扭力冲击器在海洋6-1钻井提速中的应用

陈波，马志忠，和鹏飞，王志超，宋峙潮，袁则名

中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司（天津 300452）

提速对石油钻探作业至关重要。为了提高深井钻探作业破岩效率，人们做了很多的尝试和探索。当前石油钻探领域内，钻井提速技术主要有冲击钻井技术、钻头优化技术、脉冲射流提速技术、轻泥浆提速技术、VSI 比能优化钻井技术等。冲击钻井技术相比传统旋转钻井具有很多优点，冲击钻井的机械钻速一般比旋转钻井高2～3 倍[1]，冲击器能提高井底净化能力[2]、延长钻头使用寿命[3]。扭力冲击器作为冲击钻井技术，能为钻头提供一个高频率、波动小、分布均匀的机械冲击力，提高PDC钻头的破岩效率。为了改变海洋6-1井深部地层钻头破岩效率低的现状，对业内提速的各种技术进行了调查研究，选择了扭力冲击器作为试验对象，开展了具体的应用，现场应用效果较好。

1 项目背景及难点

1.1 海洋6-1区块地质特征

海洋6-1 构造位于渤中凹陷西南部，储层主要分布在深部地层及太古界潜山。深部地层岩性以粗砂岩为主，并局部发育砾岩、含砾中砂岩、中砂岩等。储层埋藏相对较深，纵向上非均质性较强。该区域深部地层岩性致密，抗研磨性强，地层抗压强度高，可钻性差。该地区平均地温梯度为3.5℃/100 m，井底温度较高，一般可达150 ℃以上。深部存在高压地层，地层压力系数最大1.56。

1.2 钻井工程设计情况

海洋6-1井设计井深4 173 m，井身结构见表1。

表1 海洋6-1井设计井身结构

1.3 海洋6-1井钻井难点

渤海地区近些年在深井钻探技术上有明显提高，但下部深层井段机械钻速较低的现象依旧是钻探工程中的一个主要矛盾。深部地层的机械钻速低，直接影响着油田深部储层的勘探开发进程。目前渤海地区在提升深层井段机械钻速方面面临的困难有：下部深层井段岩石抗压强度高、岩石可钻性较差，要求底部钻具组合要具有较高的抗温能力，地质情况复杂。

1）下部深层井段岩石抗压强度高、岩石可钻性较差。岩石的抗压强度与地层的埋深成正比，地层埋深越深，下部地层所受的垂向压力增加，导致下部岩石被挤压的更结实，可钻性变差。

2）要求底部钻具组合要具有较高的抗温能力。API 规定的常规地温梯度是2.734 ℃/100 m，海洋6-1 区块井下静止温度超过了150 ℃，这将给井内的钻具带来较大的影响并制约钻井液对岩屑的悬浮携带能力。井筒内的高温会加快工具内部橡胶材质的快速变质破坏，使得本井深部井段无法使用马达等提速工具；井底的高温会改变钻井液分子的结构强度，降低其结构力、导致岩屑不能被及时带出井筒，造成岩屑在井底的二次切削，导致钻头做无用功，进而对机械钻速的提高产生负面影响。

3）地质情况复杂。渤海深井所钻遇地层含砾程度高，常常造成钻速过低，钻进过程中PDC 钻头的切削齿会很快被破坏掉，钻头使用寿命短，这对机械钻速的提升造成极大的影响。

2 技术对策研究

鉴于此，渤海油田调研国内相关技术情况，优选扭力冲击器，开展深度提速研究与实践。

2.1 扭力冲击器的原理

在破岩过程中，PDC 钻头会呈现出多种形式的振动及其组合形式，如图1 所示。钻头的振动会导致其工作齿的破坏，降低其使用时间。同时这种振动会导致扭矩波动，给井眼轨迹控制和随钻测量仪器的信号传输带来不同程度的干扰，导致井眼变差[4-7]。

图1 钻头工作时振动形式示意图

扭力冲击器整体结构设计合理，其内部没有橡胶材质的零部件，没有电子零部件，能满足高温高压地层的使用要求，稳定性较高。扭力冲击器主要是通过冲击的形式破碎岩石，既满足了井眼要求又明显地改善了破岩效率，获得高的机械钻速。由于其特殊的设计，能让井内钻具有稳定的扭矩，十分精巧地把钻井液的能量化为扭力方向、平匀的冲击力并传导至钻头上，保证了钻头连续稳定的能量输出。相比没有使用过扭力冲击器的情况，能倍数级的减少钻具的黏滑，较大幅度的提高机械钻速，延长钻头的生命周期。扭力冲击器的设计规格及作业参数见表2和表3。

表2 165 mm外径扭力冲击器设计规格

表3 165 mm外径扭力冲击器作业参数

2.2 扭力冲击器的技术特点

1）明显减少钻具的黏滑，消除钻头的不规则振动，提高井眼轨迹控制质量，能辅助钻头高效率的破碎岩石。

2）其产生的冲击能量和钻井液的排量成正相关性，钻井排量越大，其输出的能量就越大。

3）扭力冲击器仅适合于PDC 钻头。其产生的振动或冲击，不仅不会破坏钻头的切削齿，反而会增加其使用时间。同时能降低井内钻具的疲劳程度，增加钻具的使用时间，明显改善了可钻性差的地层的机械钻速。

3 现场应用与效果分析

3.1 现场应用

海洋6-1 井钻井作业过程中，五开215.9 mm（8½″）井眼钻进至4 000 m 后机械钻速降低明显，起钻更换扭力冲击器钻具组合，具体钻具组合为：215.9 mm（8 ½ ″）PDC 钻头+165.1 mm（6½ ″）扭冲工具+165.1 mm（6½ ″）DC×2根+165.1 mm（6½ ″）F/V+215.9 mm（8 ½ ″）STB+165.1 mm（6 ½ ″）DC×16 根+165.1 mm（6 ½ ″）F/J+127 mm（5″）加重钻杆×1 根+165.1 mm（6½ ″）投入式止回阀+127 mm（5″）加重钻杆×13 根。自4 000 m 至215.9 mm（8 ½ ″）井眼中完井深4 044 m，钻井参数基本一致：钻压5~12 t，转速50 r/min，排量1 800 L/min。

3.2 效果分析

本井215.9 mm（8½″）井眼第三次入井钻头型号为阿特拉U613M 的PDC 钻头，没有用扭力冲击器，累计进尺8 m（对应深度3 731～3 739 m），平均机械钻速为0.97 m/h；第四次入井钻头型号为江汉HJT537G 的牙轮钻头，没有用扭力冲击器，累计进尺139 m（对应深度3 739～3 878 m），平均机械钻速为1.6 m/h；第五次入井钻头型号为江汉HJT537G的牙轮钻头，没有用扭力冲击器工具，累计进尺122 m（对应深度3 878～4 000 m），平均机械钻速为1.4 m/h，瞬时机械钻速在0.9～2.2 m/h，钻进后期，由于机械钻速较慢，决定起钻更换；第六次入井钻头型号为阿特拉U613M 的PDC 钻头，配合使用扭力冲击器，下钻至井底，在砂砾岩地层机械钻速改善明显，机械钻速在1.5～4.5 m/h，该趟钻总进尺44 m（对应深度4 000～4 044 m），平均机械钻速达到2.7 m/h，至钻达本井段中完深度时瞬时机械钻速维持在3～3.5 m/h。使用扭力冲击器的井段与未使用扭力冲击器的井段平均机械钻速对比情况见表4。

表4 使用液力冲击辅助破岩工具前后钻参机械钻速对比

通过以上对比可以看出，型号为U613M 的钻头，未使用扭力冲击器情况下其机械钻速为0.97m/h，单趟进尺8 m；使用扭力冲击器情况下其机械钻速为2.7 m/h，进尺44 m。使用扭力冲击器后机械钻速提高2.78倍，钻头进尺提高5.5倍，提速提效非常明显。

4 结论

1）现场试验结果表明，针对渤海地区深部井段抗压强度高、可钻性差的地层，使用扭力冲击器后机械钻速可以提高2.78倍，提速提效非常明显。

2）使用扭力冲击器后，钻头进尺提高5.5 倍以上，极大地延长了钻头的使用寿命。

3）扭力冲击器在使用过程中未出现因井底高温结构损坏的情况，说明扭力冲击器在高温地层提速方面有较大的使用价值。