恒压恒扭工具在渤海油田中的应用

陈冬毅 徐 鲲 张作伟 吕 广 张 鑫 郭小明

（1、中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300459 2、中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300450）

随着渤海油田开发的不断深入，浅层易开采地层越来越少[1]，近年来，主要勘探渤海深层难开发地层，而这类地层主要含砂砾岩、砾细砂岩、细砂岩夹灰质泥岩[2]，该类地层胶结比较致密、硬度大、抗压强度较高、纵向上地层非均质性强，研磨性强，并且地层软硬交错变化比较大，钻进时易频繁出现憋钻和跳钻等现象；在钻定向井过程中，定向井轨迹复杂，井眼轴线弯曲度较大，钻杆易与井壁产生很大摩擦，钻杆施加在钻头上的钻压减少，尤其是大斜度井和水平井，托压现象很严重，严重降低钻井速度；钻头和钻杆之间是刚性连接，地层不均质，当钻头受到地层非正常的冲击时，容易造成钻头切削齿过早磨损，存在机械钻速低，钻井周期长，钻井成本高等问题[3,4]。

通过对钻井过程中钻头破岩机理分析和大量实践证明，钻进时扭矩是间断性传递到钻头上的，钻头受到轴向的冲击力和周向扭力，能够使钻头振动和滑动，并且钻压时刻在波动，导致钻头在钻进过程中稳定性变差，钻头受到较强的冲击力，出现崩齿、掉齿等现象，损坏钻头，降低钻头使用寿命[5-7]。针对此问题，如果井底钻具能够提供给钻头稳定并且持续不断的扭矩，并且还能提升钻头连续触地层的能力，就会大幅度提高钻头的破岩效率，从而提高钻井时效[8]，本文以恒压恒扭工具为研究对象，分析其在渤海区块钻井中的适应性，并以后钻井提供技术参考。

1 恒压恒扭工具钻井提速技术

1.1 结构

恒压恒扭工具主要由动力钻具和转速钻压恒定器组成。该工具的核心部分转速钻压稳定器，其包括水动力转化器、周向脉冲动力发生器和钻压波动控制器组成[8]。

1.2 工作原理

钻井液通过水动力转换器将轴向水动力转换成周向持续不断的扭矩动力；周向脉冲动力发生器为钻头提供周向的高频冲击载荷，辅助PDC钻头破岩，降低了粘滑现象和定向井作业过程中发生托压的概率；钻压波动控制器为钻头提供连续的稳定钻压，消除憋钻、跳钻现象，将钻压控制在合理的范围之内，能极大地提高机械钻速和钻头使用寿命，提高钻井效率[7]。

1.3 技术优势

通过调研和现场实践表明，恒压恒扭工具常用的技术参数如表1所示。应用恒压恒扭工具使井下近钻头部分的钻具输出扭矩大，随着工具本体尺寸的增加，输出扭矩增大，在本体尺寸为286mm时，输出扭矩可达到34kN·m，钻头相匹配的恒压恒扭工具的输出扭矩能够满足施工条件；在低扭矩载荷情况下，该工具输出的转速比螺杆工具低，有利于延长PDC钻头的使用寿命，增加钻头进尺。井下使用寿命较长达到了300h，循环时间最低为180h，最高为240h，降低起钻次数，增加钻井时效。工具内部使用耐腐蚀配件，可耐油基和高浓度盐水的钻井液；抗温性强，最高抗温180℃，耐压可达到35MPa。在能量转换和传递方面，能量损失较小，压耗远低于螺杆钻具，与其他钻具相比不存在高泵压作业的风险，降低安全事故发生的概率。恒压恒扭工具冲击频率较高，单位时间内增加破岩效率，有利于快速钻进。恒压恒扭工具能够适当调整角度，可以适当提高井眼扩大率，方便后续下套管等作业。

表1 恒压恒扭工具技术参数

1.4 恒压恒扭工具和马达的对比

渤海某井基本参数如表2所示，钻进参数如表3所示。

表2 某井基本参数

表3 钻井参数

同井段作业中，恒压恒扭工具的机械钻速比马达机械钻速提升了25%，提速效果明显。

2 恒压恒扭工具的应用

2.1 油田地质简介与工程概况

龙口25-2构造位于渤南低凸起向黄河口凹陷倾没的断阶带上，南部渤中36-1油田及西部渤中29-6油田的成功勘探证明，本构造处于油气从黄河口东洼及黄河口中洼两个生烃凹陷向渤南低凸起运移的有利区带，该构造整体埋深较浅，构造区内次生断层发育，具有优越的运聚条件，研究区发育多条强活动断层，浅层亮点发育，表明油气运移活跃。油田钻遇地层自上而下为：平原组、明化镇组、馆陶组和中生界。本井设计的井身结构：20"&13-3/8"×416.09 m/16"×428.00 m+9-5/8"×1702.65 m/12-1/4"×1705.00 m+8-1/2"×1823.00 m。LK25-2-1井为龙口25-2区块第1口探井，由于地层缺失，在1705m就钻进潜山地层，其中1705～1796m蚀变安山岩：灰色，少量黄褐色，成分主要为长石，少量角闪石，部分长石风化成高岭土，角闪石局部绿泥石化；1796～1823m安山岩：灰色，部分深灰色，成分主要为长石，少量角闪石，角闪石局部绿泥石化，致密，坚硬。中生界岩石可钻性差，研磨性强，不易打钻，应用普通马达难以提升机械钻速，对钻头磨损比较严重，增加施工成本，在三开8-1/2"井眼段应用恒压恒扭提速工具。

2.2 钻具组合及参数优选

钻具组合为：8-1/2"BTS545+6-3/4"恒压恒扭工具+6-1/2"DC+8-1/2"STB+7"堵漏短节+6-1/2"DC×15+5"HWDP×14。钻 井 参 数：钻 压3～8t，排 量1700～2000L/min，泵压9～12MPa，转速40～60r/min，扭矩2～7kN·m，机械钻速为13.9 m/h，累计进尺118m，纯钻时间为8.5 h。该钻具组合一趟完成本次钻井作业，应用恒压恒扭提速工具可以有效保护钻头，为钻头提供稳定扭矩；出井钻头基本无磨损。恒压恒扭提速工具能够有效提升钻井速度，机械钻速达到相关要求。

3 结论

3.1 恒压恒扭工具性能稳定，对于不均质严重的地层能够为钻头提供较稳定的钻压和连续扭矩，降低钻头泥包几率和钻头磨损程度，提高钻头的破岩效率，降低成本。

3.2 恒压恒扭工具压耗比马达压耗小，能够提供较大排量，增加携砂性；耐高温高压，持续作业时间长，减少因动力故障而起钻的次数，提升钻井效率。

3.3 恒压恒扭工具在渤海两口井应用效果较好，其中一口井机械钻速提升了25%，达到了提速提效的目的。