扭力冲击器在渤海中深层的应用

林家昱，张羽臣，李进，霍宏博，张磊

扭力冲击器在渤海中深层的应用

林家昱，张羽臣，李进，霍宏博，张磊

（中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300459）

中深层油气田是渤海油田进一步勘探开发的重点，其中渤中X油气田是典型的中深层油气田，主要目的储层埋深均超过4 000 m，岩性致密、研磨性极强，前期钻探出现了较多复杂情况，严重制约了储层的勘探进程。为了解决中深层地层压力复杂、钻具憋跳严重及机械钻速慢等难题。基于渤中X油气田地层特征，开展了扭力冲击器配合忍者齿钻头提效技术的开发与应用，其破岩时以冲击破碎为主，并加以旋转剪切，在保证井身质量的同时提高机械钻速。扭力冲击器配合专用忍者齿钻头在BZ⁃E井进行了应用，能够较好地克服地层硬度高且致密的花岗岩地层，在提高机械钻速的同时，延长钻头的使用寿命，同时对提高渤海油田中深层钻进速度，节省钻井成本提供了新的方法。

扭力冲击器； 忍者齿钻头； 中深层； 花岗片麻岩

随着渤海油田的开发，中深层油气田成为进一步勘探开发的重点，而在钻探的过程中面临很多复杂的问题。渤中X油气田是渤海湾迄今为止发现的最大天然气田，对我国北方天然气保供和绿色低碳发展具有重要意义[1⁃2]。但是，本区块的主要目的层埋深均超过4 000 m，地层异常压力及储层岩性硬、研磨性极强，多次发生钻具断裂、憋钻卡钻及机械钻速慢的问题，因此探索出适合于渤海油田中深层钻井技术是亟待解决的问题。在陆地油田扭力冲击器已经较多地应用在深井地层的钻进[3⁃6]，渤海油田也进行过相关的应用，主要是进行较浅油井的钻井提速，但对于中深层的钻井技术还不成熟[7]。

本文通过对渤中X油气田中深部地层特征的研究分析，优选了扭力冲击器及忍者齿复合片，解决了中深层太古界地层可钻性差、机械钻速慢的难题，并在BZ⁃E井进行了实际应用。

1 渤中X油气田地层特征

渤中X油气田储层层埋深均超过4 000 m，以东营组东三段、沙河街组（薄层）及厚层孔店组砂砾岩为主，地层可钻性很差[8]。上部发育火成岩、下部孔店组砂砾岩地层地层压力异常，实测地层压力系数最高1.52。在3 810～4 055 m地层岩性主要为砂砾岩，地层平均抗压强度为86.18 MPa，硬夹层抗压强度达到186.16 MPa，平均内摩擦角39.5°。在4 055～4 249 m地层岩性为砂砾岩、花岗片麻岩，地层平均抗压强度为12.66 MPa，硬夹层抗压强度达到241.32 MPa，平均内摩擦角41.3°。渤中X油气田前期钻探出现复杂情况较多，严重制约了潜山储层的勘探进程。

通过比对该区块中深层平均抗压强度与平均内摩擦角，可发现地层抗压强度和内摩擦角均呈现上升趋势（见表1），底部硬夹层较明显，可钻性很差，钻具憋跳严重，机械钻速慢，钻井工期长，成本高。

表1　BZ X油气田中深层平均抗压强度与平均内摩擦角对比

在钻遇花岗片麻岩时机械钻速明显变慢，BZ⁃A所在储层特性尤为明显，以BZ⁃C井为例，在4 400 m井深的钻时最高，达到60 min/m，同时地层抗压强度达到峰值206.84 MPa。相比较其它层对应层位岩性更为坚硬致密，可钻性更差，对钻头的破坏性（见图1）、研磨性更高。

图1　BZ⁃C井钻头磨损情况

2 提效措施分析

通常在钻头钻入硬地层时会出现钻头卡滑现象，极大降低破岩效率，增加钻头的无规律运动导致的冲击破坏，以及在旋转钻进过程中的各向振动及涡动等多种无规律的有害振动，也会导致PDC钻头切削效率降低，影响钻头使用寿命及井眼井身质量。

为了提高PDC钻头在砂砾岩、花岗片麻岩等硬地层的钻进速度，引进了扭力冲击器短节，依靠高压钻井液作为传压介质，推动扭矩锤旋转，产生动力撞击钻头，冲击破碎岩石，提高钻井速度，提速效果[9]、防卡滑及保护钻头作用非常明显。

2.1 扭力冲击器的原理

扭力冲击器结构如图2所示，主要可分为冲击发生及能量转化两个模块。冲击发生模块的分流器可根据排量自动分配进入换向阀的流体，高压换向阀负责切换高压流道，冲击机构用于瞬间释放储能锤的动能，扭矩传递装置负责将扭矩传递给钻头。能量转化模块连接于冲击发生模块上部，将有害的水力能量吸收并转化成水力能量，既有利于提高冲击器的效果又有利于提高水力破岩能量[10]。

1过滤系统,2上部动力站,3非平衡重量,4下部动力站,5中间轴承,6下部轴承,7上部轴承

井下钻头及钻杆受力如图3所示，井下PDC钻头在动静载荷的作用下发生各向振动及涡动等多种无规律、极其无序的运动。钻头振动及无序运动会损坏其切削齿，影响钻头使用寿命，引起扭矩波动干扰井下仪器信号传输及轨迹控制，造成管柱疲劳破坏，产生不规则井眼，引发井壁稳定问题[11⁃12]。

在下部钻具组合中扭力冲击器位于钻井管柱的最下端，与PDC钻头连接配合使用，破岩由传统“剪切”转变为“冲击破碎+旋转剪切冲击”，扭力冲击器的工作过程如图4所示，图4（a）为理想状态下正常钻进（由于钻头井下运动的无序性，这种状态是不存在的），图4（b）为当PDC切削齿刚吃入硬地层，由于扭力不足，钻头出现短暂卡顿现象，图4（c）为钻头卡顿不动，而顶驱在不断旋转，扭矩能积蓄在整条钻井管柱上，使得钻杆处于扭曲蓄能状态，图4 （d）为PDC切削齿吃入硬地层的岩屑剥落后，钻井管柱上的扭矩瞬间释放，钻头急剧加速，图4（e）为PDC钻头同TorkBuster扭力冲击器连接配合使用，可以在很大程度上降低钻头卡滑现象，提高钻头硬地层破岩效率，延长其使用寿命。

图3　井下钻头及钻杆受力情况

图4　扭力冲击器的工作过程

2.2 扭力冲击器工具特点

扭力冲击器在750～1 500次/min高频冲击力下切削地层。具有以下特点：几何尺寸小，可与井下旋转导向钻井系统、动力钻具、垂直钻井系统等配合使用；工具组成部件少，结构简单，即使工具失效也不影响钻进作业；工作频率、扭转能量随着钻井液排量的增大而提高；平衡扭矩震荡，减少卡滑现象和能量损失，延长钻头、钻具寿命；配合PDC钻头使用，减少刀翼切削地层时出现的有害振动，提高切削效率；提高机械钻速的同时，可以防止井斜，提高井身质量；与MWD、LWD同时使用，不影响录井、测井作业[13]。

2.3 忍者齿PDC钻头适应性分析

渤海深部硬地层钻井提速技术，针对中深部沙河街及东营组砂砾岩、深部潜山花岗岩地层研磨性强、岩石可钻性差的问题，基于室内岩石力学实验、理论计算、数值模拟分析创建了复杂地质条件下的钻具优化组合，忍者齿PDC钻头配合扭力冲击器，首次实现了海上PDC钻花岗岩地层，复合片抗冲击性比常规复合片提高80%，实现了潜山段机械钻速、钻井周期、单只钻头进尺“三项翻番”重大突破。

对于岩性较硬、研磨性较强的太古界潜山地层，研发了潜山花岗岩PDC钻头。为增加钻头整体抗冲击性，选用忍者齿，忍者齿复合片把受到的地层冲击力分化到4个象限，所受冲击力远小于单片复合片。

与常规PDC复合片相比，忍者齿复合片（见图5）具有如下特点：

图5　忍者齿复合片

（1）忍者齿不再采用平面结构，复合片中间部位采用十字棱结构，4个象限呈扇形；

（2）常规平面复合片厚度1.5 mm，忍者齿圆周厚度1.5 mm，中心厚度2.0 mm，中间厚四周薄；

（3）忍者齿复合片在剪切地层时，能将侧向切削力分散至四周每个扇形复合片；

（4）忍者齿复合片十字棱结构形成锥形更易压入地层，与地层呈咬合状。

扭力冲击器在忍者齿钻头上方增加旋转方向上均匀稳定的高频冲击力，将高抗冲击性能的忍者齿复合片锥形十字棱结构压入地层，与地层呈咬合状，横向震动及旋转过程中，采用4象限受力模式的忍者齿，把受到的地层冲击力分化到4个象限，使单个象限受到的冲击力远小于常规单个复合片受到的冲击力，起到防止崩齿、保护钻头的作用。

扭力冲击器配合忍者齿钻头在渤中X油气田的应用，能够有效克服类似致密花岗岩的高硬度地层，有效地解决钻头卡滑现象，提高破岩效率，在提高机械钻速的同时，保护钻头切削齿，延长其使用寿命。

3 应用实例

BZ⁃E井4 231～4 419 m井段为太古界岩性，以花岗片麻岩为主，花岗片麻岩交接致密，可钻性极差，牙轮钻头一趟钻进尺段，机械钻速低，影响时效，而常规PDC钻头又无法钻进该地层。2019年6月该井在五开井段使用阿特拉忍者齿钻头+扭力冲击器钻进，钻具组合为：“215.9 mm忍者齿钻头×0.24 m+180.8 mm扭力冲击器×0.78 m +165.1 mm钻铤×18.61 m+165.1 mm浮阀×1.20 m+215.9 mm扶正器×1.70 m+165.1 mm DC×145.62 m+165.1 mm震击器×10.12 m +127.0 mm加重钻杆×9.60 m+165.1 mm投入式止回阀×0.80 m +127.0 mm加重钻杆×124.80 m+127.0 mm钻杆”，钻井参数为钻压3～5 t，排量51.2 L/s，转盘转速80 r/min，钻井液密度为1.54 g/cm3。

BZ⁃E井忍者齿+扭力冲击器钻时曲线如图6所示，单趟钻进尺188 m，平均机械钻速5.34 m/h，比牙轮钻头单趟钻进尺提高一倍，平均机械钻速提高一倍，钻井周期节约2.7 d，提速效果明显。通过对忍者齿钻头入井和出井对比（见图7）可以看到，除了少数忍者复合片磨损严重，大多数忍者复合片均磨损较小。在忍者齿+扭力冲击器使用过程中，各项钻井参数正常，泵压平稳，扭力冲击器工作正常。

图6　BZ⁃E井忍者齿+扭力冲击器钻时曲线

图7　忍者齿钻头入井和出井对比

各井钻进参数对比结果见表2。由表2可知，在对渤中X油气田中深层太古界地层进行钻进时，BZ⁃E井整体指标均较前四口井有显著提高。BZ⁃A-BZ⁃D井平均机械钻速为2.20 m/h，BZ⁃E井平均机械钻速为5.34 m/h，机械钻速提高142%；BZ⁃A-BZ⁃D井单只钻头进尺为78.75 m，BZ⁃E井单只钻头进尺提高到188.00 m，提高了139%；而钻井周期BZ⁃E井相比于其他各井均有较大幅度的缩短。

表2　各井钻进参数对比

综合整井的建井周期，作业效率对比如表3所示。由表3可知，BZ⁃E井钻井周期仅为51.42 d，2 500 m当量钻井周期也只有29.09 d，相比其他井均大幅下降。而其钻井日效率及平均机械钻速均具有较大幅度提升，分别为84.98 m/d及15.21 m/h。说明忍者齿+扭力冲击器的使用明显提高渤中X油气田中深层太古界地层的机械钻速。

表3　各井效率对比

十字棱结构的锥形忍者齿复合片，其抗冲击性比常规复合片提高了80%，降低了钻柱扭转振动现象，具有非常明显的防卡滑作用，在钻进过程中能够有效减少磨损，在提高机械钻速的同时保护钻头，减少了起钻更换钻头次数。

BZ⁃E井4 231～4 419 m太古界岩性井段使用忍者齿钻头+扭力冲击器钻进，平均机械钻速为2.20 m/h，提高了142%，单只钻头进尺提高到188 m，提高了139%，整井的钻井周期也只有29.09 d，相比其他井均大幅下降，可大幅度降低钻井成本，在渤海潜山花岗岩地层具有广泛的应用前景。

4 结 论

（1）本文通过对渤中X油气田中深层太古界地层特征的分析，选择了扭力冲击器作为钻井过程中提质增效的手段，以减少钻头在井底运动时的不规则有害振动，提高钻头切削效率，延长使用寿命。

（2）优选了呈锥形十字棱结构的忍者齿复合片，其抗冲击性比常规复合片提高了80%，降低了钻柱扭转振动现象，具有非常明显的防卡滑作用，在钻进过程中能够有效减少磨损。

（3）对BZ⁃E井4 231～4 419 m太古界岩性井段进行了实际应用，平均机械钻速提高了142%，单只钻头进尺提高了139%，整井的钻井周期也只有29.09 d，相比其他井均大幅下降。

（4）扭力冲击器可以有效改进PDC钻头的工作方式，配合忍者齿有效地解决渤中X油气田潜山地层钻进困难的问题，将成为解决致密地层钻井作业不可缺少的工具，在渤海深部潜山花岗岩地层具有广泛的应用前景。

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Application of TorkBuster in Middle⁃Deep Strata of Bohai Oilfield

Lin Jiayu， Zhang Yuchen， Li Jin， Huo Hongbo， Zhang Lei

（Tianjin Branch of CNOOC （China） Ltd.， Tianjin 300459， China）

Middle⁃deep strata of Bohai oilfield is the focus of further exploration and development, of which Bozhong X is a typical mid⁃deep oil and gas field. The main reservoir with dense lithology and strong abrasiveness is stored for more than 4 000 m depth, resulting in much more complex situations during the early drilling stage, which seriously restricted the reservoir exploration process. In order to solve the problems of complex pressure, serious tool choke and slow penetration rate in the deep⁃medium strata, this work figured out TorkBuster and Ninja teeth PDC bit efficiency improvement technology and its corresponding applications, using stratigraphic features of Bozhong X oil and gas field as a research sample. The rock breaking mainly involves combination of crushing and rotary shearing, which is mainly used to improve the drilling speed while ensuring the well quality. The TorkBuster with special Ninja teeth PDC bit in BZ⁃E well can properly overcome the high hardness and compact of granite gneiss, which can increase the drilling speed and prolong the service life of the bit at the same time. It provides a new method for improving the drilling speed in the deep⁃medium strata of Bohai oilfield and saving drilling cost.

TorkBuster； Ninja teeth PDC bit； Middle⁃deep strata； Granite gneiss

TE242

A

10.3969/j.issn.1006⁃396X.2021.04.013

1006⁃396X（2021）04⁃0078⁃06

http://journal.lnpu.edu.cn

2020⁃04⁃09

2020⁃06⁃05

“十三五”国家科技重大专项（2016ZX05058）。

林家昱（1984⁃），男，硕士，工程师，从事海洋石油定向井钻井技术方面研究；E⁃mail：linjy14@cnooc.com.cn。

（编辑 王亚新）