自激振荡式旋转冲击钻井工具在深井钻井中的应用_刘景涛

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近年来，基于黏滑振动理论，旋冲钻井技术应用于 PDC 钻头取得了突破性进展，实现 PDC 钻头提速及提高进尺。自激振荡式旋转冲击钻井工具也在试验中取得了较好的效果。

1 工具介绍1.1 工作原理

旋冲钻井技术是在旋转钻井的基础上，增加一个自激振荡式旋转冲击钻井工具（旋冲短节）产生的高频冲击作用，使钻头承受周期性的冲击载荷辅助破岩。旋冲短节的核心部件是自激振荡器和冲击传递杆，辅助破岩主要有两种方式

（图1）。

图1 旋冲短节工作原理示意图

（1）机械冲击：钻头可以直接与旋冲短节相连，钻井

液高速流经内部的自激振荡器，形成水力脉冲作用于冲击传递杆，产生低幅高频机械冲击力传递至钻头，对钻头施加5~20kN、40Hz左右的冲击力，提高钻头破岩效果。

（2）水力脉冲：钻井液高速流经自激振荡器所产生的水力脉冲再向下传递，经钻头水眼喷出，形成脉冲射流作用于井底，强化井底清洗，改善井底岩石的受力状况，降低岩石破坏强度。

1.2 性能参数

旋冲短节采用自激振荡腔作为水力振荡元件，为保证工具正常工作，钻井过程中必须达到一定的排量；同时为使工具在开泵后能够将冲击振动有效传递至钻头，钻井过程中所施加的钻压必须超过“闭合钻压”。常见工具的性能参数如表1所示。

表1 旋冲短节性能参数表

型号

长度 mm 

外径 mm 壁厚

mm 压力损耗 MPa 使用时间h 耐温

℃排量L/s 闭合钻压 t ZJXC-178123018020.51-2≥200200≥32 2.32ZJXC-203

1320203252-3≥200200≥42 4.31ZJXC-230

1460

230

32

3-4

≥200

200

≥50

6.86

1.3 工具特点

自激振荡式旋转冲击钻井工具在深井钻井中的应用

刘景涛１　李斐１　孙振２

1. 中石化西北油田分公司 新疆 乌鲁木齐 830000

2. 中石化江苏油田工程技术研究院 江苏 扬州 225100

摘要：为进一步提高塔河工区深井、超深井的机械钻速，在该区块试验了旋冲钻井技术。TH10435H井和TH12272井深部井段使用旋冲短节配PDC钻头，取得了良好的提速效果。TH10435H井使用井段：1804~5141.57 m，总进尺3337.57m，纯钻时间165h，平均机械钻速同比提高16.1%；TH10272井使用井段：5172~6318m，总进1146m，总纯钻时间200.6h，机械钻速同比提高 11.96%。TH10435H、T12272井应用结果验证了该技术在深井超深井的适用性，为塔河工区深部地层钻井提速探索了新的途径。

关键词：旋冲钻井；深井；钻井提速

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｅｌｆ－ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ　ｒｏｔａｒｙ　ｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｔｏｏｌｓ　ｉｎ　ｄｅｅｐ　ｗｅｌｌ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ

Liu Jingtao 1, Li Fei 1, Sun Zhen 2

1.The Northwest Oilfield Company, SINOPEC, Urumchi 830000, Xinjiang;

2. The Engineering Institute of Jiangsu Oilfield Company, SINOPEC, Yangzhou 225100, Jiangsu

Abstract：Rotary percussion drilling technology was tested in Tahe Oilfield to improve the penetration rate of the deep and ultra-deep wells. Rotary percussion joints were applied combined with PDC drilling bits in deep sections of TH10435H and TH12272 wells, which brings good results in improving the penetration rate. The section selected for test in TH10435H well is 1804-5141.57m in depth, 3337.57m in the total drilling footage, 165h in drilling time and ROP of the well was improved by 16.1%, while the section selected for test in TH10272 well is 15172-6318m, 1146m, 200.6h respectively and ROP of it was improved by 11.96%. The application of the technology in these two wells proves that it is suitable for deep and ultra-deep wells in improving ROP.

Keywords：rotary percussion drilling; deep well; penetration rate improvement

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（1）工具具有“小振幅、高频率”的特点，可防止PDC 钻头粘滑和自锁现象，有利于在非均质地层钻进；

（2）密封元件耐油、酸、碱，耐温200℃；

（3）工具连续累计使用时间宜控制在200小时以内，若钻井液密度超过1.45g/cm 3，或使用铁矿粉加重，应注意泵压和钻时变化，适当缩短使用时间。该工具适合于低固相、低粘度钻井液；

（4）可用于定向钻井中，安装在螺杆上部，不影响MWD仪器信号传输。

2 现场应用情况

2.1 TH10435H井应用分析

表2列举了TH10435H井与邻井钻进效果对比。TH10435H 是一口三级结构水平井，定向井段为第三开次。二开井眼尺寸250.88mm，为提高二开井段的机械钻速，本井使用了“旋冲短节+螺杆”钻井工艺施工。使用井段：1804-5141.57m，钻遇地层为新近系、古近系、白垩系、侏罗系、三叠系和二叠系，岩性主要为砂泥岩、凝灰岩、英安岩，钻具组合为：250.88mmPDC（TS-1952）+203mm旋冲短节+197mm 螺杆+203.2mmDC*1根+248mm扶正器+177.8mmDC*15根+127mmHWDP*15根+139.7mmDP。

钻井参数：钻压5-8t，排量30-52L/s，转速60-70r/min+螺杆，泵压18-22MPa。钻井液性能：密度1.13-1.30g/cm 3；粘度43-56s；塑粘15-26mPa.s；动切5-7.5Pa。起钻原因为钻遇二叠系火成岩井段钻时慢，旋冲短节纯钻时间已达165h起钻。

旋冲短节使用井段总进尺3337.57m，纯钻时间165h，机械钻速20.23m/h，旋冲短节使用井段机械钻速与邻井相应井段使用常规“螺杆+PDC钻头”钻进方式机械钻速对比情况见表2。

通过对比可以看出，TH10435H旋冲钻井井段平均机械钻速与邻井TH10433H、TH10434井相应井段对比分别提高8.47%、23.73%。

2.2 TH12272井应用分析

T H 12272是一口新三级结构直井，二开井眼尺寸250.88mm，本井二开旋冲短节使用井段5172-6318m，主要钻遇地层为白垩系亚格列木组、侏罗系、三叠系、石炭系、志留系，岩性主要为砂泥岩、泥岩，钻具组合为：250.88mmPDC钻头（MQ516J-5223）+旋冲短节+197mm螺杆+203.2DC*1根+248mm扶正器+203.2mmDC*1根+177.8mm无磁DC*1根+177.8mmDC*8根+165.1mmDC*9根+127mmHWDP*15

表2 TH10435H井与邻井钻进效果对比

井号地层钻进方式入井深度/m 出井深度/m 进尺/m 纯钻时间/h 机械钻速 m/h 效果

TH10435H N 2k-P 2旋冲18045141.57 3337.5716520.23 TH10433H N 2k-T 3h 常规12974651335417418.65+8.47%TH10434

N 2k-C 1kl

常规

1465

5382

3917

240

16.35

+23.73%

根+139.7mmDP。

钻井参数：钻压40-100kN；转速60r/min+螺杆；排量30-32L/s；泵压21-22MPa。钻井液性能：密度1.30g/cm 3；黏度58s；塑粘28mPa.s；动切7Pa。起钻原因二开中完起钻。

旋冲短节使用井段总进尺1146m，纯钻时间200.6h，机械钻速5.71m/h，旋冲短节使用井段机械钻速与邻井相应井段使用常规“螺杆+PDC钻头”钻进方式机械钻速对比情况见表3。

表3 TH12272井与邻井钻进效果对比

井号

地层

钻进方式

入井

深度m

出井深度m 纯钻时间h

机械钻速m/h

效果

TH12272K 1y- D 3d 旋冲51726318200.6 5.71TH12270K 1y- D 3d 常规51786324267 4.30+32.79%TH12256

K 1y- D 3d

常规5172

6318

297

3.86

+47.93%

通过对比可以看出，TH12272旋冲钻井井段平均机械钻速与邻井TH12270、TH12256井相应井段对比分别提高32.79%、47.93%。

3 认识与结论

（1）旋冲钻井工具用于塔河工区深部地层钻井提速有良好的效果；

（2）该工具费用较低，有利于节约钻井成本；（3）该工具可有效保护钻头，提高钻头使用寿命；

参考文献

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[4] 沈建中，贺庆，韦忠良，等．YSC-178型液动射流冲击器在旋冲钻井中的应用[J].石油机械，2011， 6：52-54.

作者简介

刘景涛，男，工程师，生于1987年2月，2012年毕业于中国石油大学（北京），工学硕士学位，现在中石化西北油田分公司工程技术研究院从事钻井工艺技术研究工作。