双冲击锤复合冲击器在东海某区块探井的提速应用

吴寒 张云飞

摘 要：东海海域某区块探井前期作业中普遍存在深部平湖组地层机械钻速偏低，不时出现钻具遇阻卡钻等问题。为提高该区块钻井效率，开展了双冲击锤复合冲击器的适用性研究。双冲击锤复合冲击器具有冲击能量大、周向与轴向冲击分配精准、冲击频率快等特点，在总结分析东海某区块地层特性、岩石抗压强度的情况下，优化了井身结构，采用双冲击锤复合冲击器提速工具很好地解决了该区块深部机械钻速偏低、钻头磨损严重的难题。双冲击锤复合冲击器在该区块探井的应用结果表明：121/4"井段机械钻速为35.9m/h，刷新该区块121/4"井段最高机械钻速纪录；83/8"井眼机械钻速为21.04m/h，相比前期邻井平均机械钻速提高97.2%，相比前期最高机械钻速提高24.57%，创造了东海海域平湖组地层最高机械钻速新纪录。

关键词：双冲击锤复合冲击器；应用；机械钻速；平湖组

东海海域平湖组研磨性差、薄夹层多、灰质含量重一直是困扰钻井作业多年的问题，前期探井作业普遍存在机械钻速偏低、钻头磨损严重，导致井眼浸泡时间长甚至出现电测仪器粘卡、钻具遇阻卡钻等复杂情况。近年来，随着东海海域油气勘探钻井井深进一步加深，主要目的层由花港组、平湖组P2P3，逐渐变为现在的平湖组P6P9［1］，作业难度进一步加大，东海某区块前期勘探机械钻速慢、钻井效率低的问题一直没有得到有效解决，开展钻井新装备、新工艺的研究应用势在必行。

1 双冲击锤复合冲击器及其提速机理

井下冲击器的基本原理是将地面泥浆泵提供的水力能量转化为井下扭力或扭力与轴向冲击能量，以利钻头破岩从而提高机械钻速。

相对于常规复合冲击器，双冲击锤复合冲击器在结构上主要实现了三项重大创新，其一是采用上下双锤设计，在同等水力参数条件下采用双锤结构设计可使冲击能量明显提升，冲击能量为单冲击锤的2倍，可为钻头提供更高冲击能量，大幅度提高破岩效率，尤其是在坚硬地层中显著提高机械钻速；其二是采用了能量分配装置，将冲击能量分成80%的周向冲击和20%的轴向冲击，同时给钻头施加高频稳定的周向和轴向复合冲击；其三是通过改进冲击器内部流道，适当提高了冲击频率。在排量33L/S，清水介质条件下进行的冲击频率试验结果表明，83/8"常规冲击器冲击频率只有20Hz，而采用宽大流道设计的双冲击锤复合冲击器的冲击频率有了明显提升，冲击频率达到29Hz，为PDC钻头破岩及减小钻进中钻头应力提供了有利條件。

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，此时能量瞬间释放，反映到钻台面上就是扭矩大幅波动，钻进中有黏滑现象，破岩效率较低［2］；扭力冲击器主要是通过周向冲击的形式破碎岩石，可改善破岩效率，一定程度获得较高的机械钻速［3］。复合冲击器将钻井液水力能量转化成周向与轴向复合冲击能量，为钻头提供稳定的冲击力，使破岩应力迅速达到地层被剪切的临界应力，大幅提高PDC钻头剪切效率，破岩应力和扭矩波动小，有利于钻头在井底均匀切削［4］。双冲击锤复合冲击器提供的冲击能量更高，周向与轴向冲击能量分配更精准，冲击频率更快，破岩时钻头受到的应力更均匀、更平稳，因而在硬地层中采用双冲击锤复合冲击器不仅可大幅提高机械钻速，而且可有效延长PDC钻头的使用寿命，增加单只钻头的工作进尺。

2 东海某区块地质概况与提速难点

2.1 地层特点及抗压强度分析

东海某区块位于孔雀亭气田与武云亭气田之间，油气源充足，成藏背景好［5］。该区块地层软硬交错频繁，表层为较松软的玉泉组及龙井组，花港组中部以上为软—中硬地层，岩石抗压强度13.79～41.37MPa；花港组下部、平湖组为硬—研磨性地层，岩石抗压强度41.37～124.11MPa，局部硬夹层超过137.9MPa。花港组中下部含砾，易造成钻头冲击损坏；平湖组顶部盖层泥质胶结，局部含灰，钻头吃入困难［6］；平湖组底部地层抗压强度突升，可钻性差。

2.2 提速难点

表1所示为东海某区块前期钻井提速工具、机械钻速等基本数据，该区块均在花港组中部机械钻速开始变慢，钻头磨损增加。1Sa井完钻层位于平湖组P7，使用常规钻具钻进，钻头磨损最为严重，平均机械钻速较低。其他井完钻层位均为更深的平湖组P9，使用常规复合冲击器基本能一趟钻穿花港组地层进入平湖组，在花港组及平湖组都能保持一定的速度。2井岩石抗压强度最大，使用常规复合冲击器后也没能达到理想的速度，但是能保持扭矩相对平稳，钻头磨损情况较好。1Sa井、2井采用马达在花港组中钻进钻速较高，说明采用马达在中硬地层中钻进提速有一定效果，但在平湖组中钻进钻头磨损严重、存在局部崩齿等问题，121/4"井段不能一趟完钻，效率较低。采用扭力冲击器在平湖组中钻进提速效果欠佳，机械钻速只有5.16m/h。总之，该区块深部地层钻进主要存在机械钻速不高、崩齿现象严重、钻井效率低等问题。

（1）花港组以前地层可钻性好，但是到花港组下部后可钻性明显变差，地层抗压强度突然抬升，且含砾，易造成钻头冲击损坏，121/4"井段选择攻击性强的钻头难以一趟钻完井，大多数钻头存在崩齿和严重磨损等现象，起下钻频繁，钻井效率低。所以，上下地层钻进如何做到有效兼顾以提高钻头寿命，实现一趟钻工程难度很大。

（2）平湖组地层研磨性强、硬夹层频繁，可钻性差，泥岩致密，部分井段灰质胶结，尤其是顶部盖层和底部泥岩段，钻头吃入困难，整体机械钻速偏低甚至存在钻头无进尺等现象，如何让钻头有效吃入地层以提高机械钻速与钻进效率是另一大难题。

3 双冲击锤复合冲击器在东海某区块3d井的应用

东海某区块3d井是继1、1sa、1sb及2井后设计的主要用于评价油气储藏规模、产能的一口定向探井，设计井深4422m，垂深4221m，最大井斜29.03°，目的层为平湖组P2P9，确定的完钻原则是钻穿平湖组P9目的层、留足口袋后完钻。

提高钻井机械钻速、实现一趟钻工程是一项系统工程，其中优化井身结构，采用新技术、新装备尤为关键。

3.1 优化井身结构

根据地层特点、可钻性及复合冲击器的工作特性和前期使用经验，优化井身结构是实现一趟钻工程的关键所在。复合冲击器在120小时内往往可靠性有保障，根据前期邻井钻进数据可优化井身结构。井眼设计过长则需要多趟钻完成钻进任务，起下钻时间占比较高，效率较低；设计过短则浪费工具高效工作寿命，需要更多的井眼开次钻至完钻井深，成本较高。

实现一趟钻工程需要合理的井身结构，对东海某区块5000m左右探井而言，总体原则是171/2"井眼完成上部松软地层高速钻进，进尺设置约2200～2400m；121/4"井眼钻穿花港组，进尺设置1500～2000m；83/8"井眼主要在目的层平湖组钻进，设置进尺900m左右。3d井与1、1sa、1sb及2井临近，根据上述井身结构的设计原则，确定3d井深部121/4"井段从2261m开始，至3535m结束，进尺1274m；83/8"井眼位于平湖组P2P9，进尺设置887m。

由于121/4"井眼抗压强度中等，但含砾夹层多，重点在于提高钻头使用寿命，而83/8"井眼地层可钻性差，主要注重提速。因此在合理的井身结构设计的加持下，要一趟钻高效完成花港组或平湖组钻进，需要合理选择提速工具。

3.2 双冲击锤复合冲击器在东海某区块3d井的应用效果

为便于现场安装应用、减少井下事故发生，将双冲击锤复合冲击器与PDC钻头融为一体是一种行之有效的办法，HPG635MI265P3、HPG636MI186P3型工具分别是适用于121/4"及83/8"井眼的双冲击锤复合冲击一体化提速工具。在优化井身结构的前提下，先后采用这两种工具完成了东海某区块3d井深部地层的钻进任务，其中121/4"井眼施加钻压100160KN，83/8"井眼施加钻压90130KN。3d井所有井段均一趟完钻，钻头磨损轻微。表2为3d井深部钻井基本数据，其中121/4"井段机械钻速为35.9m/h，刷新该区块121/4"井段最高机械钻速纪录；83/8"井眼机械钻速为21.04m/h，相比前期邻井平均机械钻速提高972%，相比前期邻井最高机械钻速提高24.57%，创造了东海海域平湖组P2P9地层最高机械钻速新纪录。

为分析采用双冲击锤复合冲击器提速以及保护PDC钻头的效果，对3d井83/8"井段扭矩进行了分解分析，发现钻头扭矩、钻进扭矩、划眼扭矩和启动扭矩随井深增加总体变化趋势平稳且呈下降趋势，钻头扭矩在3690m时最大，但也不超过20KN·m，钻头受力不大且相对均匀，利于延长钻头使用寿命。对比邻井钻参数据，3d井使用双冲击锤复合冲击器提速，采用鉆压最大，提高了钻头剪切效率与破岩应力，在高钻压下钻头扭矩不是最大且波动小，钻头受到的应力更加均匀平稳，在提高机械钻速的同时延长了钻头寿命，是破东海钻速纪录、实现一趟钻工程的关键。

4 结论

（1）双冲击锤复合冲击器在东海某区块3d井深部的提速应用结果表明，121/4"井段机械钻速为35.9m/h，刷新该区块121/4"井段最高机械钻速纪录；83/8"井眼机械钻速为21.04m/h，创造了东海海域平湖组P2P9地层最高机械钻速新纪录。

（2）理论分析与实际应用结果均表明，双冲击锤复合冲击器在中硬—硬地层钻进中提高机械钻速的同时可减少扭矩波动，有效保护钻头，有利提高单只钻头进尺，降低钻井成本。

（3）提高钻井机械钻速、实现一趟钻工程是一项系统工程，采用双冲击锤复合冲击器提速需要优化井身结构、适当增大钻压等措施的配合。

参考文献：

［1］杜明锋.复合冲击器提速机理及其在东海某区块探井的应用［J］.中国石油和化工标准与质量，2021（20）：148149.

［5］何选蓬，程天辉，王学龙，等.塔里木地区复合冲击器钻井提速应用与实践［J］.钻采工艺，2018，41（1）：107109.

［3］陈波，马志忠，和鹏飞，等.扭力冲击器在海洋61钻井提速中的应用［J］.石油工业技术监督，2021，37（8）：6667.

［4］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（5）：1014.

［5］刘婷婷，蒋涔.西湖凹陷平湖组深层岩性圈闭刻画方法研究——以孔南地区为例［J］.海洋石油，2022，42（2）：713.

［6］邹德永，梁尔国.硬地层PDC钻头设计的探讨［J］.设计计算，2004，32（9）：2831.

作者简介：吴寒（1991— ），男，汉族，湖北荆州人，硕士，工程师，主要从事海洋钻井技术工作。