罗 欢

（中国石油长城钻探公司工程技术研究院，辽宁 盘锦 124010）

国内外现场实践已证明旋冲钻井技术可有效降低钻井综合成本，缩短钻井周期，提高油气勘探开发效益。近年来，随着油气钻井向深部发展，硬地层钻速慢的难题日益突出，旋冲钻进技术是当前解决硬岩钻进难题最有效的技术方法之一，其与普通回转钻进技术相比能够提高钻进效率30%以上[1-2]。旋冲钻井技术是在旋转钻井基础上，在钻头上增加一个由冲击器产生的高频冲击作用，使钻头承受周期性的冲击动载作用。应力变化很快超过岩石强度极限，使岩石脆性增加塑性下降，并迅速产生脆性破坏坑，进而提高破岩效率[3-5]。实现旋冲钻井的主要工具是液动冲击器，一般装在钻头上部，它是一种使用液体（泥浆或清水）作为动力，实现轴向产生高频动载冲击，径向带动钻头回转切削复合破岩，提高破岩效率[6]。工具具有结构简单、性能可靠、启动灵活、工作稳定、冲击载荷可调可控、循环压降较小等特点，其井下工作寿命一般在100h 以上。液动射流冲击器配合牙轮和PDC钻头使用，不影响钻井液循环，适用于4级以上地层直井、定向井及水平井钻井提速[6-8]。

静73-21 井位于辽河油田沈阳采油厂沈84-安12区块，为二开定向井，设计井深2649.35m，最大井斜30.39°，采用∅139.7mm套管完井。针对该井存在的钻时慢、定向困难等技术难题，结合本区块的地层岩性特点，通过优选钻井参数以及钻具组合，试验应用了射流式液动旋冲钻井工具。现场应用表明，旋冲钻井技术在提高硬地层机械钻速、缩短钻井周期、降低钻井综合成本等方面都有较好效果。

1 旋冲工具结构原理

采用∅178mm 射流式液动旋冲钻井工具，工具主要由上接头、射流元件、液缸及活塞、冲锤、八方套、砧子等组成。冲击器上、下接头分别同钻铤和钻头连接，钻井液循环时，冲击器接触井底即开始工作。利用射流元件附壁原理[6-8]，使钻井液交替从缸体上下腔进出，从而使活塞上下运动，并带动冲锤冲击砧子，砧子可以在八方套内上下滑动，砧子将冲击能量传递给钻头，钻压和扭矩经钻铤通过冲击器筒体和八方套传递给钻头（见图1）。冲击功过大或者过小都达不到理想提速效果，必须优选出最合适的冲击功，才能减少钻头磨损和崩齿。因此结合应用井实际地层和井段特点及匹配的钻头类型优选确定旋冲工具的性能和参数。

2 工具性能参数确定

2.1 钻具组合设计

液动射流旋冲钻井技术现场应用时，只需在原钻具组合中增加射流式液动旋冲钻井工具。由于旋冲工具在整个钻具组合中的位置会直接影响钻进效果，特别是定向阶段，因此，很有必要针对特定井型和地质情况进行钻具组合优选，以期达到最优提速效果。钻具组合的设计原则是：不改变原钻具组合的序列；不影响井下仪器的工作及信号传输；最大限度发挥液动射流冲击器的作用[9]。

当原钻具组合中没有螺杆等井下动力钻具时，射流式液动旋冲钻井工具可以直接与钻头连接，以最大限度发挥其冲击能量，推荐钻具组合：钻头+射流旋冲工具+（螺杆）+常规钻具组合；当原钻具组合中有弯螺杆等动力钻具和MWD 等定向仪器时，常常将射流式液动旋冲钻井工具放置在螺杆等动力钻具与MWD之间，这样既不会影响定向钻进，又由于射流旋冲工具更加靠近钻头，能量损失较小，推荐钻具组合：钻头+螺杆+射流旋冲工具+MWD+常规钻具组合。

结合工具在静73-21井应用地层及配套PDC钻头性能和邻井实钻资料，入井钻具组合确定如下：215.9mmPDC 钻头+172×1.25×212 螺杆+212 球扶+411×431 变扣+射流旋冲工具+411×410 浮阀+411×4A10 变扣+4A11×4A10 定位接头+165mm 无磁钻铤 1根+165mm钻铤2根+4A11×410变扣+195mm防卡+加重钻杆15根+127mm钻杆。

2.2 核心部件缸体设计

针对大多数射流旋冲工具试验应用过程中，缸体流道采用橡胶密封方式，密封很快失效，采用焊接方式构成缸体流道，但焊缝在高压交变压力和冲击振动下产生开裂，造成缸体失效，成为制约射流旋冲工具工业化应用的瓶颈[10]。为解决上述问题，通过优选高强度、高耐磨、高韧性材料，消除橡胶密封和焊接等老式工序，直接铸造成型，并通过表面渗氮等一系列处理措施，有效提高了工具核心部件缸体的有效寿命。同时通过理论计算和数值模拟，优化了射流旋冲工具水力结构，最终标定了工具相关尺寸。在活塞运动过程中，缸体最大应力点在缸体内壁上，最大值为774.5MPa，小于缸体材料的屈服强度（1300MPa），数值模拟结果见图2。

2.3 旋冲钻井参数设计

旋冲钻井参数主要包括：钻压、排量、转速、冲击功以及冲击频率等，即在原有钻井参数的基础上增加了旋冲钻井工具的性能参数（冲击功和冲击频率）。通常情况下，常规钻井参数保持原钻井设计参数不变，冲击功和冲击频率则依据拟应用井段的岩石抗钻特性（抗压强度）确定。通过试验分析，岩石的抗压强度与破岩冲击功存在匹配关系，岩石产生体积破碎需要一个最小的冲击功，不同岩石体产生体积破碎所需要的最小冲击功不同，存在一定的规律[11-12]。根据上述规律可以通过改变冲锤的质量与行程、活塞行程、分流孔径的大小等方式得出最优冲击功，之后再确定冲击频率等参数。结合静73-21 井钻进特点，对射流旋冲工具性能参数进行了调整，并对调整后射流旋冲工具进行了系统性能测试。通过测试得出了工具结构参数、冲击力及冲击功对射流旋冲工具工作性能的影响规律（如图3 所示），为优选旋冲钻井参数提供了理论依据。

根据地质设计及实钻资料，确定在馆陶组—沙河街组开展射流式液动旋冲钻井工具现场试验，该段地层岩性主要以含砾砂岩和细砂岩为主。现场泥浆泵排量在30～38L/s，考虑到工具破岩效果和对钻头的影响，确定射流旋冲工具结构参数为（相关数据见表1）：外径178mm，长2483mm，上接头扣型API410，下接头扣型API430；其性能参数为：冲击功250～450J，冲击频率9～14Hz，冲锤长1003mm，冲击液缸长210mm，压耗1～3MPa，分流喷嘴10mm ×2。

表1 旋冲钻井参数设计

3 旋冲钻井技术现场应用情况

3.1 工具钻台试冲

通过钻台试冲检验射流旋冲工具工作的稳定性。射流旋冲工具上接一柱加重钻杆，同时与方钻杆接好，下接测试接头，同时接好回水管线，将测试接头坐稳在转盘上。开泵，记录射流旋冲工具开始工作时的排量，此排量为射流旋冲工具启动排量。之后逐渐提高排量，检验射流旋冲工具在不同排量下的工作情况，同时记录其对应排量下的泵压。表2 为射流旋冲工具钻台试冲数据，工具压耗情况见图4。

表2 钻台试冲数据记录

钻台试冲结果表明：当排量为13L/s 时，射流旋冲工具正常启动，随着排量的提高，射流旋冲工具冲击频率和冲击功相应增大，试冲结果表明工具工作正常，可以下井进行应用。

3.2 应用情况及效果

按照施工方案确定的旋冲钻井参数，在辽河沈84-安12 区块静73-21 井馆陶组—沙河街组沙三段井段应用了射流式液动旋冲钻井提速技术，该井为二开定向井，设计井深2649.35m，垂深2403m，最大井斜30.39°，采用∅139.7mm 套管完井，目的层为沙三四段，使用的钻头为M1955JA PDC 钻头（见图5）。

本次现场试验共应用1套射流旋冲工具，工具整体进行了1井次的现场应用。射流旋冲工具应用井段为380～2049m，钻遇地层岩性为灰白色砂岩、含砾砂岩、灰色泥岩与灰色中—厚层不等砾砂岩、含砾不等砾砂岩和中—细砂岩互层。钻井参数为：钻压35kN，转数70r/min+螺杆，排量38L/s；泥浆主要参数：密度1.19g/cm3，粘度45s。当钻进至2049m钻速变慢，考虑到钻头达到了正常钻井情况下的使用寿命以及避免钻头掉齿，保持井底清洁等原因井队决定起钻。起出井钻头情况见图6。钻头3 刀翼2 号和3 号切削齿有轻微崩齿，这主要是由于地层含砾造成的，与前面转盘钻井钻头崩齿情况相同（地层含砾造成），其他刀翼切削齿情况基本完好。

3.3 提速提效分析

工具入井试验，井口试冲压耗2.1MPa，从二开馆陶组386m 累计钻进至沙三段2049m，累计入井时间150h，累计钻进进尺1663m，平均机械钻速24.82m/h，相比静69-A147等邻井机械钻速平均提高18.92%（见表3）。采用旋冲钻井过程中工具工作正常，钻进过程中扭矩平稳，未出现憋、卡等现象，突显了旋冲钻井防粘滑、防憋卡的技术特点。同时，工具在定向段期间，工具面平稳，容易定向，井下安全可靠起到了防托压的效果，获得井队和定向方的认可，为下一步工具的深化研究夯实了基础。

表3 与邻井机械钻速对比

由表3 可以看出：在静73-21 井馆陶组—沙河街组沙三段使用旋冲钻井工具相比邻井有较好的提速效果，验证了使用射流式液动旋冲钻井可以有效提高钻井速度。通过此次应用可知在正常钻进条件下，使用液动射流旋冲钻井技术，机械钻速同比可以得到有效提升，为该区块沙河街组深部地层钻井提供了一种新的有效提速技术手段。

4 结论

（1）在深部中硬地层中，通过优选合理的旋冲钻井参数，有利于保护钻头，延长钻头的使用寿命，提高钻进效率，降低钻井成本。

（2）根据钻具组合优化旋冲钻井参数，∅178mm射流式液动旋冲钻井工具匹配钻头优选，在静73-21 井∅215.9mm 井眼成功提速，较邻井机械钻速平均提高了18.92 %，为该区块实现提速提供了实践经验。

（3）静73-21井的应用实践证明，基于射流式液动旋冲钻井工具与PDC 钻头及螺杆配合的钻具组合在沈84-安12 区块沙河街组中上部的应用，其提速效果得到了充分的证明，在沙河街组以下地层提速效果还需进一步验证。