新型液力衡扭旋沖提速工具的研制及城深1井應用分析

主講人：王春華大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院

新研制的液力衡扭旋沖提速工具具有衡扭旋沖和水力脈沖功能，輔助鉆頭破巖，已在深井堅硬地層提速方面取得較好效果。塔東卻爾卻克組地層研磨性強、機械鉆速低、單只鉆頭進尺少，應用該提速工具在新疆城探1井累計進尺1056.2m，機械鉆速2.65m/h，提速效果顯著，各項指標達到了國外同類產品水平，取得了較好的經濟效益。摘要

液力衡扭旋沖提速工具（如圖1）通過鉆井液提供的動力，周向產生高頻沖擊，軸向產生水力脈沖。鉆壓、旋轉沖擊和水力脈沖聯合作用下，破碎巖石,使鉆頭在傳統刮削破巖的基礎上，增加了機械沖擊和水力脈沖的輔助作用，有效解決了PDC鉆頭在深井硬地層、軟硬交錯地層鉆進時，鉆柱縱向彈跳以及周向“粘滑”問題。工作原理圖14種規格液力衡扭旋沖提速工具外形圖

如圖2所示，液力衡扭旋沖提速工具包括：下接頭、本體、下止推軸承組、沖擊錘頭、盤閥組、旋轉葉輪、導流套、上軸承組、鎖緊螺母和上接頭等零件。工具結構設計

鉆井液通過導流套側面的進液槽帶動旋轉葉輪高速旋轉，使盤閥組的上盤閥旋轉，下盤閥固定在本體上，盤閥組上盤閥的進液孔與下盤閥的沖擊孔和復位孔周期性連通和封閉，使錘頭在周向高頻振動，沖擊下接頭，并帶動鉆頭周向沖擊復合鉆進。此外盤閥組的高速周期性連通和封閉產生水力脈沖作用，更加有利于井底巖屑清洗和運移，減少巖屑的重復切削，進一步提高鉆頭破巖效率。工具結構設計

設計了新型的盤閥體式沖擊機構：1.當進液孔與沖擊孔連通時錘頭沖擊下接頭；2.當進液孔與復位孔連通時錘頭復位。實現了錘頭周向高頻沖擊，輔助鉆頭破巖。上盤閥進液口設計為橢圓，下盤閥沖擊孔與復位孔成92.5°分布，從而實現盤閥旋轉一周，56%的時間一次蓄能，通過沖擊孔釋放，9%的時間二次蓄能，通過復位孔釋放，工具壓耗2.0MPa，沖擊力1.32t,頻率21.7Hz。沖擊結構設計

特殊PDC鉆頭研制

根據液力衡扭旋沖提速工具的工作特點，特殊設計了小傾角多噴嘴式Q635PDC鉆頭，采用抗沖擊PDC復合片，可配合液力衡扭旋沖提速工具在較硬地層鉆進。

沖擊結構設計1.機械鉆速高，提速效果好該工具為鉆頭提供了機械沖擊和水力脈沖的輔助作用，破巖效率更高，同比牙輪鉆頭機械鉆速最高可提高6倍。2.工具壽命高，單趟進尺長

工具內部特殊設計了耐鉆井液沖蝕導流體和高頻抗沖擊機構，使用壽命已達175h，單支工具總進尺最高597m。3.保護鉆頭，井眼規則

與未用工具井段相比，應用工具井段PDC鉆頭磨損較小，使用液力衡扭旋沖提速工具所鉆井眼相對于未使用該工具的井眼更加規則。技術特點

4.適應性強，可滿足不同井型的需求

可在直井、水平井、定向井應用，提速效果顯著。5.現場操作簡單可行、安全可靠

液力衡扭旋沖提速工具配合特殊高效PDC鉆頭現場應用簡單，僅需要將工具和鉆頭接在鉆柱下端即可，無需額外的設備，對現場條件要求較少，現場使用工藝安全可靠。

技術特點

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井約6.9km，設計井深7150m，其中3165m～5507m為卻爾卻克組，巖石較為堅硬，對鉆頭磨損嚴重。主要巖性上部以中厚層～巨厚層狀灰色、淺灰色、褐色細砂巖、粉砂巖、粉砂質泥巖互層；中部以巨厚層狀灰色、深灰色泥巖為主，夾灰褐色、灰色粉砂巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖；下部為巨厚層狀灰色泥巖夾灰色粉砂質泥巖、泥質粉砂巖；底部為薄層灰褐色泥灰巖。參照古城8井平均機械鉆速僅為1m/h左右。

城探1井現場應用情況

城探1井液力衡扭旋沖提速工具共下入四只工具，從三開3040-4400m井段使用液力衡扭旋沖提速工具施工，累計進尺1056.2m，平均機械鉆速2.65/h。液力衡扭旋沖提速工具施工情況表1城探1井液力衡扭旋沖提速工具使用情況表

序號尺寸mm型號井段m進尺m/h純鉆h鉆速m/h層位1241.3工具＋Q635鉆頭4357～4954597141.84.21卻爾卻克組2241.3工具＋Q635鉆頭4954～5258304137.92.20卻爾卻克組3241.3工具＋Q635鉆頭5258～534788.943.62.04卻爾卻克組4241.3工具＋Q635鉆頭5423.7～549066.373.30.91卻爾卻克組城探1井液力衡扭旋沖提速工具施工采用雙鐘擺鉆具組合，具體如下：φ241.3Q635BIT×0.3m+

Φ196mm液力衡扭旋沖提速工具×1.66m+

61/2〞螺旋鉆鋌×9.38m×2+Φ240螺扶×1.56m+

61/2〞螺旋鉆鋌×9.35m+Φ240螺扶×1.55m+

61/2〞螺旋鉆鋌×9.35m×23+Φ165接頭（4A11/520）×1.11m+

51/2〞加重鉆桿×9.35m×15+

51/2〞鉆桿×9.65至井口。

鉆具組合工具現場應用情況

施工參數表2施工參數表鉆壓T轉數rpm扭矩kN.m排量L/s泵壓MPa密度g/cm3粘度s含沙量8～1260～8015～2535181.2447～520.1%古城8井3315m-5605m為241.3mm井眼與本井井眼一致，其鉆頭使用情況如表所示。應用效果分析序號尺寸(mm)鉆頭型號廠家使用井段(m)進尺(m)機械鉆速(m/h)1243.1TS1952BEST3315～40237085.492243.1MS1952SSBEST4031～43903593.93243.1MS1952SSBEST4390～46752853.314243.1U416M扭力沖擊器4675～48752002.245243.1MT1355CS扭力沖擊器4875～50551801.576243.1M1665DBEST5055～5091392.67243.1M1665DBEST5091～51951041.068243.1M1665DBEST5195～53121171.639243.1M1665DBEST5312～5322100.8310241.3SJT517GK川石5322～5356340.6311241.3HJ537G江漢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井液力衡扭旋沖提速工具第一趟鉆，鉆進井段4357～4954m；進尺597m；機械鉆速4.21m/h。同層位古城8井4390～4675m用了一只百施特MS1952SS鉆頭，進尺285m，鉆速3.9m/h，液力衡扭旋沖提速工具與之相比進尺提高109%，鉆速提高7%；古城8井4675～4875m用一只扭力沖擊器，進尺200m，鉆速2.24m/h，液力衡扭旋沖提速工具與扭力沖擊器相比，進尺提高198.5%，鉆速提高88%，各項指標均超過扭力沖擊器，1只液力衡扭旋沖提速工具的進尺相當于1只扭力沖擊器和1只百施特鉆頭的進尺，為施工單位節省1趟起下鉆。第一趟鉆對比情況分析

城探1井液力衡扭旋沖提速工具第二趟鉆，4954～5258m；進尺304m；機械鉆速2.20m/h。同層位古城8井4875～5055m用了一只扭力沖擊器，進尺180m，鉆速1.57m/h，液力衡扭旋沖提速工具與之相比，進尺提高68.9%，鉆速提高40%；古城8井5055～5312m用了3只百施特M1665D鉆頭，平均進尺86.7m，鉆速1.76m/h，液力衡扭旋沖提速工具與其相比，進尺提高251%，鉆速提高25%。1只液力衡扭旋沖提速工具的進尺相當于1只扭力沖擊器和3只百施特鉆頭的進尺，為施工單位節省3趟起下鉆。第二趟鉆對比情況分析

城探1井液力衡扭旋沖提速工具第三趟鉆，鉆進井段5258～5347m；進尺88.9m；機械鉆速2.04m/h。同層位古城8井5195～5312m用了一只百施特M1665D鉆頭，進尺117m，鉆速1.63m/h，由于該只工具比液力衡扭旋沖提速工具提前63m下井，液力衡扭旋沖提速工具與之相比進尺減少了28.1m，但鉆速提高25%；古城8井5312～5322m用了1只百施特M1665D鉆頭，進尺10m，鉆速0.83m/h，液力衡扭旋沖提速工具與其相比，進尺提高789%，鉆速提高146%。古城8井5322～5356m用了1只川石SJT517GK鉆頭，進尺34m，鉆速0.63m/h，液力衡扭旋沖提速工具與其相比，進尺提高161.5%，鉆速提高224%。1只液力衡扭旋沖提速工具的進尺相當于2只百施特M1665D鉆頭和1只川石SJT517GK鉆頭的進尺，為施工單位節省2趟起下鉆。

第三趟鉆對比情況分析

城探1井液力衡扭旋沖提速工具第四趟鉆，鉆進井段5423.7～5490m；進尺66.3m；機械鉆速0.91m/h。城探1井這趟鉆之后，5490-5554m，用休斯Q506鉆頭，進尺64.57m，純鉆時87.12h，平均機械鉆速0.74m/h，起出鉆頭磨損嚴重，新度75%左右。液力衡扭旋沖提速工具與其相比進尺提高了2%，與休斯鉆頭基本一致，鉆速提高23%，減少14h純鉆進時間。

第四趟鉆對比情況分析

1.采用盤閥體式沖擊機構的液力衡扭旋沖提速工具，能夠產生高頻沖擊輔助鉆頭破巖，配合特殊研發的Q635PDC鉆頭可在深層較硬地層中取得較好的提速效果，能夠大幅提高機械鉆速，提高單只鉆頭進尺，減少起下鉆次數，降低鉆井成本。

2.通過城探1井液力衡扭旋沖提速工具4趟鉆使用情況分析及古城8井同層位鉆頭使用情況對比，液力衡扭旋沖提速工具進尺、機械鉆速都達到了國外同類產品相應指標，且液力衡扭旋沖提速工具為鉆井研究院自主研發產品，使用成本低于國外產品，經濟效益高于國外