兩種提速工具在渤海油田某深井的應用評價

張磊，霍宏博，李治衡，龔寧，岳明

中海石油中國有限公司 天津分公司 （天津 300459）

0 引言

渤中某A井是渤海灣盆地渤中凹陷西南部深層構造脊上布置的一口探井，井型為六開直井，該井鉆井目的是揭示渤中凹陷太古界潛山的含油氣性，實現儲量升級。設計井深4 583 m，井身結構為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。

渤中凹陷中深部地層較硬，特別是進入孔店組后，地層巖性復雜，對鉆頭的研磨性極強，導致鉆頭機械鉆速極低，嚴重地制約了該井鉆井速度。經調研和可行性論證，決定在本井孔店組嘗試應用扭力沖擊器+PDC、復合沖擊器+PDC鉆井技術[1-3]，通過現場實際鉆速對比分析，評價了兩種提速工具對于渤海灣深井的適用性。

1 兩種提速工具原理

1.1 扭力沖擊器原理

1）工具結構。扭力沖擊器主要由沖擊機構、流道轉換機構、扭矩傳遞機構等組成[4-5]，安裝于鉆鋌與PDC鉆頭之間。

2）作用原理。鉆進過程中，鉆井液帶動渦輪組旋轉，利用沖擊機構偏心沖錘產生均勻恒定的高頻扭力，通過扭矩傳遞機構集中均勻地傳遞到鉆頭。扭力沖擊器可提供每分鐘750～1 500次高頻穩定的沖擊力，相當于每分鐘750～1 500次切削地層[6]，這意味著鉆頭無需等待積累足夠的扭力即可以切削地層。切削地層時，高頻的沖擊力有利于PDC齒破碎前方的地層并更深吃入地層，使破巖機理從“剪切破巖”轉變為“沖擊破碎+旋轉剪切沖擊破巖”[7]。PDC齒破巖示意圖如圖1所示。

圖1 PDC齒破巖示意圖

3）工具優點。扭力沖擊器能夠消除有害的井下振動，平衡和穩定鉆頭，提高地層可鉆性并大幅度增加機械鉆速。

1.2 復合沖擊器原理

1）工具結構。復合沖擊器同樣由沖擊機構、流道轉換機構、扭矩傳遞機構組成，安裝于PDC鉆頭上。但與扭力沖擊器不同之處在于，其沖擊機構包含扭轉沖擊和軸向沖擊兩個模塊。

2）作用原理。鉆井液帶動渦輪葉片旋轉，進入扭轉沖擊模塊驅動沖擊錘，形成一定頻率、周向扭轉的沖擊力；鉆井液進一步下行，進入軸向沖擊模塊，帶動軸向沖錘活塞向下運動，從而實現一次扭力沖擊聯合軸向沖擊運動行程[8-12]。復合沖擊器可將鉆井液的水力能量通過能量分配裝置，使沖擊能量分成80%的扭向沖擊和20%的軸向沖擊，為鉆頭施加高頻穩定的周向和軸向沖擊力，從而提高鉆頭破巖效率，并有效解決鉆進過程中黏滑、托壓現象，實現鉆井提速的目標[13-15]。

3）工具優點。與扭力沖擊器相比，復合沖擊器創新性地集成了軸向沖擊的功能，屬于一種復合沖擊的鉆井提速工具。

2 兩種提速工具的應用情況

2.1 渤中A井地質概況

A井自上而下鉆遇平原組、明化鎮組、館陶組、東營組、沙河街組、孔店組及太古界，孔店組埋深4 265～4 452 m，巖性為含礫細砂巖、含礫中砂巖、砂礫巖、泥巖。

2.2 扭力沖擊器應用情況

1）鉆具組合。Φ215.9 mm PDC鉆頭+Φ171.45 mm扭力沖擊器+Φ165.1 mm鉆鋌+Φ165.1 mm浮閥+Φ215.9 mm扶正器+Φ165.1 mm鉆鋌+Φ165.1 mm（撓性接頭+震擊器）+Φ127 mm加重鉆桿。

2）鉆井參數。鉆壓4～5 t，排量1 600～1 700 L/min，泵壓11～12 MPa，轉速60～70 r/min，扭矩4～9 kN·m。

3）作業情況。井段3 858.6～4 047.0 m，利用扭力沖擊器+PDC鉆頭鉆進，于2018年11月25日00：00下鉆，地層孔店組，巖性為含礫細砂巖、含礫中砂巖、砂礫巖、泥巖。本趟鉆所用生產時間80.5 h，進尺188.4 m，純鉆時間45.4 h，機械鉆速4.14 m/h。起出后鉆頭IADC磨損評價為1-3-BT-M-X-I-NO-CP。該井段綜合時效分析詳見表1。

表1 扭力沖擊器+PDC鉆頭應用時效分析

2.3 復合沖擊器應用情況

1）鉆具組合。Φ215.9 mm PDC鉆頭+Φ171.45 mm復合沖擊器+Φ171.45 mm鉆鋌+Φ171.45 mm浮閥+Φ215.9 mm扶正器+Φ171.45 mm鉆鋌+Φ171.45 mm（撓性接頭+震擊器）+Φ127 mm加重鉆桿。

2）鉆井參數。鉆壓6～7 t，排量 1 600～1 700 L/min，泵壓 12～13 MPa，轉速 60～70 r/min，扭矩 5～12 kN·m。

3）作業情況。井段4 055.5～4 265.0 m，利用復合沖擊器+PDC鉆頭鉆進，于2018年11月30日00：00下鉆，地層孔店組，巖性為含礫細砂巖、含礫中砂巖、砂礫巖、泥巖。本趟鉆所用生產時間77.25 h，進尺209.5 m，純鉆時間46.5 h，機械鉆速4.50 m/h。起出后鉆頭IADC磨損評價為1-0-WT-A-X-I-NOBHA。該井段綜合時效分析詳見表2。

表2 復合沖擊器+PDC鉆頭應用時效分析

3 渤中A井鉆井提速對比分析

渤中A井在應用鉆井提速工具前，使用常規鐘擺鉆具組合：Φ215.9 mm PDC+Φ171.45 mm等壁厚馬達（0°/無扶正器）+Φ165.1 mm鉆鋌+Φ165.1 mm浮閥+Φ215.9 mm扶正器+Φ165.1 mm鉆鋌+Φ165.1 mm（撓性接頭+震擊器）+Φ127 mm加重鉆桿。所鉆井段3 815～3 858 m，純鉆時間22.75 h，機械鉆速2.10 m/h。使用扭力沖擊器井段平均機械鉆速為4.14 m/h，扭力沖擊器+PDC鉆頭鉆井技術的機械鉆速是常規鉆井方式的1.97倍，機械鉆速提高97%；使用復合沖擊器井段平均機械鉆速為4.50 m/h，復合沖擊器+PDC鉆頭鉆井技術的機械鉆速是常規鉆井方式的2.14倍，機械鉆速提高114%，具體見表3。

表3 渤中A井使用與未使用提速工具井段機械鉆速對比

從表3中可以看到，綜合進尺與機械鉆速，復合沖擊器應對孔店組砂礫巖地層提速效果更優。將復合沖擊器+PDC鉆頭應用到同一區塊且與本井地層巖性相似的B井中，在孔店組兩個井段鉆進過程中，進尺共675 m，平均機械鉆速可達5.59 m/h，具體情況詳見表4。

表4 渤中B井孔店組機械鉆速

4 結論與建議

1）復合沖擊器相對于扭力沖擊器集成了軸向沖擊的功能。渤中凹陷應用扭力沖擊器和復合沖擊器鉆井技術，并與未使用提速工具井段進行對比，結果表明扭力沖擊器和復合沖擊器均能夠提高孔店組機械鉆速，綜合進尺與機械鉆速提高率，復合沖擊器效果更優。

2）應用復合沖擊器+PDC鉆頭技術解決了渤中油田孔店組地層常規PDC無法突破的難題，針對硬地層復合片能夠更深地吃入地層，大幅提高機械鉆速與鉆頭壽命。

3）建議渤中區塊后期油田開發過程中，針對孔店組可規模化應用復合沖擊器鉆井技術，提高機械鉆速，節約鉆完井投資。