水平井专用液动旋冲工具研制与应用

侯 圣，李玉海，万发明，赵 毅

(大庆油田钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163413)

1 概述

大庆徐深气田位于松辽盆地北部的徐家围子断陷，断陷近南北向展布，面积4300km2。根据所钻的徐深12口井的井史资料，上白垩统四方台组、明水组，第三系地层依安、大安、泰安以及第四系地层疏松。下白垩统营城组地层岩石可钻性级值高，平均级值为9.47级，有些甚至超过了分级标准中最高级10级（见图1、图2），机械钻速低，单只钻头进尺少，机械钻速0.86～2.11m/h，平均1.47m/h，单只钻头平均进尺仅为60～100m[1-2]。

图1 徐深某井地层岩石可钻性分级

图2 徐家围子地区营城组地层岩石可钻性分级

2 计算模型

大庆钻探钻井研究院自主研发的液动旋冲工具，通过压差作用驱动锤头做功，周向上产生均匀稳定的高频冲击力，轴向上产生高频水力加压脉冲，在直井中，取得了较好的提速效果。但在水平井中，工具长度过长无法下入，为加快勘探开发进程，开展了水平井专用液动旋冲工具研制。

为保证改进后的工具的顺利下入，对工具可下入长度进行了计算[3-9]，设计最大井眼曲率为12°/30m。假设套管为刚性，钻杆不受力，且无弯曲，则套管内径：

D1=d1-2h1

式中：d1——套管外径；

h1——套管壁厚。

螺扶弯点至钻头长：

L=L1+L2+L3

式中：L1——钻头长度；

L2——工具长度；

L3——螺杆弯点至端面长度。

钻头偏心距：

式中：α——螺杆弯角。

井眼曲率偏心距：

式中：ρ——井眼曲率。

当钻头偏移值与井眼曲率偏移值反向时（见图3），总偏移值：

C1=R1- | R2|

当钻头偏移值与井眼曲率偏移值同向时（见图4），总偏移值：

图3 钻头偏移值与井眼曲率偏移值反向

图4 钻头偏移值与井眼曲率偏移值同向

C1=R1+ ||R2

最终偏移值：

C=max(C 1,C2)

则所需套管直径：

式中：d钻——钻头直径；

d2——螺杆螺扶外径。

根据现场施工数据对比，计算误差修正系数：a=0.04305666。

当D1+a≥D时，则工具可以通过。

根据现场施工常用钻头、1.25°螺杆和套管数据，井眼曲率12°/30m时，工具可下入最大长度为L=min(L1,L2)，计算得L=1.295m。

3 结构优化

为了满足水平井施工要求，对工具结构进行了优化改进。

（1）动力机构优化。创新设计了无轴向载荷的单级叶轮高速动力机构，该机构主要包括导流帽和叶轮两部分，通过导流帽分流窗口侧向进液驱动叶轮，带动冲击机构旋转，取代常规工具多级涡轮结构，缩短工具长度0.78m。

（2）冲击机构优化。集成设计了扶正轴承和止推轴承组，设计自扶正冲击机构，减少了扶正轴承和止推轴承数量，缩短工具长度0.08m。

通过动力系统及冲击机构改进，工具长度由1.66m缩短至0.8m，小于1.295m，允许最大曲率14.3°/30m，解决了水平井中常规工具无法下入的问题。

4 现场应用

水平井专用液动旋冲工具于2015年11月，配合1.25°螺杆在徐深某井进行现场应用。采用Ø215.9mmBIT×0.29m+Ø178mmDQY×0.80m+Ø172mmLZ×8.08m+Ø159mm浮阀×0.60m+Ø159mm变扣×0.5m+Ø159mm坐键×0.9m+Ø165mmMDC×19.76m+Ø159mmDC×275.87m+Ø127mmDP钻具组合，造斜段施工井段 2420.00～2775.06m，进尺355.06m，纯钻时间132h，平均机械钻速4.08m/h，入井井斜1.65°，出井井斜14.66°。

与本井上趟钻相比，单趟进尺提高9.4倍，纯钻时间提高5.4倍，平均机械钻速提高了2.5倍，使用效果明显。见表1。

5 结论

（1）根据理论计算，对液动旋冲工具动力系统及冲击机构进行改进，工具长度缩短了0.86m，允许最大曲率14.3°/30m，解决了水平井中常规工具无法下入问题。

表1 徐深6-斜304井两趟钻施工对比

（2）在徐深某井，水平井专用液动旋冲工具配合1.25°螺杆钻进，取得了较好的应用效果。

参考文献：

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