新型液力衡扭旋冲提速工具的研制及城深1井应用分析

新型液力衡扭旋冲提速工具的研制及城深1井应用分析

主讲人：王春华大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院

新研制的液力衡扭旋冲提速工具具有衡扭旋冲和水力脉冲功能，辅助钻头破岩，已在深井坚硬地层提速方面取得较好效果。塔东却尔却克组地层研磨性强、机械钻速低、单只钻头进尺少，应用该提速工具在新疆城探1井累计进尺1056.2m，机械钻速2.65m/h，提速效果显著，各项指标达到了国外同类产品水平，取得了较好的经济效益。摘要

液力衡扭旋冲提速工具（如图1）通过钻井液提供的动力，周向产生高频冲击，轴向产生水力脉冲。钻压、旋转冲击和水力脉冲联合作用下，破碎岩石,使钻头在传统刮削破岩的基础上，增加了机械冲击和水力脉冲的辅助作用，有效解决了PDC钻头在深井硬地层、软硬交错地层钻进时，钻柱纵向弹跳以及周向“粘滑”问题。工作原理图14种规格液力衡扭旋冲提速工具外形图

如图2所示，液力衡扭旋冲提速工具包括：下接头、本体、下止推轴承组、冲击锤头、盘阀组、旋转叶轮、导流套、上轴承组、锁紧螺母和上接头等零件。工具结构设计

钻井液通过导流套侧面的进液槽带动旋转叶轮高速旋转，使盘阀组的上盘阀旋转，下盘阀固定在本体上，盘阀组上盘阀的进液孔与下盘阀的冲击孔和复位孔周期性连通和封闭，使锤头在周向高频振动，冲击下接头，并带动钻头周向冲击复合钻进。此外盘阀组的高速周期性连通和封闭产生水力脉冲作用，更加有利于井底岩屑清洗和运移，减少岩屑的重复切削，进一步提高钻头破岩效率。工具结构设计

设计了新型的盘阀体式冲击机构：1.当进液孔与冲击孔连通时锤头冲击下接头；2.当进液孔与复位孔连通时锤头复位。实现了锤头周向高频冲击，辅助钻头破岩。上盘阀进液口设计为椭圆，下盘阀冲击孔与复位孔成92.5°分布，从而实现盘阀旋转一周，56%的时间一次蓄能，通过冲击孔释放，9%的时间二次蓄能，通过复位孔释放，工具压耗2.0MPa，冲击力1.32t,频率21.7Hz。冲击结构设计

特殊PDC钻头研制

根据液力衡扭旋冲提速工具的工作特点，特殊设计了小倾角多喷嘴式Q635PDC钻头，采用抗冲击PDC复合片，可配合液力衡扭旋冲提速工具在较硬地层钻进。

冲击结构设计1.机械钻速高，提速效果好该工具为钻头提供了机械冲击和水力脉冲的辅助作用，破岩效率更高，同比牙轮钻头机械钻速最高可提高6倍。2.工具寿命高，单趟进尺长

工具内部特殊设计了耐钻井液冲蚀导流体和高频抗冲击机构，使用寿命已达175h，单支工具总进尺最高597m。3.保护钻头，井眼规则

与未用工具井段相比，应用工具井段PDC钻头磨损较小，使用液力衡扭旋冲提速工具所钻井眼相对于未使用该工具的井眼更加规则。技术特点

4.适应性强，可满足不同井型的需求

可在直井、水平井、定向井应用，提速效果显著。5.现场操作简单可行、安全可靠

液力衡扭旋冲提速工具配合特殊高效PDC钻头现场应用简单，仅需要将工具和钻头接在钻柱下端即可，无需额外的设备，对现场条件要求较少，现场使用工艺安全可靠。

技术特点

城探1井位于塔里木盆地北部坳陷古城低凸起，西南距古城8井约6.9km，设计井深7150m，其中3165m～5507m为却尔却克组，岩石较为坚硬，对钻头磨损严重。主要岩性上部以中厚层～巨厚层状灰色、浅灰色、褐色细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩互层；中部以巨厚层状灰色、深灰色泥岩为主，夹灰褐色、灰色粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩；下部为巨厚层状灰色泥岩夹灰色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩；底部为薄层灰褐色泥灰岩。参照古城8井平均机械钻速仅为1m/h左右。

城探1井现场应用情况

城探1井液力衡扭旋冲提速工具共下入四只工具，从三开3040-4400m井段使用液力衡扭旋冲提速工具施工，累计进尺1056.2m，平均机械钻速2.65/h。液力衡扭旋冲提速工具施工情况表1城探1井液力衡扭旋冲提速工具使用情况表

序号尺寸mm型号井段m进尺m/h纯钻h钻速m/h层位1241.3工具＋Q635钻头4357～4954597141.84.21却尔却克组2241.3工具＋Q635钻头4954～5258304137.92.20却尔却克组3241.3工具＋Q635钻头5258～534788.943.62.04却尔却克组4241.3工具＋Q635钻头5423.7～549066.373.30.91却尔却克组城探1井液力衡扭旋冲提速工具施工采用双钟摆钻具组合，具体如下：φ241.3Q635BIT×0.3m+

Φ196mm液力衡扭旋冲提速工具×1.66m+

61/2〞螺旋钻铤×9.38m×2+Φ240螺扶×1.56m+

61/2〞螺旋钻铤×9.35m+Φ240螺扶×1.55m+

61/2〞螺旋钻铤×9.35m×23+Φ165接头（4A11/520）×1.11m+

51/2〞加重钻杆×9.35m×15+

51/2〞钻杆×9.65至井口。

钻具组合工具现场应用情况

施工参数表2施工参数表钻压T转数rpm扭矩kN.m排量L/s泵压MPa密度g/cm3粘度s含沙量8～1260～8015～2535181.2447～520.1%古城8井3315m-5605m为241.3mm井眼与本井井眼一致，其钻头使用情况如表所示。应用效果分析序号尺寸(mm)钻头型号厂家使用井段(m)进尺(m)机械钻速(m/h)1243.1TS1952BEST3315～40237085.492243.1MS1952SSBEST4031～43903593.93243.1MS1952SSBEST4390～46752853.314243.1U416M扭力冲击器4675～48752002.245243.1MT1355CS扭力冲击器4875～50551801.576243.1M1665DBEST5055～5091392.67243.1M1665DBEST5091～51951041.068243.1M1665DBEST5195～53121171.639243.1M1665DBEST5312～5322100.8310241.3SJT517GK川石5322～5356340.6311241.3HJ537G江汉5356～5379230.4712241.3M1665DBEST5379～5400210.8113241.3Q605休斯5400～5413130.4414241.3M1665DBEST5413～5422.529.520.3515241.3T1375BBEST5422.52～543512.480.516241.3MM55RHDBS5435～5557.72122.721.117241.3FX55DX3DBS5557.72～5569.4911.770.318241.3FX64DDBS5569.49～560535.511.2

城探1井液力衡扭旋冲提速工具第一趟钻，钻进井段4357～4954m；进尺597m；机械钻速4.21m/h。同层位古城8井4390～4675m用了一只百施特MS1952SS钻头，进尺285m，钻速3.9m/h，液力衡扭旋冲提速工具与之相比进尺提高109%，钻速提高7%；古城8井4675～4875m用一只扭力冲击器，进尺200m，钻速2.24m/h，液力衡扭旋冲提速工具与扭力冲击器相比，进尺提高198.5%，钻速提高88%，各项指标均超过扭力冲击器，1只液力衡扭旋冲提速工具的进尺相当于1只扭力冲击器和1只百施特钻头的进尺，为施工单位节省1趟起下钻。第一趟钻对比情况分析

城探1井液力衡扭旋冲提速工具第二趟钻，4954～5258m；进尺304m；机械钻速2.20m/h。同层位古城8井4875～5055m用了一只扭力冲击器，进尺180m，钻速1.57m/h，液力衡扭旋冲提速工具与之相比，进尺提高68.9%，钻速提高40%；古城8井5055～5312m用了3只百施特M1665D钻头，平均进尺86.7m，钻速1.76m/h，液力衡扭旋冲提速工具与其相比，进尺提高251%，钻速提高25%。1只液力衡扭旋冲提速工具的进尺相当于1只扭力冲击器和3只百施特钻头的进尺，为施工单位节省3趟起下钻。第二趟钻对比情况分析

城探1井液力衡扭旋冲提速工具第三趟钻，钻进井段5258～5347m；进尺88.9m；机械钻速2.04m/h。同层位古城8井5195～5312m用了一只百施特M1665D钻头，进尺117m，钻速1.63m/h，由于该只工具比液力衡扭旋冲提速工具提前63m下井，液力衡扭旋冲提速工具与之相比进尺减少了28.1m，但钻速提高25%；古城8井5312～5322m用了1只百施特M1665D钻头，进尺10m，钻速0.83m/h，液力衡扭旋冲提速工具与其相比，进尺提高789%，钻速提高146%。古城8井5322～5356m用了1只川石SJT517GK钻头，进尺34m，钻速0.63m/h，液力衡扭旋冲提速工具与其相比，进尺提高161.5%，钻速提高224%。1只液力衡扭旋冲提速工具的进尺相当于2只百施特M1665D钻头和1只川石SJT517GK钻头的进尺，为施工单位节省2趟起下钻。

第三趟钻对比情况分析

城探1井液力衡扭旋冲提速工具第四趟钻，钻进井段5423.7～5490m；进尺66.3m；机械钻速0.91m/h。城探1井这趟钻之后，5490-5554m，用休斯Q506钻头，进尺64.57m，纯钻时87.12h，平均机械钻速0.74m/h，起出钻头磨损严重，新度75%左右。液力衡扭旋冲提速工具与其相比进尺提高了2%，与休斯钻头基本一致，钻速提高23%，减少14h纯钻进时间。

第四趟钻对比情况分析

1.采用盘阀体式冲击机构的液力衡扭旋冲提速工具，能够产生高频冲击辅助钻头破岩，配合特殊研发的Q635PDC钻头可在深层较硬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，降低钻井成本。

2.通过城探1井液力衡扭旋冲提速工具4趟钻使用情况分析及古城8井同层位钻头使用情况对比，液力衡扭旋冲提速工具进尺、机械钻速都达到了国外同类产品相应指标，且液力衡扭旋冲提速工具为钻井研究院自主研发产品，使用成本低于国外产品，经济效益高于国外