0 引言

夏河1井位于新疆塔里木盆地巴楚隆起北部夏河区块。该区块地层古老，岩性复杂，中生界地层缺失，作业风险高。一开ø406.4 mm井眼钻遇古生界二叠系的凝灰岩和玄武岩等，岩石硬度高，可钻性差，存在蹩跳钻和易塌易漏的难点，二开ø311.2 mm井眼上部地层钻遇古生界石炭系、志留系、泥盆系的泥岩、灰泥岩及细砂岩等，地层压实性强、机械钻速低，钻井周期长，是钻井提速的关键井段^[1-3]。统计邻近地区已完钻技术资料，BT5井、和田1井和玛北1井上部机械钻速低(平均0.85 m/h)。为此，在该区域上部地层进行了优快钻井技术研究，对比岩性特征，优选具有抗蹩钻、跳钻能力的恒压恒扭提速工具^[4]，配合PDC钻头，实现机械钻速的提高。

1 制约提速的因素 1.1 地层可钻性差

对比邻井资料，影响夏河1井工程周期的井段主要集中在上部井段，一开50~1 200 m以及二开井段1 200~5 185 m合计钻进周期199 d，周期长的原因是二叠系的玄武岩、石炭系泥灰岩、志留系泥岩、奥陶系白云岩岩性致密，可钻性差，地层硬度高，软硬交错地层蹩跳钻严重，从上至下属于高研磨性难钻地层，奥陶系含变质辉绿岩及辉长岩等特殊侵入体。

1.2 常用技术方案提速效果差

针对塔里木盆地的岩性特点，邻井BT5和玛北1井使用了PDC钻头+螺杆钻具、孕镶钻头+螺杆及空气钻等常用方案，平均机械钻速1.5 m/h，机械钻速提升空间较大，可试验新型的提速工具。

1.3 地层软硬交错，易憋跳钻

上部地层古老，岩石抗压强度高，可钻性差，实钻过程中蹩跳钻严重，相邻井BT5井自井深822 m开始跳钻，钻头断齿、崩齿，导致钻头使用寿命缩短，钻井效率较低，通过强化钻具组合的刚度和使用双向减震器，未能有效缓解跳钻。

2 提速技术方向

由于地层特征和井壁的特殊性，在这种地层中钻井提速只能从破岩工具和钻具组合等技术改进入手。通过分析钻井工程中的破岩机理及大量实践，发现钻进过程中的扭矩是间断传递到钻头上，且不同钻具组合、不同转速时的钻压波动不同，钻压的波动增强了钻柱扭力的振动，使钻头稳定性变差，钻头受到较强的轴向冲击力进而易崩齿、掉齿，使用寿命缩短。同时钻柱在井下受到轴向力和扭力以及上、下振动，长时间的工作会产生疲劳破坏。

钻头在井底切削岩石时，受到周向扭力和轴向冲击力，会产生上下振动和滑动，进而影响钻头的切削效果，如果能够将周向扭力和轴向冲击力连续传递给钻头，就会增加钻头的破岩能力，减轻钻柱震荡，减少切削时滑脱和跳钻现象，同时减小钻压波动，提供连续的稳定钻压，能极大地延长钻具和钻头使用寿命，从而提高钻井效率。

根据以上分析，让井底工具能提供近钻头高速旋转及持续扭矩的同时，也能提供钻头连续接触地层及高频的轴向吸能、放能的能力，且能与长寿命高效钻头极度匹配，将会达到提速提效的目的。

3 恒压恒扭提速工具 3.1 结构

恒压恒扭提速工具^[5-7](见图 1)是新型动力工具，包含旋转动力发生器和轴向脉冲动力发生器。旋转动力发生器输出大扭矩载荷和中、高转速，辅助PDC钻头破岩；轴向脉冲动力发生器产生轴向脉冲载荷以提供稳定的钻压。该工具配合优选的PDC钻头或孕镶金刚石钻头，通过优选钻井参数，优化钻井液性能，并在良好的循环系统条件下，能够实现高效破岩，从而大幅提高机械钻速。

3.2 工作原理

恒压恒扭提速工具是在原有动力钻具的基础上进行改进，形成一种新型的有效提速工具，其核心部分为转速钻压恒定器(见图 2)。其主要由水动力转换器、周向冲击高频发生器和钻压波动控制器等部件组成。钻井液通过水动力转换器将钻井液轴向水动力转换成产生扭矩的周向水动力，再通过周向冲击高频发生器将产生扭矩的周向水动力转化成高频扭转冲击动载荷。

钻压通过钻柱传至钻头前，由于钻压波动控制器的作用，消除了钻柱蹩跳，将钻压控制在合理范围。该工具技术特点如下：工具输出的扭矩载荷和转速高于螺杆钻具，能更好地辅助PDC钻头破岩；井下近钻头动力钻具总成输出扭矩是螺杆的1.5倍；安全使用时间不少于180 h，最高可达300 h；转速钻压恒定器通过机械系统驱动，不受钻井液密度影响，可避免软硬交错地层以及非均质性较强地层等使钻头受到较强的轴向冲击力而导致崩齿、掉齿和钻具疲劳等。

3.3 钻头优选

一开井眼尺寸ø406.4 mm，恒压恒扭工具直径244.5 mm，二叠系含凝灰岩、玄武岩及灰质泥岩，硬度高，研磨性强，蹩跳钻严重，选用高抗研磨性的6刀翼PDC钻头，切削齿16 mm，较小切削震动，延长钻头使用寿命。二开井眼尺寸ø311.2 mm，恒压恒扭工具直径229.0 mm，石炭系至奥陶系地层，岩性有泥岩、泥灰岩、砂泥岩及灰岩等。地层非均质性强，可钻性差，尤其是泥盆系存在一套巨厚细砂岩，选用攻击力强的6刀翼PDC钻头。

3.4 钻井参数优选

钻井参数的选择依据所使用的钻具组合、井下工具、钻头性能、循环系统以及携砂要求^[8-10]决定。一开钻进时钻压为80~100 kN，转盘转速为40 r/min+恒压恒扭工具，排量为56~60 L/s，泵压8~10 MPa。二开钻进时钻压为60~80 kN，转盘转速为40 r/min+恒压恒扭工具，排量为42~55 L/s，泵压12~18 MPa。

4 应用情况

2016年9月7日至2016年11月29日，在夏河1井的上部地层一开ø406.4 mm井眼和二开ø311.2 mm井眼应用了ø244.5和ø229.0 mm 2种尺寸的恒压恒扭提速工具9次，配合使用了进口和国产的高效PDC钻头，取得了较好的提速效果。

4.1 工具使用条件

(1) 地面检查，钻台上连接好钻头和工具后开泵试验，逐渐提高排量直到工具启动，记录排量值、泵压值。再将泵冲增加10冲，记录泵压值和工具运转情况，确保入井工具正常工作。

(2) 工具需要一定的压力损耗以提供足够的能量输出，循环压耗1.5 MPa以上，这就要求钻井泵具有足够的功率，在钻具组合和钻头水眼不断变化的组合中，保障工具需要的水力能量。

(3) 钻具顶端加入除杂滤网，保证钻井液的清洁度，同时维护其性能，使之具有良好的流变性能、携砂能力及护壁性能，提高井壁稳定性，减少井下掉块，以减少蹩钻及卡钻等现象的发生。

4.2 匹配钻具组合

恒压恒扭工具入井位置仅取代以往PDC钻头+螺杆钻具组合中的螺杆，其他钻具位置无变化，钻进时根据需要对PDC钻头选型进行调整。一开钻具组合：ø406.4 mm PDC钻头+ø244.5 mm新型工具+731×830+ø279.4mm钻铤1根+831×730+ ø402.0 mm扶正器+ ø228.6 mm钻铤6根+731×630+ø203.2 mm钻铤6根+ø139.7 mm加重6根+521×DS550+ ø139.7 mm非标钻杆。使用该钻具组合，一开钻进过程中蹩跳钻现象较邻井明显好转，说明该工具在改善蹩跳钻方面优势明显。

二开钻具组合：ø311.2 mm PDC钻头+ ø229.0 mm新型工具+浮阀+ ø228.6 mm钻铤2根+731×630+ ø203.2 mm钻铤6根+柔性短节+随钻震击器+ ø203.2 mm钻铤3根+631×520+旁通阀+ ø139.7 mm加重6根+521×DS550+ ø139.7 mm非标钻杆。

二开钻具组合中加入随钻震击器。因二开井段长，地质情况复杂多变，加入该工具以应对井下突发卡钻等复杂情况。

4.3 效果评价

一开设计50~1 200 m，纯钻时间702.0 h，机械钻速1.64 m/h, 钻进周期43.0 d。实际ø244.5 mm恒压恒扭工具使用井段50~1 365 m, 纯钻时间189.5 h，机械钻速6.91 m/h，钻进周期9.9 d，机械钻速较设计值提高321%。

夏河1井二开设计机械钻速1.86 m/h，恒压恒扭工具工作时平均机械钻速2.10 m/h(见表 1)，机械钻速较设计提高12.9%。

夏河1井使用了外径244.5和229.0 mm 2种尺寸恒压恒扭工具，配合高效PDC钻头，选择合理的钻井参数，共计入井9次，累计进尺达2 633.72 m，纯钻时间808.5 h，平均机械钻速3.26 m/h。邻井BT5井钻至井深3 500 m，平均机械钻速0.83 m/h，使用恒压恒扭工具后机械钻速对比BT5井提高292.8%，取得了显著成效。

5 结论及建议

(1) 恒压恒扭工具配合高效PDC钻头，作为一种新型动力钻具组合，为钻头提供稳定的钻压和输出恒定的高扭矩值，在硬脆性地层发挥出高效钻头的破岩作用，同时在钻压波动控制器的作用下，缓解蹩跳钻对钻头和钻具的损伤。

(2) 恒压恒扭工具在硬脆性地层的提速效果显著，大尺寸外径的工具具有可靠性好，提速效果明显的特点，机械钻速较邻近BT5井提高292.8%，适合在复杂地质条件下的大尺寸井眼及地层可钻性差的井眼推广应用。

(3) 恒压恒扭工具的理论入井时间长达300 h，因地层和钻头寿命等多方面因素，使用最长纯钻时间189.5 h。建议选择合适的钻井项目试验，并确认工具的安全使用时间上限，从而为后期推广使用提供依据。