲钻井钻进方式岩屑颗粒较大，有利于岩屑录井。

（4）射流冲击器配合PDC钻头使用，其有效工作寿命与PDC钻头使用寿命还不匹配，有必要进行大幅度提高冲击器工作寿命深入研究。

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（修改稿收到日期 2013-06-11）

Application of rotary percussion drilling on the super deep section in Tahe Field

SUO Zhongwei1, WANG Jiachang1, ZHANG Haiping1, LI Guangguo2, ZHANG Renlong1, JING Huiyang3
（1. SINOPEC Petroleum Engineering and Technology Research Institute,Beijing100101,China;
2. Drilling Company,EastChina Petroleum Administration Bureau,Zhenjiang212003,China;3. Tianjin Design Research Institute,CNPC Pipe Administration Bureau,Tanggu300457,China）

To improve the Rate Of Penetration(ROP) for drilling deep formations in Tahe Field, rotary percussion drilling technique was tested. According to the lithologic features and drilling bit type selection in the region, the fixed bit was selected, and the structural properties of jet impactor were optimized and fixed. The improved jet impactor was firstly put into usage in the super deep section of Well S116-3, combined with PDC bit, proving the feasibility of jet impactor+PDC bit, and the depth reached 6 086 m. As following,it was field applied on Well TP324, which realized the real application of the combination of jet impactor and PDC bit. As a result, the application depth range of Well S116-3 was 5 998.41～6 086 m, and it was 6 151.65～6 912 m for Well TP324, so the total penetration was 848.16 m. The total net drilling period was 314.02, and the ROP was increased by 32%～45%. The application on the two wells proved the effect and reliability of the technique in deep and super deep wells. It supplied novel way to develop Tahe deep formation.

rotary percussion drilling; jet impactor; PDC bit; super deep well

索忠伟，王甲昌，张海平，等. 旋冲钻井在塔河工区超深井段的应用［J］. 石油钻采工艺，2013，35（4）：44-46.

TE249

：A

1000–7393（2013） 04–0044–03

攻关项目：中国石油化工股份有限公司项目“新疆塔河工区YSC-178冲击器推广应用”（编号：SG11044）。

索忠伟，1970年生。1994年毕业于长春地质学院勘察工程专业，现主要从事钻井工程科研工作，博士，高级工程师。电话：010-84988125。E-mail：suozhongwei123@163.com。

〔编辑 薛改珍〕