旋扭冲击器在复杂地层井中的应用

陈新勇 ，王 锐 ，张娅楠 ，马谢书 ，王艺晨 ，王 挺 ，马 铃

（1.中国石油渤海钻探工程技术研究院，河北任丘 062550；2.西南石油大学石油天然气工程学院，四川成都 610500；3.中国石油华北油田公司合作开发项目部，河北任丘 062550）

在钻井大提速的背景下，油气勘探开发向深层、高风险区域迈进，面对的地层越来越复杂，施工难度越来越大，对钻井速度与质量的要求也越来越高。深部复杂地层机械钻速低的问题，直接影响着油气勘探开发的进展，因此迫切需要提高难钻地层机械钻速[1，2]。另一方面，近年来PDC钻头已逐步成为石油钻井主力钻头，2006年美国PDC钻头进尺约占总进尺的60%，美国落基山脉地区75%钻井进尺都是PDC钻头完成的[3，4]。然而，PDC钻头在工程应用中还存在一些制约因素：对于中硬以上及高研磨性地层，PDC钻头存在严重的卡滑、吃入深度不够以及使用寿命低等亟待解决的问题，限制了PDC钻头的应用范围[5，6]。

对于降低、解决卡滑振动，普遍采用的方法主要有钻井参数优化、减振工具和钻头结构优化等措施，但效果并不明显。因此，结合旋扭辅助破岩与流体动力学理论研发了旋扭冲击器提速工具，搭配结构优化的PDC钻头进行减振降低卡滑，提高机械钻速。

1 旋扭冲击器工作原理及技术优点

1.1 工作原理

旋扭冲击器是一种纯机械动力钻井提速工具，通常被直接安装在旋转钻井或定向钻井总成中PDC钻头上方。泥浆从上接头经泥浆流量分配器流进冲击器，并二次分配到管状接头内。来源于钻井液的能量驱动内部动力锤产生冲击，冲击频次与液体流速有关。旋扭冲击器提供的额外的扭向冲击力完全改变了PDC钻头的运动状态，其高频稳定的冲击力，相当于每分钟750～1 500次切削地层，钻头不需要等待扭力积蓄足够的能量就可以切削地层。此时，转盘提供的转动扭力及工具的液动扭力，并直接作用在钻头上。此时整个钻柱的扭矩基本处于稳定状态，有效避免或降低了PDC钻头卡滑的不利影响，有利于延长钻头寿命；高频扭向冲击对于以剪切破岩为主的PDC钻头，有利于提高机械钻速（见图1）。

1.2 旋扭冲击器技术优点

钻进过程中，工具内部流道结构将钻井液能量转换成周向机械冲击力（约2 kN·m），并直接传递给PDC钻头，有效避免PDC钻头的卡滑现象，提高机械钻速。旋扭冲击器还有如下优点：

（1）旋扭冲击器内部机械结构合理，泥浆流道通畅，无任何橡胶件，无任何电子元器件，可以抗高温达210℃；

（2）旋扭冲击器失效后，并不影响继续钻进，对钻进没有任何风险。只是相当于一个钻头短节，无需起钻，但效果相当于不用旋扭冲击器的状态，机械钻速较低；

（3）旋扭冲击器钻压高于常规PDC钻头钻压，PDC刀齿切入地层更深，可更有效的剪切破碎地层，增加机械钻速；

（4）旋扭冲击器使用时不会对MWD等录井和测井仪器的信号产生影响；

（5）旋扭冲击器产生的是稳定均匀的周向高频冲击，不会造成PDC钻头的金刚石复合片产生损坏，反而会延长PDC钻头和钻具的寿命。

图1 扭力冲击器

2 复杂地层钻井提速难点

华北油田安探区块部署井是以勘探开发冀中坳陷廊固凹陷河西务潜山构造带杨税务潜山圈闭为目的井。具有地层岩性复杂、下部地层可钻性差、井下温度高等特点，具体体现如下：

（1）下部地层有沙河街组、孔店组、石炭系、二叠系、奥陶系。其中，沙河街组以泥岩、砂岩为主，部分层段含玄武岩；孔店组、石炭-二叠系以泥岩、细砂岩、含砾砂岩为主，部分层段夹含砾岩，奥陶系以灰岩、泥质灰岩为主，可钻性较差。

（2）岩石力学性质分析（见图2），沙三及以上地层内聚力5 MPa～15 MPa，内摩擦角 25°～32°，抗压强度30 MPa～75 MPa，可钻性较好；沙四～孔店及C-P地层内聚力 10 MPa～17 MPa，内摩擦角 30°～39°，抗压强度30 MPa～90 MPa，地层强度波动较大，可钻性极值变高。

（3）井下温度高。区块内井钻深超过5 200 m，地温梯度约为3.11℃/100m，预计井底温度180℃。

3 现场应用

3.1 工具入井前井况

华北油田安探X井是一口三段制深井，设计井深5 400 m，四开井身结构。三开内造斜段3 550 m～3 837 m，稳斜段3 837 m～4 784 m，177.8 mm套管下至潜山顶部。

该井钻进至4 213 m时，井下温度接近145℃，钻遇含砾岩层，钻头磨损严重。

3.2 钻具组合及钻井参数

钻具组合：D215.9 mm PDC钻头×0.35 m+旋扭冲击钻井工具×0.71 m+411/4A10+211LF+165 mm螺旋钻铤×9.35 m+210LF+浮阀+165 mm 钻铤×9.35 m+411/4A10+165 mm螺旋钻铤×56.1 m+4A11/410+127 mm加重钻杆×177.65 m+随钻震击器+127 mm加重钻杆×46.75 m+DP。

图2 岩石力学参数图

钻井参数：泵压16 MPa～18.5 MPa，泥浆密度1.37 g/cm3～1.42 g/cm3，钻压 50 kN～80 kN，转速 50 r/min～80 r/min，排量30 L/s。

3.3 应用效果

图3 井段4 140 m～4 380 m钻遇地层

4 157 m～4 291 m井段地层岩性为泥岩、砂岩、砾岩、夹含有玄武岩。其中4 157 m～4 213 m及4 291 m～4 380 m采用螺杆钻具。旋扭冲击器应用井段4 213 m～4 291 m，进尺78 m，纯钻时间 31 h，工具工作36 h，入井共计62.7 h，平均机械钻速2.5 m/h，较本井相同地层螺杆钻具组合机速提高68%，工具出井新度90%以上（见图3，表 1）。

3.3.1 钻头寿命 本次配合旋扭冲击器工具的钻头采用8-1/2"M1365DG型钻头，六刀翼。钻头入井前后分析，钻头轻微磨损，新度仍可达到95%以上，而采用螺杆钻具组合的同型号钻头严重损坏（见图4）。表明旋扭冲击器工具可以有效的保护钻头，提高了钻头的使用寿命。

3.3.2 MWD配伍性 为了实时监测井斜变化，钻具中配备了MWD。应用效果（见图5），钻进中MWD信号一直稳定。旋扭冲击钻井工具振动幅度低、冲击力度小，不会影响MWD信号，也不会对MWD产生损害。

4 结论

（1）旋扭冲击钻井工具能大大消减在硬地层钻进时的卡滑现象。

（2）该项技术消除了井下钻头运动时可能出现的一种或多种振动现象，使整个钻柱的扭矩保持稳定和平衡，使钻头不需要等待扭力积蓄足够的能量就可以切削地层。

（3）工具能够提高机械钻速，而且还能延长钻头及下部钻柱组合的寿命，基本解决了PDC钻头在复杂地层寿命短和机械钻速低的难题。

表1 旋扭冲击器钻井工具现场实钻数据对比

图4 钻头起出

图5 钻进中MWD信号图

（4）旋扭冲击钻井工具可以实现与MWD的配合使用，实现对井斜实时监测。