塔里木地区复合冲击器钻井提速应用与实践

何选蓬， 程天辉， 王学龙， 李义强， 李瑞强， 肖 飞

(塔里木石油勘探开发指挥部第四勘探公司)

一、复合冲击器工作原理

常规钻具组合钻进时，PDC钻头吃入地层后，破岩应力需要上部钻具能量积累超过临界破岩应力，才能剪切破岩，然后能量瞬间释放，反映到钻台面上就是扭矩大幅波动，所以钻进过程中存在粘滑现象，尤其是在可钻性差的地层，破岩效率较低[1]。

新速通石油工具有限公司自主研发的复合冲击器是一种专用钻井提速工具，它通过内部能量转换装置将钻井液的水力能量转化为脉冲冲击能量，然后通过能量分配装置将冲击能量分成80%的扭向冲击和20%的轴向冲击，给钻头施加高频稳定的周向和轴向的冲击力，减轻近钻头位置的托压和粘滑，提高了穿透硬夹层的能力和钻进效率。破岩应力和扭矩的小幅波动，有利于钻头在井底均匀切削，消除了常规钻具下PDC钻头所受的瞬间极高应力，钻头受到的应力更均匀更平稳，延长了PDC钻头的使用寿命。结构上无橡胶件和电子元器件，耐高温、高压，工作安全可靠。

主要工作原理：复合冲击钻具安装在 PDC 钻头上面，在不影响正常钻进的情况下，利用部分钻井液带动涡轮叶片旋转，提供控制旋转阀等导向机构开启的导通能量，钻井液通过流量分配器进入扭冲模块并利用这部分巨大能量通过换向机构形成相互隔离的钻井液流道，最后形成内外高低压腔体，驱动扭向冲击模块内部冲击锤在图1所示的位置(a)、(b)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、冲击型的机械能。随着钻井液的下行，依靠泵入的高压流体，打开轴向冲击模块的导向机构流道，换向器触发带动轴向冲锤活塞向下运动，完成一次扭向冲击联合轴向冲击运动行程。综合来讲，复合冲击钻井工具可将流体的液压能转换成周向和轴向的、高频的机械能，用于给钻头施加周期性的低幅高频扭转冲击。当扭矩与钻柱稳态扭矩相结合时，能对钻头施加高效的破岩扭矩，大幅减小或消除钻头的粘滑振动，提高破岩效率。

图1 复合冲击器工作示意图

二、使用案例分析

1.果勒2井

果勒2井是果勒区块第一口预探井，复合冲击器Ø165.1 mm HPG186P第一次在塔里木油田试用，2016年2月29日第一套复合冲击器入井。表1为果勒2井钻头使用情况。

使用效果：两套Ø165.1 mm HPG186P复合冲击器+Ø241.3 mm HP315M3钻头从石炭系顶部钻进至志留系底部，共钻进1 360 m，平均机械钻速5.99 m/h，达到扭冲工具在该地层钻进提速的平均水平，将该区块二叠系以下地层螺杆2.5～4 m/h的机速提高到了约6 m/h的水平，提速效果显著。第三套复合冲击器因溢流压井起钻。果勒2井复合冲击器使用指标与相邻区块邻井依合6井对比如表2，果勒2井正常使用的两套复合冲击器，与依合6井同井段常规PDC钻头相比，平均机械钻速分别提高107.5%和154.1%，提高效果显著。

2.热普15井

2016年6月14日，哈拉哈塘油田热瓦普区块热普15井三开Ø241.3 mm井段首次使用新速通Ø177.8 mm HPG197B复合冲击器+专用钻头Ø241.3 mm HP615S3，表3是热普15井复合冲击器与邻井钻头使用记录。

表1 果勒2井钻头使用记录表

表2 依合6井钻头使用记录表

表3 热普15井复合冲击器与邻井钻头使用记录表

表4 昆玉1井二三开钻头使用记录表

使用效果：复合冲击器Ø177.8 mm HPG197B+Ø241.3 mm HP615S进尺1 038 m(5 510～6 548 m)，纯钻时间114.3 h，平均机速9.08 m/h，工具工作时间146 h，因测斜需要起钻，平均机速比邻井扭力冲击器提高近50%，创热瓦普区块同层位最高机速指标；对比邻井RP14-2x，热普15井复合冲击器在各层位机速均高于邻井扭力冲击器；单趟钻钻穿二叠系、石炭系、泥盆系、志留系塔塔埃尔塔格组和柯坪塔格组沥青质粉砂岩，起出钻头几乎无磨损，为后期一只钻头钻进至中完创造了条件。

3.昆玉1井

昆玉1井是位于塔里木盆地西南坳陷昆仑山前柯东构造带柯东4号构造的一口风险预探井，该井于2016年5月28日1 ∶00二开，至9月25日新速通复合冲击器入井前，起下钻换钻头24次，单趟钻平均进尺128 m，平均机速1.37 m/h。表4为昆玉1井二三开钻头使用记录。

表5为昆玉1井244.5井段主要厂家提速工具单只钻头进尺平均机速对比使用效果：该井二开Ø244.5 mm井段新速通复合冲击器及专用PDC钻头，进尺多、机速快(前面350 m，机速约2.60 m/h)，稳斜效果好(井斜1.70°～1.80°)。单只工具及钻头进尺438 m, 纯钻192.95 h,平均机速2.27 m/h，工作时间213 h，取得该井二开井段单只钻头进尺、机速最好成绩。

4.跃满802井

跃满802井位于新疆维吾尔自治区阿克苏地区沙雅县内，该井三开Ø241.3 mm井段二叠系及以下地层使用新速通复合冲击器提速，见表6。

跃满区块是使用提速工具比较成熟的区块，表7为该区块二叠系及以下地层单趟钻进尺1 050 m以上的钻头记录。

表5 昆玉1井不同提速工具使用对比表

表6 跃满802井与邻井钻头使用记录表

使用效果：复合冲击器Ø177.8 mm HPG197B + Ø241.3 mm HP615S3进尺1 456 m(4 700～6 156 m)，单趟钻钻穿二叠系、石炭系、泥盆系、志留系塔塔埃尔塔格组，纯钻时间180.6 h，平均机速8.06 m/h，工具工作时间197.5 h，创跃满区块二叠系及以下地层单只钻头最高进尺指标，单只钻头千米以上进尺最高机速指标；对比邻井，跃满802井复合冲击器比邻井扭冲分别提速30%和50%以上；对比跃满区块同地层千米以上进尺扭冲使用情况，跃满802井复合冲击器机速比扭冲平均机速提高约25%，用时31.67 d上6 000 m，一举打破跃满8-1井保持的32 d的记录。

三、总结和建议

(1)目前石油钻井提速工具种类繁多，扭力冲击类工具也有数家之众，虽然各自结构和工作机理有所偏差，但最终实现的提速原理基本相同，可现场应用却效果相差甚远，归根结底就是提速工具对地层的适应性不同，冲击力大小、冲击频率等细节没达到地层的破岩应力和固有振动频率。

(2)复合冲击器的工作寿命主要由转化装置和零件材质决定，新速通复合冲击器将推杆式能量转化装置改为轴承式，大大减少了零部件磨损；冲击锤、冲击毡等核心零件采用德国进口钛钢合金材料，耐高温高压，强度高，耐冲击性能强。双管齐下，大大延长了复合冲击器工作寿命，高效工作达180 h以上。

[1]柳贡慧，李玉梅，李军，等.复合冲击破岩新技术[J].石油钻探技术，2016，44(5):10-14.