液力衡扭旋冲提速工具及其在达深16井的应用

李秋杰，王春华，李玉海，万发明，李欢欢

(大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163413)

1 概述

大庆油田达深区块3000～4500 m井段为营城组、沙河子组，该层位岩石坚硬，研磨性强，应用常规钻井手段存在以下不足。

(1)使用牙轮钻进营城组600 m井段需牙轮钻头8～12只，平均单只钻头进尺60.83 m，机械钻速1.26 m/h，个别井段单只钻头进尺不足15 m，机械钻速0.6～0.8 m/h，钻头使用效率非常低。

(2)使用螺杆进行复合钻进只在泉头组以上地层应用，登娄库组以下地层应用较少，而且由于螺杆钻具在深井中寿命低，使用效果不理想。

(3)应用气体钻井技术在提速和发现储层上可取得较好的效果，但还存在一些问题需要解决，如地层出水引起的泥包卡钻问题、气液转换后井壁稳定问题等，气体钻井整体提速效果还不是十分明显。

近年来，通过应用各种新型钻井工具及优化钻井参数等方式，有效地提高了该区块深部地层的钻井效率。其中，液力衡扭旋冲提速工具与其专用PDC钻头在大庆油田达深16井成功应用，取得了良好的提速效果。施工层位营城组—沙河子组，总进尺1360 m，平均机械钻速4.86 m/h，而邻井平均机械钻速仅为1.1 m/h，提速效果显著。因其施工风险低、操作简单等特点，可以广泛应用于深井提速施工。

2 液力衡扭旋冲提速工具结构原理及特点

2．1 工作原理

液力衡扭旋冲工具是一种提速工具，它将钻井液的流体能量转化为PDC钻头剪切方向上的机械冲击，改变了普通PDC钻头的破岩方式，减缓了钻头的磨损速度，提高了钻头的破岩效率，进而提高了机械钻速。

2．1．1 液力衡扭旋冲提速工具结构(见图1)

工具通过本体传递钻机基础动力，动力系统通过钻井液的流体能量产生旋转动力，冲击系统产生高频机械冲击。

图1 液力衡扭旋冲提速工具基本结构

图2 液力衡扭旋冲提速工具冲击工作原理

工具冲击总成主要由凸轮组(上凸轮、下凸轮)、复位总成、钻头连接短节组成(见图2)，动力系统带动上凸轮旋转，与下凸轮接触后产生顺时针方向及垂直向下的冲击力(如图中箭头所示方向)。顺势针方向产生的高频冲击直接作用于钻头，实现了PDC钻头的复合切削。垂直向下的冲击力通过复位机构释放，并回到初始状态，完成一次冲击及复位动作。通过顺时针方向附加的高频冲击，大大缩短了剪切岩石时的“蓄能”过程，减少了钻头的不规则弹跳，缓解了常规PDC钻进时扭矩的大范围波动，实现了“衡扭矩”钻进。

2．1．2 工具连接方式

液力衡扭旋冲提速工具连接在钻铤与双母接头之间，无需重新配置钻具组合。

2．1．3 工具的基本参数

2．2 工具的技术特点

(1)提供额外的周向高频冲击力，消除粘滑现象，辅助PDC钻头剪切岩层。

液力衡扭旋冲提速工具内部的高频冲击机构带动PDC钻头在圆周方向实现高频冲击运动，可有效减少粘滑现象，提高破岩效率，减少反冲扭力;这种高频冲击力能够在较硬地层钻进时预先形成岩石裂纹和预破碎，改善了PDC钻头的切削环境，达到辅助PDC钻头剪切岩层的作用。

(2)提高PDC钻头的适用性和耐久性。

针对液动冲击特殊研制了高效PDC钻头，采用优质抗冲击PDC复合片，并设计了适合冲击钻进的冠部曲线及翼型，配合液力衡扭旋冲提速工具使用，使原来只能用牙轮钻头钻进的深部地层实现了PDC钻头钻进，提高了机械钻速、使用寿命和安全性。

(3)纯机械结构，适用温度高。

工具内部为纯机械零件结构，无电子元件，适应温度高，可满足深层高温的钻井工况要求。

(4)现场操作简单可行、安全可靠。

液力衡扭旋冲提速工具配合特殊高效PDC钻头现场应用简单，对现场条件要求较少，无需额外的设备，现场使用工艺安全可靠。

3 现场应用

达深16井是大庆油田安达地区的一口预探井，设计井深4300 m，后加深至4400 m。其中2966～3331 m为营城组，主要岩性上部以酸性流纹岩、火山角砾岩为主，下部为安山岩;3331～4400 m完钻为沙河子组，顶部岩性为砂砾岩，中、下部以砂泥互层为主。

3．1 达深16井液力衡扭旋冲提速工具施工情况

3．1．1 钻具组合

3．1．2 施工参数选择

根据液力衡扭旋冲提速工具施工方式及井深质量要求，采取以下钻井参数:钻压80～120 kN，转数70 r/min，扭矩 9 ～18 kN·m，排量 31 L/s，泵压 13～15 MPa;泥浆体系为水基，密度1.18～1.30 g/cm3，粘度55 ～65 s，pH 值9.5。

3．1．3 施工情况

达深16井在三开3040～4400 m井段使用液力衡扭旋冲提速工具进行提速施工，进尺1360 m，平均机械钻速4.86 m/h，具体情况见表1。

3．2 邻井常规方式钻进情况

表1 液力衡扭旋冲提速工具施工情况

大庆油田达深区块营城组—沙河子组岩石坚硬，可钻性差，对钻头磨损严重，采用常规手段进行钻进，平均机械钻速仅为1.83 m/h(见表2)。

3．3 应用效果评价

3．3．1 机械钻速

由表1、表2可以看出达深16井液力衡扭旋冲提速工具施工井段机械钻速为4.86 m/h，而邻井采用普通手段钻进此井段时平均机械钻速为1.83 m/h，由此可得比邻井同层位同深度平均机械钻速提高了3.03 m/h，即提高了166%。

表2 邻井常规手段钻进情况统计

在庆深气田首次实现单只PDC钻头在营城组—沙河子组进尺最长577.27 m，平均机械钻速最高，达5.26 m/h;沙河子组单只PDC钻头进尺最长574.74 m，平均机械钻速最高达6.92 m/h。创下了达深区块此深度下机械钻速和单只钻头进尺的最高记录。

3．3．2 施工周期

达深16井2968～4300 m设计施工时间53 d，若由3040 m开始计算，约为52 d。该井由4300 m加深至4400 m，加深的100 m按6 d计算，共需52+6=58 d，而应用液力衡扭旋冲提速工具的实际施工时间为20 d，比设计提前38 d完钻。

4 结论及建议

(1)现场试验表明，液力衡扭旋冲提速工具可有效地将钻井液的流体能量转换成高频的机械冲击并作用于钻头，从而辅助PDC剪切岩石，提高破岩效率。

(2)从本井施工效果看，液力衡扭旋冲提速工具与PDC配合提速效果非常显著，且能大幅度节约钻井成本。与邻井15口井平均机械钻速相比提高了166%;施工周期方面缩短了38 d;节约了大量钻井成本，提高了钻机使用效率，加快了勘探开发速度。

(3)根据液力衡扭旋冲提速工具的工作原理，采用中等钻压、低转速，钻速较快且工作稳定，对控制井身质量、携带岩屑起到了较好的作用。

(4)液力衡扭旋冲提速工具为深井提速提供了一个有效的技术手段，建议在达深地区大力推广该工具，并在其他区块进行探索应用。

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