试论液动旋冲工具在水平井中的应用

试论液动旋冲工具在水平井中的应用

王建

中石化胜利石油工程公司黄河钻井总公司

摘 要：研究区域位于断陷近南北向展布，根据所钻井史资料，上白垩统四方台组、明水组，第三系地层及第四系地层疏松。下白垩统营城组地层岩石可钻性级值高，液动旋冲工具通过压差作用驱动锤头做功，周向上产生均匀稳定的高频冲击力，轴向上产生高频水力加压脉冲，在直井中，取得了较好的提速效果。但在水平井中，工具长度过长无法下入，为加快勘探开发进程，开展了水平井专用液动旋冲工具研制。

关键词：液动旋冲工具；水平井；提速效果

1概述

研究区域位于断陷近南北向展布，面积4300km2。根据所钻12口井的井史资料，上白垩统四方台组、明水组，第三系地层依安、大安、泰安以及第四系地层疏松。下白垩统营城组地层岩石可钻性级值高，平均级值为9.47级，有些甚至超过了分级标准中最高级10级（见图1、图2），机械钻速低，单只钻头进尺少，机械钻速0.86~2.11m/h，平均1.47m/h，单只钻头平均进尺仅为60~100m。

图1某井地层岩石可钻性分级

图2 营城组地层岩石可钻性分级

2计算模型

自主研发的液动旋冲工具，通过压差作用驱动锤头做功，周向上产生均匀稳定的高频冲击力，轴向上产生高频水力加压脉冲，在直井中，取得了较好的提速效果。但在水平井中，工具长度过长无法下入，为加快勘探开发进程，开展了水平井专用液动旋冲工具研制。为保证改进后的工具的顺利下入，对工具可下入长度进行了计算，设计最大井眼曲率为12°/30m。假设套管为刚性，钻杆不受力，且无弯曲，则套管内径：

D1=d1-2h1

式中：d1——套管外径；

h1——套管壁厚。

螺扶弯点至钻头长：

L=L1+L2+L3

式中：L1——钻头长度；

L2——工具长度；

L3——螺杆弯点至端面长度。

式中：ρ——井眼曲率。

当钻头偏移值与井眼曲率偏移值反向时（见图3），总偏移值：

当钻头偏移值与井眼曲率偏移值同向时（见图4），总偏移值：

图3钻头偏移值与井眼曲率偏移值反向

图4钻头偏移值与井眼曲率偏移值同向

最终偏移值：

则所需套管直径：

式中：d钻——钻头直径；

d2——螺杆螺扶外径。

根据现场施工数据对比，计算误差修正系数：

a=0.04305666。

当D1+a≥D时，则工具可以通过。

根据现场施工常用钻头、1.25°螺杆和套管数据，井眼曲率12°/30m时，工具可下入最大长度为 ，计算得L=1.295m。

3结构优化

为解决水平井中液动旋冲工具长度过长无法下入的问题，建立工具长度计算模型，优化完善动力机构及冲击机构，缩短工具长度。形成一套“水平井专用液动旋冲工具+螺杆钻具”的优快钻井方案，在徐深某井进行现场应用，取得了良好的效果。为了满足水平井施工要求，对工具结构进行了优化改进。（1）动力机构优化。创新设计了无轴向载荷的单级叶轮高速动力机构，该机构主要包括导流帽和叶轮两部分，通过导流帽分流窗口侧向进液驱动叶轮，带动冲击机构旋转，取代常规工具多级涡轮结构，缩短工具长度0.78m。（2）冲击机构优化。集成设计了扶正轴承和止推轴承组，设计自扶正冲击机构，减少了扶正轴承和止推轴承数量，缩短工具长度0.08m。通过动力系统及冲击机构改进，工具长度由1.66m缩短至0.8m，小于1.295m，允许最大曲率14.3°/30m，解决了水平井中常规工具无法下入的问题。

4现场应用

水平井专用液动旋冲工具于2015年11月，配合1.25°螺杆在A井进行现场应用。采用⌀215.9mmBIT×0.29m+⌀178mmDQY×0.80m+⌀172mmLZ×8.08m+⌀159mm浮阀×0.60m+⌀159mm变扣×0.5m+⌀159mm坐键×0.9m+⌀165mmMDC×19.76m+⌀159mmDC×275.87m+⌀127mmDP钻具组合，造斜段施工井段2420.00~2775.06m，进尺355.06m，纯钻时间132h，平均机械钻速4.08m/h，入井井斜1.65°，出井井斜14.66°。与本井上趟钻相比，单趟进尺提高9.4倍，纯钻时间提高5.4倍，平均机械钻速提高了2.5倍，使用效果明显。见表1。

5结论

（1）根据理论计算，对液动旋冲工具动力系统及冲击机构进行改进，工具长度缩短了0.86m，允许最大曲率14.3°/30m，解决了水平井中常规工具无法下入问题。（2）在徐A水平井专用液动旋冲工具配合1.25°螺杆钻进，取得了较好的应用效果。

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