復合沖擊鉆井工具在大慶徐深氣田現(xiàn)場試驗

李 博，李相勇，王春華，李玉海，萬發(fā)明，鄭瑞強，柳長鵬

(大慶鉆探鉆井工程技術(shù)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(qū)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(guī)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(guī)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(fā)展，以美國阿特拉公司生產(chǎn)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(chǎn)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(fā)的復合沖擊鉆井工具結(jié)合以上兩種工具的作用原理，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)示意圖

工作原理：鉆井液通過工具動力部分，驅(qū)使動力部分高速旋轉(zhuǎn)，帶動高低壓流道周期性切換，沖擊錘頭往復擺動，實現(xiàn)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(zhuǎn)過程中，沖擊活塞隨螺旋面上升并壓縮彈性機構(gòu)儲存能量，當轉(zhuǎn)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(xiàn)軸向沖擊。該工具通過多維振動機構(gòu)對鉆頭額外產(chǎn)生周向和軸向沖擊，改善PDC 鉆頭的切削環(huán)境，達到輔助鉆頭破巖的作用。

3 工具主要參數(shù)

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(xiàn)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(qū)，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(wěn)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(shù)：鉆壓 40～60kN，轉(zhuǎn)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(guī)鉆井方式對比，節(jié)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(qū)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(wěn)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(zhuǎn)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(xiàn)灰綠色泥巖、砂巖、粉砂巖、灰白色流紋巖，該層段非均質(zhì)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(diào)整鉆井參數(shù)，降低鉆壓，提高轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)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(guī)鉆井方式對比，平均機械鉆速提高278%。

在徐深區(qū)塊成功試驗，證明復合鉆井工具配合PDC 鉆頭在該區(qū)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(jié)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(xiàn)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(qū)塊的成功試驗，有效地解決了該區(qū)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(shù)據(jù)表明，對比常規(guī)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(zhì)巖性、砂泥巖夾層時，根據(jù)地質(zhì)情況實時調(diào)整鉆壓、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速等鉆井參數(shù)，以保證鉆頭使用壽命、井斜、機械鉆速等指標最優(yōu)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(shù)手段，可進一步推廣應用。