復合沖擊鉆井工具在大慶徐深氣田現場試驗

李 博，李相勇，王春華，李玉海，萬發明，鄭瑞強，柳長鵬

(大慶鉆探鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶163413)

1 概述

大慶徐深氣田深部難鉆地層存在巖石堅硬、可鉆性級值大、研磨性強等特點[1]，其中登婁庫組、營城組存在砂泥巖互層、礫石層、區域橫向差異大等特性，給深層提速帶來了很大困難。該層位應用常規牙輪鉆頭，單只鉆頭進尺少、機械鉆速低，并且存在井下安全風險，而應用常規PDC 鉆頭，壽命低、對切削齒要求高，無法滿足深部難鉆地層提速要求[2]。

近年來，深層鉆井提速工具迅速發展，以美國阿特拉公司生產的扭力沖擊器、大慶鉆探的液動旋沖工具為典型的一系列提速工具，在深井提速方面取得了顯著的應用效果，該類工具作用是產生周向沖擊作用于PDC 鉆頭，防止鉆頭粘滑，保護鉆頭[3]；另一種是以NOV公司的液力錘為主的軸向沖擊工具，主要作用是增加切削齒吃入地層深度，提高切削齒的破巖效率[4]。大慶鉆探自主研發的復合沖擊鉆井工具結合以上兩種工具的作用原理，實現了周向沖擊和軸向沖擊雙向作用的提速工具，既能保護鉆頭，同時提高破巖效率，達到深井提速的目的。

2 復合沖擊鉆井工具工作原理

復合沖擊鉆進工具主要由殼體、動力部分、周向沖擊部分、軸向沖擊部分組成。見圖1。

圖1 復合沖擊鉆井工具結構示意圖

工作原理：鉆井液通過工具動力部分，驅使動力部分高速旋轉，帶動高低壓流道周期性切換，沖擊錘頭往復擺動，實現周向沖擊，周向沖擊力通過沖擊殼體傳遞至鉆頭；動力部分高速旋轉過程中，沖擊活塞隨螺旋面上升并壓縮彈性機構儲存能量，當轉過一定角度時，能量釋放，沖擊活塞垂直砸向連接鉆頭的接頭端面，實現軸向沖擊。該工具通過多維振動機構對鉆頭額外產生周向和軸向沖擊，改善PDC 鉆頭的切削環境，達到輔助鉆頭破巖的作用。

3 工具主要參數

適用井眼：?215.9mm（8-1/2″）；

工具外徑：?182mm；

工具長度：1700mm；

沖擊頻率：28～33Hz；

周向沖擊力：0.65～0.72t；

軸向沖擊力：0.86～0.94t。

4 現場試驗情況

4.1 試驗1井

試驗1 井位于徐深氣田徐深1 井區，試驗層位：泉頭組二段至登婁庫三段，巖性：泥巖。試驗采用單鐘擺鉆具組合：?215.9mm鉆頭+?182mm復合沖擊工具+?177.8mm鉆具止回閥+?177.8mm鉆鋌×9.0m+?214.0mm 穩定器×1.5m+?177.8mm 鉆×45.0m+?165.1mm 鉆鋌×81.0m +?127.0mm 加重鉆桿×139.5m+?127.0mm。鉆井參數：鉆壓 40～60kN，轉盤 70r/min，排量 32～36L/s，立壓20～21MPa，鉆井液密度1.15～1.20g/cm3。

井段：2468～3187m，共施工 2 趟鉆，累計進尺719m，平均機械鉆速6.27m/h，使用2 只PDC 鉆頭，與鄰井同層位同井段常規鉆井方式對比，節省3趟鉆，平均單趟鉆進尺提高104%，平均機械鉆速提高245%，對比鄰井應用周向沖擊提速工具，平均機械鉆速提高55.4%，提速效果顯著，鉆速對比曲線圖見圖2。

4.2 試驗2井

圖2 試驗1井第1趟鉆鉆速對比

試驗2井位于徐深氣田升深區塊，試驗采用單鐘擺鉆具組合：?215.9mm鉆頭+?182mm復合沖擊工具+?177.8mm鉆具止回閥+?177.8mm鉆鋌×9.0m+?214.0mm 穩定器×1.5m+?177.8mm 鉆×45.0m+?165.1mm 鉆鋌×81.0m +?127.0mm 加重鉆桿×139.5m+?127.0mm。鉆壓40～80kN，轉盤70～90r/min，排量32～34L/s，立壓19～21MPa，鉆井液密度1.22～1.25g/cm3。

試驗層位：登婁庫四段至營層組三段，巖性主要為泥巖，鉆進中出現灰綠色泥巖、砂巖、粉砂巖、灰白色流紋巖，該層段非均質巖性、砂泥巖夾層較多，極易損壞鉆頭。工具試驗井段：2601～2952.32m，累計進尺351.32m。在鉆遇夾層時，實時調整鉆井參數，降低鉆壓，提高轉盤轉速，保護鉆頭切削齒，防止井斜增加。試驗共施工2趟鉆，使用2只鉆頭，鉆頭出井基本完好，見圖3，最高鉆速達到15.1m/h，鉆速曲線見圖4，平均機械鉆速7.45m/h，與鄰井同層位同井段常規鉆井方式對比，平均機械鉆速提高278%。

在徐深區塊成功試驗，證明復合鉆井工具配合PDC 鉆頭在該區塊登婁庫組至營層組層位應用，可以有效地保護鉆頭，提高單只鉆頭進尺，同時能夠輔助破巖，提高機械鉆速，縮短鉆井周期，達到降本增效的目的。

5 結論和認識

（1）復合沖擊鉆井工具能夠給鉆頭施加周向沖擊和軸向沖擊，消除PDC鉆頭的粘滑現象，保護鉆頭，同時能夠增加鉆頭吃入地層深度，提高破巖效率，適用于深層硬地層鉆井提速；

圖3 試驗2井第1趟鉆出井鉆頭

圖4 試驗2井第1趟鉆鉆速曲線

（2）復合沖擊鉆井工具在大慶徐深區塊的成功試驗，有效地解決了該區塊登婁庫組至營層組層位單只鉆頭進尺少、機械鉆速低等問題，試驗數據表明，對比常規鉆井方式，復合沖擊鉆井工具提速效果非常顯著；

（3）在鉆遇非均質巖性、砂泥巖夾層時，根據地質情況實時調整鉆壓、轉盤轉速等鉆井參數，以保證鉆頭使用壽命、井斜、機械鉆速等指標最優化，從而提高整體行程鉆速；

（4）復合沖擊鉆井工具為深層難鉆地層鉆井工程提供一種有效的技術手段，可進一步推廣應用。