扭力冲击器在吐哈油田石炭系硬地层的应用

在石油钻井中，高强度高研磨地层是钻井过程中瓶颈问题，综合国内各油田钻井情况分析，在钻遇高研磨性地层时，存在机速低、钻头磨损严重，进尺少的情况。

1 三塘湖石炭系地质构造

三塘湖构造特征总体具有南北高、中部凹，东高西低的特点，西北部及南部受断层控制，总体呈北西—南东向展布。北界的边界断层为一枢纽性断层，北西—南东走向，倾向南西，平面延伸规模大于10km，垂向断距北西方向大、南东末端小，一般小于100m。断层纵向上局部延伸至上侏罗统顶界，从地震剖面上可以看出，大致在西山窑组附近断层就可以得到有效封堵，在石炭系卡拉岗组，断裂发育破碎带反而成为火山岩的最有效储集层。

该区内井自上而下钻遇的地层有：新生界第四系(Q)、第三系（R）；中生界白垩系吐谷鲁群（K1tg）、上侏罗统齐古组（J3q）、中侏罗统头屯河组（J2t）、西山窑组（J2x）、三叠系上中统小泉沟群（T2-3xq）；上古生界二叠系中统芦草沟组（P2l）、石炭系上统卡拉岗组（C2k）和哈尔加乌组（C2h）。

2 前期钻井情况

该区块石炭系地层存在火山角砾岩、凝灰岩等极硬岩石，岩石致密，可钻性差，研磨性强，同时存在夹层，钻井中易导致钻头先期崩齿，进而造成钻头磨损，影响钻井机速（平均段长704.4m，机械钻速1.92m/h，单只进尺155m，使用钻头4～5只）。使用牙轮钻头钻进，行程短，机速低，易断齿，钻头巴掌磨损严重（平均单只进尺134.18m，平均机速1.55m/h）。使用PDC钻头提高了机速和行程进尺（单只进尺180～225m，机速1.6～2.35m/h）。但使用过程中存在钻头磨损严重的问题。其主要原因是由于地层的不均质性钻进过程中存在“粘滑现象”，其次复合片抗冲击差，抗研磨性差，发生粘滑是易造成崩齿，导致钻头先期损坏，影响机速。

3 石炭系岩性特点级可钻性分析

该区石炭系卡拉岗组主要为火山溢流相沉积环境，目的层段岩性复杂，为褐色玄武岩、绿色辉绿岩、黑色玄武岩、紫红色泥岩、灰色荧光砂砾岩、灰色荧光凝灰质细砂岩、细砂岩，泥质含量11%，粘土矿物含量主要是蒙脱石、伊利石和绿/蒙混层。该套地层遭受沉积时期的地表水的淋滤作用较强，在卡拉岗组顶部容易形成物性较好的淋滤带，次生孔隙及微裂缝发育。

根据卡拉岗组油层段岩心分析，石炭系岩性以玄武岩、安山岩为主，地层孔隙较发育，其孔隙度在6%～19%，渗透率为0.75×10-3～24.3×10-3μm2，为中低孔低渗、裂缝-孔隙型储层。

利用测井数据得出石炭系地层岩石硬度在135～270MPa，可钻性级值在6～8，属于抗压强度高、硬度高的极硬地层。

4 优选个性化钻头

优选个性化PDC钻头1#特点：①采用长抛物线冠形，增加外锥长度提高钻头抗冲击能力。②采用美国SMITH公司生产的16mm XM49抗冲击切削齿，提高抗研磨性能和热稳定性能。③采用双排齿设计，副切屑齿与主齿同轨迹切屑，有效保护主齿，弥补主齿切削不足，提高钻头的稳定性和抗研磨能力。④强化保径设计，保径齿采用金刚石聚晶块，提高保径齿抗研磨性，有效保护钻头，延长钻头寿命。

优选个性化PDC钻头2#特点：①主切屑齿采用非平面屋脊齿设计，钻头抗冲击性提高20%～30%，钻头行程时间提高62%，提高了钻头的抗研磨性和抗冲击性。②采用PDC复合片、锥形齿混合布齿，锥形齿增加破碎岩石效果，提高硬地层钻进效率。同时锥形齿能有效控制钻头吃入深度，避免扭力波动，形成点攻击，在定向滑动过程中能有效提高工具面稳定性，提高造斜率，降低底部钻具组合震动。

5 扭力冲击器提速工具

扭冲提速工具主要由本体、芯轴、配流盘、冲击锤、铁砧以及下接头等组成。扭冲提速工具的核心部件主要包括铁砧、冲击锤和配流盘三大部分。扭冲提速工具下接头与PDC钻头相连接，上部连接钻铤。该工具的工作原理是：当扭冲提速工具铁砧、冲击锤和配流盘处于正面冲击位置时，钻井流体进入扭冲提速工具内部，高压流体作用在冲击锤的锤面上，从而给冲击锤一个单向作用力，在该作用力的作用下，冲击锤沿轴向逆时针旋转至铁砧的冲击面后限位，从而形成一次冲击作用；当该冲击作用完成后，高压流体又对冲击锤形成一个顺时针的作用力，驱动冲击锤沿径向顺时针旋转至原始位置，从而形成第二次冲击作用。由于冲击锤对于铁砧的往复冲击作用，使得该冲击力经铁砧传递至钻头，从而给PDC钻头一个额外的剪切冲击力。扭冲提速工具能有效地将流体能量转换成扭向的、高频的、均匀稳定的机械冲击能量并直接传递给PDC钻头，使钻头和井底始终保持连续性。减少了钻具旋转积蓄扭力的时间，使钻头持续切削地层，使用扭力冲击器的PDC钻头上有两个力在切削地层，一个是转盘提供的扭力，一个是扭冲提速工具提供的力，扭力冲击器提供的力对钻杆并不产生任何作用和改变整个冲击能量荷载，该力只作用在钻头本体。这时侯钻杆的扭矩基本是稳定的。钻杆传达的扭矩可以完全用于切削地层，而不会浪费。

6 应用效果

扭冲配合PDC钻头在石炭系钻进，相比邻井机速提高49%，钻头行程时间提高85%，行程进尺增加53%。

7 结语

（1）石炭系地层岩性杂、岩石致密、可钻性差是造成钻头磨损和崩齿的主要原因；

（2）应用扭力冲击器配合个性化PDC钻头能有效减缓钻头粘滑效应，提高钻头使用时间和机速。