川东北元坝地区天然气资源丰富，储层圈闭资源量达6000亿方以上，该区块是中国石化继普光气田之后天然气增储上产的又一重点探区。目前已有10多口井获得工业气流，天然气最高无阻流量达到751×104 m3/d，揭示了元坝气藏良好的勘探前景。但是元坝探区陆相地层硬度高、非均质性强，在上沙溪庙组以浅地层应用成熟的气体钻井技术，钻井速度较快;上沙溪庙组以深的千佛崖、自流井、须家河地层，由于研磨性强、可钻性极差，虽然采用了不同厂家多种型号的钻头和多种钻井方式，平均机械钻速仍然难以突破 1.0m/h，成为制约元坝提速的瓶颈。

　　元坝陆相地层

　　钻速瓶颈急需破除

　　元坝陆相地层埋深平均在4800m左右，砂泥岩交错、多为硅质胶结、岩性致密、非均质性强，岩石抗压强度在68.89~148.05MPa之间，岩石内摩擦角为26.65~48.44°，可钻性级值达5~8级，属高硬度、高研磨性地层，导致机械钻速低、钻井效率低、钻井周期长。

　　陆相上沙溪庙组以浅地层应用气体钻井技术，平均机械钻速达到8.82m/h，而下沙溪庙、千佛崖、自流井、须家河组由于地层不稳定，井壁易发生掉快、垮塌现象，导致气体钻井无法实施;应用常规钻井机械钻速低，平均机械钻速0.95m/h，单只钻头进尺仅57.5m，见表1。地层厚度占全井的20%，但钻井时间占全井钻井周期的39%。由此可见，元坝提速的关键是实现陆相地层机械钻速的提高。

　　但是由于地层研磨性强、可钻性差，蹩跳钻严重，PDC钻头一直未得到推广应用。为此，引进加拿大阿特拉公司的扭力冲击器配合PDC钻头在陆相地层进行试验。

　　扭力冲击器配合PDC钻头

　　提高钻速与使用寿命

　　扭力冲击器(TorkBuster)是加拿大联合金刚石公司(United Diamond)和阿特拉公司(Ulterra)合作研发的一种新型工具，主要用于PDC钻头的辅助破岩，作为一项相对较新的技术，自2000年提出构想至今已经应用了2100多次，现场应用效果良好。

　　发展背景 在井下，PDC 钻头的运动是极其无序的，包括横向、纵向和扭向的振动及这几种振动的组合。井下振动会损坏PDC 切削齿，引起钻头寿命缩短;引起的扭矩波动易干扰定向控制和随钻测井(LWD)信号，导致井身质量的降低。

　　为了减弱影响正常钻井的井下振动，消除钻头粘滑现象，研发了扭力冲击器。它在钻头上增加一个额外的扭力方向(旋转方向)的均匀稳定的高频冲击力 (750~1500次/min)，改变了PDC钻头的运动状态，相当于每分钟750~1500次切削地层，大大提高了PDC钻头的破岩效率，实现了机械钻速和使用寿命的显著提高。

　　工作优点 配合PDC 钻头使用，以冲击破碎为主，加以旋转剪切岩层，在保证井身质量的同时提高机械钻速;将钻井液的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;消除钻头粘滑现象，减少反冲扭力，有助于提高钻头的耐久性，延长钻头使用寿命;减弱了钻柱上的扭力振荡，从而降低了下部钻具组合以及钻杆的疲劳程度。

　　结构特点 结构合理，纯动力机械设计，无电子元器件，无橡胶件;最高耐温210℃ ，扭转冲击频率可达700~1500次/min;不会产生阳极脉冲;可自带稳定器，起到防斜作用，保证井身质量;使用时不影响录井和测井，不会对MWD产生影响;长度0.68~1.2m，可用于不同钻具组合;可与井下动力钻具配套使用。

　　合理选型

　　应用效果更明显

　　扭力冲击器选择 针对元坝下沙溪庙、千佛崖组地层研磨性强，常规钻井机械钻速低的问题，选择阿特拉扭力冲击器在该地层应用，井眼尺寸为Φ311.2mm，对应选择Φ279mm扭力冲击器，主要参数见表2。

　　配合钻头的合理选型 下沙溪庙组及以深地层岩性砂、泥岩互层，软硬变化大，钻头使用不稳定;砂岩多为硅质胶结，岩性致密、硬度大、研磨性强、可钻性级值平均约在 6 级以上，最高8级，岩层可钻性极差;地层对钻头磨损严重，钻头失效快，单只钻头进尺较少。针对地层特点，选择阿特拉公司的UD513 PDC钻头，该钻头是专门为配合扭力冲击器使用而设计，选用抗研磨性强的UTechXTTM PDC 复合片，它用改进的金刚石合成方法制造，通过混合金刚石颗粒大小既能优化抗研磨性，又能优化抗冲击性。

　　目的是通过扭力冲击器改变钻头工作方式，将切削地层的扭力最大化并直接作用在钻头上，从而提高机械钻速，减少有危害的钻头振动，降低夹层对PDC的影响，使钻头可以在井底平稳运作，从而延长钻头寿命。钻井参数设计，见表3。

　　扭力冲击器及配合钻头使用技术要点 一是入井前准备工作：准备两个完好的钻杆滤清器;调整钻井液性能，维护井壁稳定性，充分循环清洁钻井液，降低含砂量和固相含量;确保泥浆泵运转正常，工具工作排量为50~56L/s。二是工具测试及下钻：工具在钻台面进行短测试，排量从20L/s开始至最高排量;下钻过程避免在套管中大排量开泵循环，尽可能减少套管中开泵时间;若遇阻尽量避免大井段划眼;下至距离井底10~20m开泵，避免钻头直接接触井底或井底沉砂，防止堵塞水眼，到底之后检查泵压、排量，看是否正常，禁止低排量情况下接触井底。

　　三是钻进：造型钻压20~40KN，转速60rpm，造型进尺20cm;正常钻进钻压一般不超过160KN，转速55~65rpm，在泥岩中或机械钻速较快地层为可调整至最高90rpm; 根据钻时快慢，及时观察、判断工具和钻头情况;观察返出岩屑，是否有大量掉块、铁屑、石英等特殊岩屑，注意观察钻井参数;每个单根需及时清理钻杆滤子。四是起钻：起到套管鞋和封井器位置，注意提升速度，平稳操作;卸掉工具和钻头时同样避免直接接触钻台面。

　　YB272井应用情况 YB272井是部署在川东北巴中低缓构造的一口水平开发评价井，设计井深7597m，设计完钻层位是长兴组。为提高三开陆相地层机械钻速，采用阿特拉扭力冲击器配合UD513 PDC钻头钻进，同时采用液体欠平衡钻井工艺，现场共实施3趟钻进，详见表4。

　　钻具组合：Φ314.1mmUD513PDC钻头+Φ279mm扭力冲击器+浮阀+Φ241.3mm钻铤2根+Φ305mm扶正器+Φ241.3mm钻铤4根+Φ203.2mm钻铤6根+Φ177.8mm钻铤×3根+Φ139.7mm斜坡钻杆。

　　钻井参数：钻压120~140KN;转速70rpm;排量51~56L/s;立压18~19MPa。

　　从图4中可以看出，第1趟钻机械钻速显著高于后2趟，主要是由于在上沙溪庙组钻进，地层可钻性较好;第2趟钻由于钻头磨损较为严重，钻时逐渐变慢，更换钻头后，在第3趟钻，钻时显著加快。另外由于地层软硬交错(砂岩和泥岩互层)，钻时变化大，最快钻时为3min/m，最慢钻时达到84min/m，尤其是进入下沙溪庙组地层以后，平均2~3m就发生岩性变化，导致钻时波动更加显著，对PDC钻头的使用和机械钻速影响很大。

　　现场共使用2只PDC钻头、3套阿特拉扭力冲击器。实钻井段为3123.57~3630.08m，总进尺506.51m，纯钻时间225.83小时，平均机械钻速2.24m/h， 较相邻井段应用的牙轮钻头进尺增加2倍以上，机械钻速提高1.4倍，表明应用扭力冲击器配合UD PDC钻头，能够较好的克服地层硬度高、软硬交错的影响。

　　综合应用指标分析 自2010年在元坝10井成功应用扭力冲击器提速以后，在元坝地区累计应用已达到9井次，详见表5。平均单只钻头进尺达到151.54m，平均机械钻速 2.21m/h，同比2009年牙轮钻头进尺增加163.55%，机械钻速提高127.63%，实现了陆相坚硬难钻地层机械钻速的重大突破，见表5。

　　扭力冲击器配合PDC钻头较好的解决了元坝陆相地层常规钻井机械钻速低的难题，在提高机械钻速的同时，延长了钻头的使用寿命。

　　在地面设备允许的条件下，应尽量提高排量，避免低转速且排量不足的情况下发生钻头泥包。建议继续推广应用扭力冲击器配合PDC钻头钻井技术，并在下部自流井和须家河组开展试验，延长工具应用井段，同时加大国产化研究力度，以降低成本。