旋扭沖擊器在復雜地層井中的應用

陳新勇 ，王 銳 ，張婭楠 ，馬謝書 ，王藝晨 ，王 挺 ，馬 鈴

（1.中國石油渤海鉆探工程技術研究院，河北任丘 062550；2.西南石油大學石油天然氣工程學院，四川成都 610500；3.中國石油華北油田公司合作開發項目部，河北任丘 062550）

在鉆井大提速的背景下，油氣勘探開發向深層、高風險區域邁進，面對的地層越來越復雜，施工難度越來越大，對鉆井速度與質量的要求也越來越高。深部復雜地層機械鉆速低的問題，直接影響著油氣勘探開發的進展，因此迫切需要提高難鉆地層機械鉆速[1，2]。另一方面，近年來PDC鉆頭已逐步成為石油鉆井主力鉆頭，2006年美國PDC鉆頭進尺約占總進尺的60%，美國落基山脈地區75%鉆井進尺都是PDC鉆頭完成的[3，4]。然而，PDC鉆頭在工程應用中還存在一些制約因素：對于中硬以上及高研磨性地層，PDC鉆頭存在嚴重的卡滑、吃入深度不夠以及使用壽命低等亟待解決的問題，限制了PDC鉆頭的應用范圍[5，6]。

對于降低、解決卡滑振動，普遍采用的方法主要有鉆井參數優化、減振工具和鉆頭結構優化等措施，但效果并不明顯。因此，結合旋扭輔助破巖與流體動力學理論研發了旋扭沖擊器提速工具，搭配結構優化的PDC鉆頭進行減振降低卡滑，提高機械鉆速。

1 旋扭沖擊器工作原理及技術優點

1.1 工作原理

旋扭沖擊器是一種純機械動力鉆井提速工具，通常被直接安裝在旋轉鉆井或定向鉆井總成中PDC鉆頭上方。泥漿從上接頭經泥漿流量分配器流進沖擊器，并二次分配到管狀接頭內。來源于鉆井液的能量驅動內部動力錘產生沖擊，沖擊頻次與液體流速有關。旋扭沖擊器提供的額外的扭向沖擊力完全改變了PDC鉆頭的運動狀態，其高頻穩定的沖擊力，相當于每分鐘750～1 500次切削地層，鉆頭不需要等待扭力積蓄足夠的能量就可以切削地層。此時，轉盤提供的轉動扭力及工具的液動扭力，并直接作用在鉆頭上。此時整個鉆柱的扭矩基本處于穩定狀態，有效避免或降低了PDC鉆頭卡滑的不利影響，有利于延長鉆頭壽命；高頻扭向沖擊對于以剪切破巖為主的PDC鉆頭，有利于提高機械鉆速（見圖1）。

1.2 旋扭沖擊器技術優點

鉆進過程中，工具內部流道結構將鉆井液能量轉換成周向機械沖擊力（約2 kN·m），并直接傳遞給PDC鉆頭，有效避免PDC鉆頭的卡滑現象，提高機械鉆速。旋扭沖擊器還有如下優點：

（1）旋扭沖擊器內部機械結構合理，泥漿流道通暢，無任何橡膠件，無任何電子元器件，可以抗高溫達210℃；

（2）旋扭沖擊器失效后，并不影響繼續鉆進，對鉆進沒有任何風險。只是相當于一個鉆頭短節，無需起鉆，但效果相當于不用旋扭沖擊器的狀態，機械鉆速較低；

（3）旋扭沖擊器鉆壓高于常規PDC鉆頭鉆壓，PDC刀齒切入地層更深，可更有效的剪切破碎地層，增加機械鉆速；

（4）旋扭沖擊器使用時不會對MWD等錄井和測井儀器的信號產生影響；

（5）旋扭沖擊器產生的是穩定均勻的周向高頻沖擊，不會造成PDC鉆頭的金剛石復合片產生損壞，反而會延長PDC鉆頭和鉆具的壽命。

圖1 扭力沖擊器

2 復雜地層鉆井提速難點

華北油田安探區塊部署井是以勘探開發冀中坳陷廊固凹陷河西務潛山構造帶楊稅務潛山圈閉為目的井。具有地層巖性復雜、下部地層可鉆性差、井下溫度高等特點，具體體現如下：

（1）下部地層有沙河街組、孔店組、石炭系、二疊系、奧陶系。其中，沙河街組以泥巖、砂巖為主，部分層段含玄武巖；孔店組、石炭-二疊系以泥巖、細砂巖、含礫砂巖為主，部分層段夾含礫巖，奧陶系以灰巖、泥質灰巖為主，可鉆性較差。

（2）巖石力學性質分析（見圖2），沙三及以上地層內聚力5 MPa～15 MPa，內摩擦角 25°～32°，抗壓強度30 MPa～75 MPa，可鉆性較好；沙四～孔店及C-P地層內聚力 10 MPa～17 MPa，內摩擦角 30°～39°，抗壓強度30 MPa～90 MPa，地層強度波動較大，可鉆性極值變高。

（3）井下溫度高。區塊內井鉆深超過5 200 m，地溫梯度約為3.11℃/100m，預計井底溫度180℃。

3 現場應用

3.1 工具入井前井況

華北油田安探X井是一口三段制深井，設計井深5 400 m，四開井身結構。三開內造斜段3 550 m～3 837 m，穩斜段3 837 m～4 784 m，177.8 mm套管下至潛山頂部。

該井鉆進至4 213 m時，井下溫度接近145℃，鉆遇含礫巖層，鉆頭磨損嚴重。

3.2 鉆具組合及鉆井參數

鉆具組合：D215.9 mm PDC鉆頭×0.35 m+旋扭沖擊鉆井工具×0.71 m+411/4A10+211LF+165 mm螺旋鉆鋌×9.35 m+210LF+浮閥+165 mm 鉆鋌×9.35 m+411/4A10+165 mm螺旋鉆鋌×56.1 m+4A11/410+127 mm加重鉆桿×177.65 m+隨鉆震擊器+127 mm加重鉆桿×46.75 m+DP。

圖2 巖石力學參數圖

鉆井參數：泵壓16 MPa～18.5 MPa，泥漿密度1.37 g/cm3～1.42 g/cm3，鉆壓 50 kN～80 kN，轉速 50 r/min～80 r/min，排量30 L/s。

3.3 應用效果

圖3 井段4 140 m～4 380 m鉆遇地層

4 157 m～4 291 m井段地層巖性為泥巖、砂巖、礫巖、夾含有玄武巖。其中4 157 m～4 213 m及4 291 m～4 380 m采用螺桿鉆具。旋扭沖擊器應用井段4 213 m～4 291 m，進尺78 m，純鉆時間 31 h，工具工作36 h，入井共計62.7 h，平均機械鉆速2.5 m/h，較本井相同地層螺桿鉆具組合機速提高68%，工具出井新度90%以上（見圖3，表 1）。

3.3.1 鉆頭壽命 本次配合旋扭沖擊器工具的鉆頭采用8-1/2"M1365DG型鉆頭，六刀翼。鉆頭入井前后分析，鉆頭輕微磨損，新度仍可達到95%以上，而采用螺桿鉆具組合的同型號鉆頭嚴重損壞（見圖4）。表明旋扭沖擊器工具可以有效的保護鉆頭，提高了鉆頭的使用壽命。

3.3.2 MWD配伍性 為了實時監測井斜變化，鉆具中配備了MWD。應用效果（見圖5），鉆進中MWD信號一直穩定。旋扭沖擊鉆井工具振動幅度低、沖擊力度小，不會影響MWD信號，也不會對MWD產生損害。

4 結論

（1）旋扭沖擊鉆井工具能大大消減在硬地層鉆進時的卡滑現象。

（2）該項技術消除了井下鉆頭運動時可能出現的一種或多種振動現象，使整個鉆柱的扭矩保持穩定和平衡，使鉆頭不需要等待扭力積蓄足夠的能量就可以切削地層。

（3）工具能夠提高機械鉆速，而且還能延長鉆頭及下部鉆柱組合的壽命，基本解決了PDC鉆頭在復雜地層壽命短和機械鉆速低的難題。

表1 旋扭沖擊器鉆井工具現場實鉆數據對比

圖4 鉆頭起出

圖5 鉆進中MWD信號圖

（4）旋扭沖擊鉆井工具可以實現與MWD的配合使用，實現對井斜實時監測。