自研提速工具在大庆深层现场应用与认识

王玉玺，纪 博，刘德伟，李相勇，李 博，李欢欢

(大庆钻探钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163413)

深部难钻地层岩石具有硬度大、可钻性级值高等特性，使得在钻井过程中机械钻速低，起下钻频繁，为了缩短钻井周期，达到降本增效的目的，本文在分析大庆深部地层钻井提速技术难点的基础上，考虑所钻岩石的特性，在钻井提速工具研制方面开展研究，同时进行配套钻头研选，通过大量的现场试验证明了创新研制的工具提速效果显著，达到了缩短钻井周期的目的。

1 大庆深部难钻地层岩性特点

大庆深部难钻地层岩石可钻性级值大、研磨性强，其泉头组岩性依次为棕红、暗紫色泥岩与紫灰、灰绿砂泥岩；登娄库组岩性依次为灰色、灰绿色砂泥岩互层；营城组岩性为安山岩、角砾岩、凝灰岩、流纹岩、砾岩；沙河子组岩性为灰白色砂岩、泥凝灰岩。可钻性级值范围在8~11级，营城组可钻性级值大于10级，在这些地层钻井作业，常规钻井方式在砂泥岩互层、紫红色泥岩由于它的非均质性和强塑性特点使得钻速明显变慢，而在营城组含砾地层往往对钻头复合片损伤较为严重，严重制约了深井提速作业，针对上述地层特点现场采取了多项提速手段。

2 深井常规提速技术分析

目前针对深部坚硬地层常规的提速手段有以下几种方式：

（1）高效钻头配螺杆钻具：螺杆钻具往往与牙轮钻头和PDC钻头进行使用，当配合牙轮钻头使用时，牙轮钻头的破岩方式更适合于硬地层，与高速螺杆使用时，通过高转速能够达到提速的效果，但牙轮钻头寿命较低，一般90h就需要起钻更换钻头，该钻头易存在轴承失效、断齿、掉齿、掉牙轮等井下风险。由于复合片技术近几年的高速发展，PDC钻头在硬地层的效果逐渐显现出来，特别是它的安全性高，不易发生井下事故。国外PDC钻头使用效果明显高于国内同类钻头，主要是由于国外复合片脱钴深度、耐磨和热稳定性等要高于国内，但其费用较高，不利于目前低油价降本的要求。此外由于深井温度较高，螺杆也极易发生脱胶现象，一般螺杆寿命200h左右。

（2）孕镶钻头配涡轮钻具：孕镶钻头具有很高的抗研磨性，对超硬地层能够起到提速作用，而涡轮钻具通过涡轮定转子的高扭矩，能够为孕镶钻头提供高速的动力，但这种技术存在一定的局限性，就是孕镶钻头研磨出的岩屑太小，不利于录井岩性取样，同时钻头成本较高。

（3）气体钻井：采用气体钻井技术钻进可较大提高机械钻速，但由于地层出水预测技术还不准确，出水后易引起钻头泥包、卡钻的事故，同时气体钻井设备复杂，成本相对较高。

（4）单向冲击辅助破岩工具：随着勘探开发的不断深入，以扭力冲击器为代表的冲击辅助破岩工具在深层钻井提速提效中发挥着显著的作用。其代表产品为美国阿特拉公司研制的扭冲工具，国内外各大公司相继研发出具有周向或轴向冲击振动的辅助工具，其中周向冲击工具具有剪切效率高、钻速快，可有效解决粘滑振动，但由于吃入岩石能力不足，在致密性泥岩等地层提速效果不佳。而轴向冲击工具仅能够辅助钻头提高吃入深度，但剪切效率低，提速效果不显著。因此，单一的冲击方式均存在一定的技术局限性，为了发挥两种钻井技术破岩方式的优势，未来提速工具的发展方向将结合轴向和周向冲击振动的特点，提出复合冲击钻井技术。

3 创新研制出复合冲击钻井工具

通过三年的科研攻关，我们研制出兼具周向、轴向冲击振动和水力脉冲相结合的复合冲击钻井工具，该项技术是将钻井液流体的能量转换成工具的周向和轴向高频往复的冲击机械能，周向冲击振动可使钻杆的旋转破岩能量传递到钻头上，降低粘滑效应；轴向冲击振动则给钻头提供轴向破岩的能量，从而提高钻头吃入地层深度，提高破岩效率，达到提速的目的。

3.1 复合冲击钻井工具优势

复合冲击钻井工具采用纯机械结构，因此不受井下高温影响，针对泥浆冲蚀问题，该工具对局部换向窗口进行了硬质合金喷涂技术，可保证工具在井下连续工作200h以上，能够满足深部高温高压的钻井的工况要求。

内部的高频冲击机构带动PDC钻头在轴向上产生轴向冲击，提高钻头切削齿吃入深度，在周向上产生周向高频振动，可有效减少了粘滑现象，提高破岩效率，减少阻抗扭矩；这种高频冲击力能够在较硬地层钻进时预先形成岩石裂纹和预破碎，改善了PDC钻头的切削环境，达到辅助PDC钻头剪切岩层的作用。

复合冲击钻井工具内部独特的流体转化机构，改变了钻井液水力流场，形成了高频的水力脉冲波动，提高了井底岩屑的清洗和运移，减少岩石重复切削，进一步提高钻速。

3.2 复合冲击配套钻头的研选

在工具现场试验过程中，通过对以上曲线分析，结合大庆地区岩性特点，形成配套钻头研选认识如下：

（1）随着井深增加，刀翼数逐渐增多，复合片直径由大到小，营城组上部采用4~5刀翼16~19mm复合片的钻头，通过增加切削面积，提高钻速；

（2）在深部坚硬地层采用6刀翼13mm复合片钻头，通过增加布齿密度，提高钻头抗研磨性；

（3）针对塑性砂泥岩互层，应选择侧倾角和后倾角角度较大的钻头，提高钻头的攻击性，使得复合片更易吃入地层；

（4）针对营城组含砾石较多的地层，在复合片的选择上应考虑国外的进口复合片，例如屋脊齿、非平面齿钻头。这类复合片抗研磨性强、热稳定性高、脱钴深度深，当钻头在硬地层钻进时，由于地层岩性抗研磨性强，钻头吃入深度有限，极易造成钻头重复切削，导致复合片局部受热，一般复合片当温度达到700℃时不稳定，受到冲击时易破碎。为此我们在硬地层钻进时应优先选择国外进口复合片钻头。

4 复合冲击钻井工具现场应用

4.1 试验总体情况

2017~2019年期间，研发的复合冲击钻井工具在大庆深层现场试验12井次，累计进尺3868m，平均钻速4.8m/h，平均钻速提高201%，提速效果显著。

（1）创工具最长使用时间和进尺纪录：该工具第一次现场试验使用2支工具实现三开完钻，本次施工井段泉头组—营城组，井深2338~3560m,总进尺1222m,总钻时342h，平均机械钻速3.57m/h。其中第1趟钻总进尺954m，纯钻245h，使用时间达303.75h,机械钻速3.89m/h。与临井常规钻井方式同比，单趟钻进尺提高567%，机械钻速提高125.9%。

（2）与国内其它提速工具同比钻速快：在试验2井开展了2井次现场应用，总进尺504m，平均钻速7.04m/h，顶点钻速8.58m/h，邻井距离试验2井间距400m，地质岩性描述一致，邻井进尺509m，平均钻速4.53m/h，顶点钻速与临井采用国内其它提速工具同比钻速提高55.4%。

（3）创大庆升深区块最快钻速：该工具在升深试验井进行现场试验，累计进尺309m，其中第一趟钻速达到13.5m/h，与临井同比钻速提高585%，创升深区块最快单趟钻速纪录。

4.2 现场试验的认识

（1）在泉头至登楼库组塑性泥岩提速效果显著。复合冲击能够同时产生轴向和周向高频冲击，在低钻压条件下，轴向冲击额外产生吃入地层的冲击力，由于工具向下冲击后还要回弹，这种方式则破坏了塑性泥岩对钻头的包裹作用。

（2）能够保证井斜要求。通过采用复合冲击钻井工具可以保证在低钻压实现高钻速，如采用钟摆钻具组合，可以保证井斜要求。

（3）对钻头有保护作用。复合冲击工具应用12口井，总共采用7种规格钻头进行现场试验，提速效果十分明显，起出钻头基本无磨损，均可二次下井使用。

5 结论

（1）大庆深部地层普遍存在岩石坚硬、研磨性强等技术难点，影响钻井机械钻速；

（2）采用周向和轴向冲击辅助破岩工具，能够产生高频冲击辅助钻头破岩，可在深部难钻地层中取得较好的提速效果，能够大幅提高机械钻速，提高单只钻头进尺，减少起下钻次数；

（3）创新设计了周向和轴向冲击机构，保证了冲击振动的稳定输出，整套工具结构合理，安全可靠，能够满足现场施工要求；

（4）复合冲击钻井工具经多次现场验证，提速效果显著，能够缩短钻井周期，达到降本增效的目的，该项技术已达到了国内领先技术水平，可为深部难钻地层提速提供新的技术支持。