自研提速工具在大慶深層現場應用與認識

王玉璽，紀 博，劉德偉，李相勇，李 博，李歡歡

(大慶鉆探鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶163413)

深部難鉆地層巖石具有硬度大、可鉆性級值高等特性，使得在鉆井過程中機械鉆速低，起下鉆頻繁，為了縮短鉆井周期，達到降本增效的目的，本文在分析大慶深部地層鉆井提速技術難點的基礎上，考慮所鉆巖石的特性，在鉆井提速工具研制方面開展研究，同時進行配套鉆頭研選，通過大量的現場試驗證明了創新研制的工具提速效果顯著，達到了縮短鉆井周期的目的。

1 大慶深部難鉆地層巖性特點

大慶深部難鉆地層巖石可鉆性級值大、研磨性強，其泉頭組巖性依次為棕紅、暗紫色泥巖與紫灰、灰綠砂泥巖；登婁庫組巖性依次為灰色、灰綠色砂泥巖互層；營城組巖性為安山巖、角礫巖、凝灰巖、流紋巖、礫巖；沙河子組巖性為灰白色砂巖、泥凝灰巖。可鉆性級值范圍在8~11級，營城組可鉆性級值大于10級，在這些地層鉆井作業，常規鉆井方式在砂泥巖互層、紫紅色泥巖由于它的非均質性和強塑性特點使得鉆速明顯變慢，而在營城組含礫地層往往對鉆頭復合片損傷較為嚴重，嚴重制約了深井提速作業，針對上述地層特點現場采取了多項提速手段。

2 深井常規提速技術分析

目前針對深部堅硬地層常規的提速手段有以下幾種方式：

（1）高效鉆頭配螺桿鉆具：螺桿鉆具往往與牙輪鉆頭和PDC鉆頭進行使用，當配合牙輪鉆頭使用時，牙輪鉆頭的破巖方式更適合于硬地層，與高速螺桿使用時，通過高轉速能夠達到提速的效果，但牙輪鉆頭壽命較低，一般90h就需要起鉆更換鉆頭，該鉆頭易存在軸承失效、斷齒、掉齒、掉牙輪等井下風險。由于復合片技術近幾年的高速發展，PDC鉆頭在硬地層的效果逐漸顯現出來，特別是它的安全性高，不易發生井下事故。國外PDC鉆頭使用效果明顯高于國內同類鉆頭，主要是由于國外復合片脫鈷深度、耐磨和熱穩定性等要高于國內，但其費用較高，不利于目前低油價降本的要求。此外由于深井溫度較高，螺桿也極易發生脫膠現象，一般螺桿壽命200h左右。

（2）孕鑲鉆頭配渦輪鉆具：孕鑲鉆頭具有很高的抗研磨性，對超硬地層能夠起到提速作用，而渦輪鉆具通過渦輪定轉子的高扭矩，能夠為孕鑲鉆頭提供高速的動力，但這種技術存在一定的局限性，就是孕鑲鉆頭研磨出的巖屑太小，不利于錄井巖性取樣，同時鉆頭成本較高。

（3）氣體鉆井：采用氣體鉆井技術鉆進可較大提高機械鉆速，但由于地層出水預測技術還不準確，出水后易引起鉆頭泥包、卡鉆的事故，同時氣體鉆井設備復雜，成本相對較高。

（4）單向沖擊輔助破巖工具：隨著勘探開發的不斷深入，以扭力沖擊器為代表的沖擊輔助破巖工具在深層鉆井提速提效中發揮著顯著的作用。其代表產品為美國阿特拉公司研制的扭沖工具，國內外各大公司相繼研發出具有周向或軸向沖擊振動的輔助工具，其中周向沖擊工具具有剪切效率高、鉆速快，可有效解決粘滑振動，但由于吃入巖石能力不足，在致密性泥巖等地層提速效果不佳。而軸向沖擊工具僅能夠輔助鉆頭提高吃入深度，但剪切效率低，提速效果不顯著。因此，單一的沖擊方式均存在一定的技術局限性，為了發揮兩種鉆井技術破巖方式的優勢，未來提速工具的發展方向將結合軸向和周向沖擊振動的特點，提出復合沖擊鉆井技術。

3 創新研制出復合沖擊鉆井工具

通過三年的科研攻關，我們研制出兼具周向、軸向沖擊振動和水力脈沖相結合的復合沖擊鉆井工具，該項技術是將鉆井液流體的能量轉換成工具的周向和軸向高頻往復的沖擊機械能，周向沖擊振動可使鉆桿的旋轉破巖能量傳遞到鉆頭上，降低粘滑效應；軸向沖擊振動則給鉆頭提供軸向破巖的能量，從而提高鉆頭吃入地層深度，提高破巖效率，達到提速的目的。

3.1 復合沖擊鉆井工具優勢

復合沖擊鉆井工具采用純機械結構，因此不受井下高溫影響，針對泥漿沖蝕問題，該工具對局部換向窗口進行了硬質合金噴涂技術，可保證工具在井下連續工作200h以上，能夠滿足深部高溫高壓的鉆井的工況要求。

內部的高頻沖擊機構帶動PDC鉆頭在軸向上產生軸向沖擊，提高鉆頭切削齒吃入深度，在周向上產生周向高頻振動，可有效減少了粘滑現象，提高破巖效率，減少阻抗扭矩；這種高頻沖擊力能夠在較硬地層鉆進時預先形成巖石裂紋和預破碎，改善了PDC鉆頭的切削環境，達到輔助PDC鉆頭剪切巖層的作用。

復合沖擊鉆井工具內部獨特的流體轉化機構，改變了鉆井液水力流場，形成了高頻的水力脈沖波動，提高了井底巖屑的清洗和運移，減少巖石重復切削，進一步提高鉆速。

3.2 復合沖擊配套鉆頭的研選

在工具現場試驗過程中，通過對以上曲線分析，結合大慶地區巖性特點，形成配套鉆頭研選認識如下：

（1）隨著井深增加，刀翼數逐漸增多，復合片直徑由大到小，營城組上部采用4~5刀翼16~19mm復合片的鉆頭，通過增加切削面積，提高鉆速；

（2）在深部堅硬地層采用6刀翼13mm復合片鉆頭，通過增加布齒密度，提高鉆頭抗研磨性；

（3）針對塑性砂泥巖互層，應選擇側傾角和后傾角角度較大的鉆頭，提高鉆頭的攻擊性，使得復合片更易吃入地層；

（4）針對營城組含礫石較多的地層，在復合片的選擇上應考慮國外的進口復合片，例如屋脊齒、非平面齒鉆頭。這類復合片抗研磨性強、熱穩定性高、脫鈷深度深，當鉆頭在硬地層鉆進時，由于地層巖性抗研磨性強，鉆頭吃入深度有限，極易造成鉆頭重復切削，導致復合片局部受熱，一般復合片當溫度達到700℃時不穩定，受到沖擊時易破碎。為此我們在硬地層鉆進時應優先選擇國外進口復合片鉆頭。

4 復合沖擊鉆井工具現場應用

4.1 試驗總體情況

2017~2019年期間，研發的復合沖擊鉆井工具在大慶深層現場試驗12井次，累計進尺3868m，平均鉆速4.8m/h，平均鉆速提高201%，提速效果顯著。

（1）創工具最長使用時間和進尺紀錄：該工具第一次現場試驗使用2支工具實現三開完鉆，本次施工井段泉頭組—營城組，井深2338~3560m,總進尺1222m,總鉆時342h，平均機械鉆速3.57m/h。其中第1趟鉆總進尺954m，純鉆245h，使用時間達303.75h,機械鉆速3.89m/h。與臨井常規鉆井方式同比，單趟鉆進尺提高567%，機械鉆速提高125.9%。

（2）與國內其它提速工具同比鉆速快：在試驗2井開展了2井次現場應用，總進尺504m，平均鉆速7.04m/h，頂點鉆速8.58m/h，鄰井距離試驗2井間距400m，地質巖性描述一致，鄰井進尺509m，平均鉆速4.53m/h，頂點鉆速與臨井采用國內其它提速工具同比鉆速提高55.4%。

（3）創大慶升深區塊最快鉆速：該工具在升深試驗井進行現場試驗，累計進尺309m，其中第一趟鉆速達到13.5m/h，與臨井同比鉆速提高585%，創升深區塊最快單趟鉆速紀錄。

4.2 現場試驗的認識

（1）在泉頭至登樓庫組塑性泥巖提速效果顯著。復合沖擊能夠同時產生軸向和周向高頻沖擊，在低鉆壓條件下，軸向沖擊額外產生吃入地層的沖擊力，由于工具向下沖擊后還要回彈，這種方式則破壞了塑性泥巖對鉆頭的包裹作用。

（2）能夠保證井斜要求。通過采用復合沖擊鉆井工具可以保證在低鉆壓實現高鉆速，如采用鐘擺鉆具組合，可以保證井斜要求。

（3）對鉆頭有保護作用。復合沖擊工具應用12口井，總共采用7種規格鉆頭進行現場試驗，提速效果十分明顯，起出鉆頭基本無磨損，均可二次下井使用。

5 結論

（1）大慶深部地層普遍存在巖石堅硬、研磨性強等技術難點，影響鉆井機械鉆速；

（2）采用周向和軸向沖擊輔助破巖工具，能夠產生高頻沖擊輔助鉆頭破巖，可在深部難鉆地層中取得較好的提速效果，能夠大幅提高機械鉆速，提高單只鉆頭進尺，減少起下鉆次數；

（3）創新設計了周向和軸向沖擊機構，保證了沖擊振動的穩定輸出，整套工具結構合理，安全可靠，能夠滿足現場施工要求；

（4）復合沖擊鉆井工具經多次現場驗證，提速效果顯著，能夠縮短鉆井周期，達到降本增效的目的，該項技術已達到了國內領先技術水平，可為深部難鉆地層提速提供新的技術支持。