两种提速工具在渤海油田某深井的应用评价

张磊，霍宏博，李治衡，龚宁，岳明

中海石油中国有限公司 天津分公司 （天津 300459）

0 引言

渤中某A井是渤海湾盆地渤中凹陷西南部深层构造脊上布置的一口探井，井型为六开直井，该井钻井目的是揭示渤中凹陷太古界潜山的含油气性，实现储量升级。设计井深4 583 m，井身结构为Φ914.4 mm×116.7 m+Φ660.4 mm×506 m+Φ406.4 mm×1 399 m+Φ311.15 mm×3 396 m+Φ311.15 mm×3 396 m+Φ215.9 mm×4 269 m+Φ152.4 mm×4 452 m。

渤中凹陷中深部地层较硬，特别是进入孔店组后，地层岩性复杂，对钻头的研磨性极强，导致钻头机械钻速极低，严重地制约了该井钻井速度。经调研和可行性论证，决定在本井孔店组尝试应用扭力冲击器+PDC、复合冲击器+PDC钻井技术[1-3]，通过现场实际钻速对比分析，评价了两种提速工具对于渤海湾深井的适用性。

1 两种提速工具原理

1.1 扭力冲击器原理

1）工具结构。扭力冲击器主要由冲击机构、流道转换机构、扭矩传递机构等组成[4-5]，安装于钻铤与PDC钻头之间。

2）作用原理。钻进过程中，钻井液带动涡轮组旋转，利用冲击机构偏心冲锤产生均匀恒定的高频扭力，通过扭矩传递机构集中均匀地传递到钻头。扭力冲击器可提供每分钟750～1 500次高频稳定的冲击力，相当于每分钟750～1 500次切削地层[6]，这意味着钻头无需等待积累足够的扭力即可以切削地层。切削地层时，高频的冲击力有利于PDC齿破碎前方的地层并更深吃入地层，使破岩机理从“剪切破岩”转变为“冲击破碎+旋转剪切冲击破岩”[7]。PDC齿破岩示意图如图1所示。

图1 PDC齿破岩示意图

3）工具优点。扭力冲击器能够消除有害的井下振动，平衡和稳定钻头，提高地层可钻性并大幅度增加机械钻速。

1.2 复合冲击器原理

1）工具结构。复合冲击器同样由冲击机构、流道转换机构、扭矩传递机构组成，安装于PDC钻头上。但与扭力冲击器不同之处在于，其冲击机构包含扭转冲击和轴向冲击两个模块。

2）作用原理。钻井液带动涡轮叶片旋转，进入扭转冲击模块驱动冲击锤，形成一定频率、周向扭转的冲击力；钻井液进一步下行，进入轴向冲击模块，带动轴向冲锤活塞向下运动，从而实现一次扭力冲击联合轴向冲击运动行程[8-12]。复合冲击器可将钻井液的水力能量通过能量分配装置，使冲击能量分成80%的扭向冲击和20%的轴向冲击，为钻头施加高频稳定的周向和轴向冲击力，从而提高钻头破岩效率，并有效解决钻进过程中黏滑、托压现象，实现钻井提速的目标[13-15]。

3）工具优点。与扭力冲击器相比，复合冲击器创新性地集成了轴向冲击的功能，属于一种复合冲击的钻井提速工具。

2 两种提速工具的应用情况

2.1 渤中A井地质概况

A井自上而下钻遇平原组、明化镇组、馆陶组、东营组、沙河街组、孔店组及太古界，孔店组埋深4 265～4 452 m，岩性为含砾细砂岩、含砾中砂岩、砂砾岩、泥岩。

2.2 扭力冲击器应用情况

1）钻具组合。Φ215.9 mm PDC钻头+Φ171.45 mm扭力冲击器+Φ165.1 mm钻铤+Φ165.1 mm浮阀+Φ215.9 mm扶正器+Φ165.1 mm钻铤+Φ165.1 mm（挠性接头+震击器）+Φ127 mm加重钻杆。

2）钻井参数。钻压4～5 t，排量1 600～1 700 L/min，泵压11～12 MPa，转速60～70 r/min，扭矩4～9 kN·m。

3）作业情况。井段3 858.6～4 047.0 m，利用扭力冲击器+PDC钻头钻进，于2018年11月25日00：00下钻，地层孔店组，岩性为含砾细砂岩、含砾中砂岩、砂砾岩、泥岩。本趟钻所用生产时间80.5 h，进尺188.4 m，纯钻时间45.4 h，机械钻速4.14 m/h。起出后钻头IADC磨损评价为1-3-BT-M-X-I-NO-CP。该井段综合时效分析详见表1。

表1 扭力冲击器+PDC钻头应用时效分析

2.3 复合冲击器应用情况

1）钻具组合。Φ215.9 mm PDC钻头+Φ171.45 mm复合冲击器+Φ171.45 mm钻铤+Φ171.45 mm浮阀+Φ215.9 mm扶正器+Φ171.45 mm钻铤+Φ171.45 mm（挠性接头+震击器）+Φ127 mm加重钻杆。

2）钻井参数。钻压6～7 t，排量 1 600～1 700 L/min，泵压 12～13 MPa，转速 60～70 r/min，扭矩 5～12 kN·m。

3）作业情况。井段4 055.5～4 265.0 m，利用复合冲击器+PDC钻头钻进，于2018年11月30日00：00下钻，地层孔店组，岩性为含砾细砂岩、含砾中砂岩、砂砾岩、泥岩。本趟钻所用生产时间77.25 h，进尺209.5 m，纯钻时间46.5 h，机械钻速4.50 m/h。起出后钻头IADC磨损评价为1-0-WT-A-X-I-NOBHA。该井段综合时效分析详见表2。

表2 复合冲击器+PDC钻头应用时效分析

3 渤中A井钻井提速对比分析

渤中A井在应用钻井提速工具前，使用常规钟摆钻具组合：Φ215.9 mm PDC+Φ171.45 mm等壁厚马达（0°/无扶正器）+Φ165.1 mm钻铤+Φ165.1 mm浮阀+Φ215.9 mm扶正器+Φ165.1 mm钻铤+Φ165.1 mm（挠性接头+震击器）+Φ127 mm加重钻杆。所钻井段3 815～3 858 m，纯钻时间22.75 h，机械钻速2.10 m/h。使用扭力冲击器井段平均机械钻速为4.14 m/h，扭力冲击器+PDC钻头钻井技术的机械钻速是常规钻井方式的1.97倍，机械钻速提高97%；使用复合冲击器井段平均机械钻速为4.50 m/h，复合冲击器+PDC钻头钻井技术的机械钻速是常规钻井方式的2.14倍，机械钻速提高114%，具体见表3。

表3 渤中A井使用与未使用提速工具井段机械钻速对比

从表3中可以看到，综合进尺与机械钻速，复合冲击器应对孔店组砂砾岩地层提速效果更优。将复合冲击器+PDC钻头应用到同一区块且与本井地层岩性相似的B井中，在孔店组两个井段钻进过程中，进尺共675 m，平均机械钻速可达5.59 m/h，具体情况详见表4。

表4 渤中B井孔店组机械钻速

4 结论与建议

1）复合冲击器相对于扭力冲击器集成了轴向冲击的功能。渤中凹陷应用扭力冲击器和复合冲击器钻井技术，并与未使用提速工具井段进行对比，结果表明扭力冲击器和复合冲击器均能够提高孔店组机械钻速，综合进尺与机械钻速提高率，复合冲击器效果更优。

2）应用复合冲击器+PDC钻头技术解决了渤中油田孔店组地层常规PDC无法突破的难题，针对硬地层复合片能够更深地吃入地层，大幅提高机械钻速与钻头寿命。

3）建议渤中区块后期油田开发过程中，针对孔店组可规模化应用复合冲击器钻井技术，提高机械钻速，节约钻完井投资。