钻井分公司技术简报

1、技技 术术 简简 报报2015第七期西南钻井分公司技术发展中心 二一五年八月二日 目 录旋冲工具的应用情况总结 .9旋冲工具的应用情况总结冯冯 林林旋冲工具是在井底产生并向钻头传递高频冲击力的钻井工具。其特性是在旋转的钻头上施加高频冲击力，岩石在冲击载荷的作用下，冲击点的作用力来不及重新分配，该点的应力便很快接近或者超过岩石的强度极限。这种冲击载荷的瞬时作用和应力集中特性，岩石不易产生塑性变形而脆性增加，使其产生微裂隙，同时有利于岩石中原有裂隙进一步扩展，岩石强度降低，形成体积破碎，从而大大提高岩石破碎。因此，旋冲钻井技术是提高硬地层钻井速度的有效方法之一。一、旋冲工具的结构和工作原理一、旋冲

2、工具的结构和工作原理目前常用的旋冲钻具是国民油井华高公司基于常规螺杆钻具技术开发设计的一种钻井提速工具。该旋冲钻具主要由马达、可调弯角外壳及液力锤组成。图 1 NOV 旋冲钻具的结构示意图动力总成为钻头提供转速和输出扭矩；液力锤由上、下心轴，凸轮/滚轮机构及滚柱轴承组组成，轴向冲击轮动由凸轮和滚轮总成实现。通过机械和液力相互作用产生振动力直接作用在钻头上，工具敲击力与所加钻压相关，提离井底即停止敲击，钻压将钻头与地层紧密接触，钻头不离开井底，不会对钻头和钻具造成损害；两个芯轴之间的相互啮合同样向工具的外壳提供轴向动力，达到有效传递钻压的作用。旋冲钻进过程中，钻头具有两个方向上的作用力：一是径向

3、方向的旋转切削力，具有切削破碎岩石的作用；二是轴向方向的静压力及冲击力，具有静、动载破碎岩石的双重作用。这两个方向上的力是相辅相成的，钻头除冲击岩石外，还有旋转剪切两次冲击间已经产生裂纹但没有崩离的脊部。所以，旋冲钻井具有旋转和冲击钻进的两种特性，从而大幅度提高钻井效率。旋冲钻具通过使用液力锤代替传统螺杆钻具的轴承总成，以机械和液压综合方式为钻头传递高频轴向冲击力。这种高频的轴向冲击可在钻遇硬地层、高研磨性地层时，为 PDC 或牙轮钻头提供额外的“冲击破岩力”，增强钻头的破岩能力，提高机械钻速。国民油井华高旋冲钻具有以下的结构特点： （1）纯机械装置，与螺杆尺寸一致，代替螺杆的轴承总成。（2）

4、采用了油密封总成，100%泥浆可以通过钻头，使钻头获得更优化的水力能量，动力部分各级压降更高。（3）旋冲工具冲程为 3-13mm，冲击频率为马达转速的 3 倍或 4 倍，高频轴向冲击，有效提高钻进效率。（4）工具依靠钻压激活，提离井底时自动解除。加压后，井底钻具产生轴向高频蠕动，克服摩阻，减少托压及粘滑振动的发生，有效的提高钻压传递。基于旋冲工具所具有的结构特点，可知其破岩方式不同于常规钻井。具有独特的技术优势：（1）将部分泥浆泵能量转化为钻井所用，增加冲击破岩能，提高扭矩传递效率。（2）消除钻头切屑的分子啮合，避免钻头粘滑、跳钻，保证钻头平稳切屑与钻进，延长钻头的使用寿命。（3）对排量和泥浆

5、类型没有限制，现有石油钻井设备和钻具可以满足旋冲钻井技术的要求。（4）高频的冲击载荷有利于减少单位体积岩石的破岩时间，缓解地层岩性变化可能引起的井斜趋势，提高井身质量井眼，减少钻具损坏，尤其对于深井硬地层。（5）纯机械装置，采用优化的水力结构和高耐磨材料，作业寿命150h，耐温能力177，使井底钻具产生良性振动，克服摩阻，旋转同时产生冲击破岩，增加钻速 35-100%以上。二、旋冲工具在现场的应用及效果分析二、旋冲工具在现场的应用及效果分析为了克服不同区块硬地层机械钻速慢的难题，实现优快钻进的目标。旋冲工具+PDC 钻头钻井技术在马深 1 井、焦页 9 井和明 1 井进行了应用。1 1、马深、

6、马深 1 1 井二开井二开 406.4mm406.4mm 井眼段的使用情况井眼段的使用情况二开井眼尺寸 406.4mm，井段 3493.26-3827.10m，下入国民油井华高285.75mm 旋冲钻具（POB，7/8 头，4.8 级，S/N:FH1125-03）。钻遇地层为雷口坡组，岩性主要为白云质灰岩，灰质白云岩石膏岩。钻进进尺333.84m，纯钻时间 116.75h，平均机械钻速 2.86m/h。起钻原因：扭矩波动较大起钻。使用效果分析：表 1 同层位旋冲工具与常规螺杆使用效果对比序号钻头尺寸（mm）工具层位井段(m)进尺(m)纯钻(h)机械钻速(m/h)1406.4旋冲+ SKH616

7、S-A1D雷口坡组3493.26-3827.10333.84116.752.862406.4螺杆+ SKH616S-A1D雷口坡组3827.10-4025.08197.98752.64通过上表对比分析：与常规螺杆配合相同型号的 PDC 钻头相比，单只钻头钻进进尺提高了 68.6%，纯钻时间延长 55.7%，平均机械钻速提高了8.3%。表 2 邻井同层位机械钻速对比井号井眼尺寸 mm钻井方式井段 m地层机械钻速m/h马深 1 井406.4旋冲工具+PDC3493.26-3827.10雷口坡组2.86马 1 井241.3常规钻井3301-3684雷口坡组1.74官深 1 井406.4常规钻井246

8、7.00-2603.00雷口坡组0.48从上表统计可知：马 1 井井眼尺寸较小，但马深 1 井雷口坡组的机械钻速比马 1 井提高了 64.4%；比官深 1 井机械钻速提高了 495.8%。 （a）旋冲工具+ SKH616S-A1D （b）常规螺杆+ SKH616S-A1D图 2 旋冲工具与螺杆配合 PDC 钻头的磨损情况对比在雷口坡组地层国民油井产 SKH616S-A1D 型 PDC 钻头入井两次，分别配合旋冲工具和常规螺杆进行钻进。从图 2 中可以明显的看出：常规螺杆+PDC 钻头钻进对钻头磨损更加严重，而旋冲工具能够较好的保护钻头，延长单只钻头的使用寿命。2 2、马深、马深 1 1 井四开

9、井四开 243.1mm243.1mm 井眼段的使用情况井眼段的使用情况四开井眼尺寸 241.3mm，井段 6228.00-7050.55m，下入国民油井华高172mm 旋冲工具，主要钻遇地层为韩家店、小河坝、龙马溪、五峰、宝塔、湄潭、陡坡寺组等，岩性主要为灰色含灰泥岩、灰色泥岩、灰色粉砂质泥岩、灰色泥质粉砂岩、黄灰色灰质粉砂岩、灰色粉砂岩、浅灰色白云岩。该井段共使用 3 只 PDC 钻头，型号分别为 SKHI516M 和 SKH616M。其中，SKHI516M 钻头钻进井段 6228.00-6526.57m，地层韩家店-小河坝组；SKH616M 钻头钻进井段 6526.57-7050.55m，

10、地层小河坝-陡坡寺组，使用了 2 只。起钻原因：钻头磨损。使用效果分析：表 3 同层位旋冲工具+PDC 与常规牙轮使用情况对比序号钻头尺寸（mm）工具层位井段(m)进尺(m)纯钻(h)机械钻速(m/h)1243.1常规+ HJT537GK韩家店组6225.40-6228.002.64.50.582243.1旋冲+ SKHI516M韩家店-小河坝6228.00-6526.57298.57953.14 3243.1旋冲+ SKH616M小河坝-龙马溪6526.57-6827.01300.44983.07 4243.1旋冲+ SKH616M龙马溪-陡坡寺6827.01-7050.55223.5471

11、3.15 5243.1常规+ HJT537GK陡坡寺组7050.55-7099.2648.71431.13从上表统计对比可知：旋冲工具+PDC 钻头钻井技术的机械钻速高于常规钻具牙轮钻头 3 倍左右；单只钻头钻进进尺 300m 左右，机械钻速比较稳定。表 4 马深 1 井韩家店组陡坡寺组设计与实钻周期对比设计实钻地层井段钻速m/h纯钻时效周期 d钻速m/h纯钻时效周期 d周期节余 d韩家店-龙马溪组6228-69201.850%32.043.1753.7%16.9515.09龙马溪-陡坡组6920-7050.550.950%12.082.8778.4%2.429.66周期合计44.1219.3

12、724.75与施工设计周期进行对比：韩家店-陡坡寺组地层实钻纯钻时效增加，实钻周期较设计周期节约近 24.75 天。 第一趟 SKH516M 第二趟 SKH616M 第三趟 SKH616M图 3 马深 1 井四开 PDC 钻头使用情况对比图从上图对比可以看出：SKHI516M 外径磨损量达 16.3mm，冠部复合片有崩裂，磨损严重，导致胎体受到磨损；第二趟 SKH616M 肩部复合片磨损严重，冠部和顶齿完整，钻头外径磨损 2mm；第三趟 SKH616M 冠部主切削齿磨损严重，个别齿先期崩坏，导致复合片提前损坏，其余各齿基本完好，钻头外径磨损 2mm。3 3、焦页、焦页 9 9 井二开井二开 3

13、11.2mm311.2mm 井眼段的使用情况井眼段的使用情况二开井眼尺寸 311.2mm，井段 2049-2053.7m 和 2055-2448.5m，下入国民油井华高 244.5mm 旋冲工具，钻遇地层为茅口组、栖霞组和梁山组，岩性主要为灰岩和泥岩。钻进进尺 398.2m，纯钻时间 71.12h，平均机械钻速 5.6m/h。起钻原因：井漏、钻时变慢。使用效果分析：表 5 焦页 9 井旋冲工具与常规螺杆使用情况统计序号钻头尺寸（mm）工具层位井段(m)进尺(m)纯钻(h)机械钻速(m/h)1311.2旋冲+SKH519S茅口组2049-2053.74.71.53.132311.2旋冲+SKH6

14、16M茅口组、栖霞组2055-229524044.045.453311.2旋冲+DSH616D栖霞组、梁山组2295-2448.5153.525.586合计旋冲+PDC茅口组、栖霞组、梁山组2049-2053.722055-2448.5398.271.125.64311.2螺杆+SKH616M韩家店组2448.5-2878429.5114.333.765311.2螺杆+SKH616M小河坝组2878-3410532139.583.81表 6 礁石坝区块部分井同层位机械钻速统计井号钻井方式层位进尺 m纯钻 h平均机械钻速 m/h焦页 9 井旋冲+PDC茅口组-梁山组398.271.125.6焦页

15、 59-2HF螺杆+PDC茅口组-韩家店组700.2927.61焦页 47-5HF螺杆+PDC/旋转导向+PDC茅口组-韩家店组802125.56.39焦页 59-3HF螺杆+PDC茅口组-韩家店组567836.83焦页 49-2HF螺杆+PDC/阿特拉扭力冲击器茅口组-梁山组673.211255.39焦页 47-3HF螺杆+PDC茅口组-韩家店组361.2635.73焦页 6 井螺杆+PDC茅口组-梁山组405.09676.05从表 5、表 6 统计情况综合分析：旋冲工具+PDC 钻头钻进高于同井相邻下部地层常规螺杆+PDC 钻头机械钻速的 49%；与礁石坝区块邻井同层位机械钻速比较，平均机

16、械钻速相当。 第一趟（SKH519S） 第二趟（SKH616M） 第三趟（DSH616D）图 4 焦页 9 井旋冲工具+PDC 钻头使用情况对比图从上图可以看出：SKH519S 钻头入井纯钻 1.5h，出井钻头磨损比较严重；SKH616M 钻头由于井漏起钻，纯钻 44.04h，钻头完好；DSH616D 钻头钻时慢起钻，纯钻 25.58h，分析原因：旋冲工具工作不正常，没有产生冲击效果；二是中心一刀翼复合片和卵形齿磨损，其余两个刀翼与其不在同一平面，导致受力不均，中心岩石不能被有效切削。4 4、明、明 1 1 井三开井三开 241.3mm241.3mm 井眼段的使用情况井眼段的使用情况三开井眼尺

17、寸 241.3mm，井段 3531-3635m 和 3659-4074m，下入国民油井华高 172mm 旋冲工具，钻遇地层为嘉陵江组，主要岩性为灰白色膏岩、灰色灰岩、灰质白云岩。钻进进尺 519m，纯钻时间 227.37h，机械钻速2.28m/h。起钻原因：取芯、钻时变慢。使用效果分析：表 7 明 1 井旋冲工具、常规螺杆与邻井同层位使用情况对比井号尺寸（mm）工具层位井段(m)进尺(m)纯钻 h机械钻速(m/h)明 1井241.3旋冲+ E1261-A1嘉陵江组3531-363510442.452.45241.3旋冲+SKHI516M嘉陵江组3659-4074415184.922.24旋冲旋

18、冲+PDC+PDC 合计合计519519227.37227.372.282.28241.3螺杆+T1365B嘉陵江组3428-35279930.13.28241.3螺杆+AT1416T飞仙关、嘉陵江4090-4651.4561.42042.75明 1井241.3螺杆+SKH616M飞仙关、龙潭组4651.4-4939287.692.083.12241.3螺杆+PDC嘉陵江组2928.19-3298.45370.261.74双庙101241.3螺杆+牙轮嘉陵江组3475.02-3515.5740.551.08双庙102241.3螺杆+PDC嘉陵江组2883.00-3288.004051.22从上

19、表统计情况对比分析：嘉陵江组地层使用旋冲工具+PDC 钻头，机械钻速与常规螺杆相当，没有明显的技术优势。 第一趟（E1261-A1） 第二趟（SKHI516M）图 5 明 1 井旋冲工具+PDC 钻头使用情况对比图从上图可以看出：E1261-A1 钻头取芯起钻，纯钻 42.45h，钻头基本完好；SKHI516M 钻头使用寿命长，纯钻时间 184.92h，该型号钻头适应嘉陵江组地层，但提速效果并不明显。三、存在的问题分析三、存在的问题分析1、由于冲击作用对于 PDC 复合片的损伤还是明显存在的。与旋冲工具配合的 PDC 钻头纯钻时间最长 184.92h，最短仅为 1.5h。大部分 PDC 钻头纯

20、钻时间小于 100h，与旋冲工具的使用寿命大于 150h 不相匹配。表 8 PDC 钻头的使用统计井号井眼mm钻头型号刀翼数量数量/水眼 mm复合片mm井段 m纯钻 h机械钻速 m/h备注311.2SKHI519S58/11192049-2053.71.53.13无卵形齿有磨损311.2SKH616M69/11162055-229544.045.45卵形齿基本完好焦页9 井311.2DSH616D69/16162295-2448.525.586卵形齿基本完好241.3E1261-A155/12.7193531-363542.452.45卵形齿基本完好明 1井241.3SKHI516M55/12

21、.7163659-4074184.922.24卵形齿磨损严重406.4SKH616S-A1D69/11163493.26-3827.10116.752.86卵形齿有磨损241.3SKHI516M55/12.7166228.00-6526.57953.14卵形齿磨损严重241.3SKHI616M69/12.7166526.57-6827.01983.07卵形齿有磨损马深1 井241.3SKHI616M69/12.7166827.01-7050.55713.15卵形齿有磨损2、井身结构和井下复杂情况等因素的影响，水力参数受到限制，使旋冲工具无法释放全部的潜能。如：马深 1 井 406.4mm 井眼由于井深达到3500m 以上，水力参数和环空携砂能力受到限制；焦页 9 井使用旋冲工具期间发生 4 次井漏，减低了排量和钻压。表 9 旋冲工具使用情况统计井号井眼旋冲工地层井段进尺 m纯钻时