自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具的優(yōu)化及應(yīng)用

路峰

摘 要：自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具是鉆井提速的主要措施之一。通過實(shí)驗(yàn)證明，影響其性能的主要因素是上、下噴嘴直徑，兩腔室連接處直徑和腔室尺寸。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料優(yōu)選和處理工藝優(yōu)化三方面進(jìn)行了針對(duì)性的強(qiáng)化設(shè)計(jì)。大大提高了工具的使用壽命和提速效果。在牛28-斜15井得到成功應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊；性能；強(qiáng)化設(shè)計(jì)；牛28-斜15

自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具是通過適當(dāng)?shù)乃δ芰哭D(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，將水力能量的脈動(dòng)效應(yīng)轉(zhuǎn)換為作用于鉆頭的周期性沖擊作用力，使鉆頭在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)還具有振動(dòng)效應(yīng)，這可顯著改善鉆頭與井底附近巖石的受力狀況，有效提高鉆井速度。由于是采用水力脈沖效應(yīng)直接誘發(fā)機(jī)械振動(dòng)，減少了當(dāng)前旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)中普遍采用的沖擊錘等能量傳遞機(jī)構(gòu)，工具結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性，同時(shí)因?yàn)樗γ}沖的無因次幅值一般在2.0左右，且頻率較高，所以該技術(shù)具有“小振幅、高頻率”的特點(diǎn)，這可顯著降低對(duì)鉆頭等配套工具的要求，有效降低系統(tǒng)的制造和使用成本。

1工具的原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1機(jī)械沖擊

鉆井液高速流經(jīng)自激振蕩器，形成水力脈沖作用于下噴嘴，產(chǎn)生低幅高頻機(jī)械沖擊力經(jīng)鉆頭連接短節(jié)傳遞至鉆頭，對(duì)鉆頭施加5-20KN、40Hz左右的沖擊力，提高鉆頭破巖效果。

1.2水力脈沖

鉆井液高速流經(jīng)自激振蕩器所產(chǎn)生的水力脈沖向下傳遞，經(jīng)鉆頭水眼噴出，形成脈沖射流作用于井底，強(qiáng)化井底清洗，改善井底巖石的受力狀況，降低巖石破壞強(qiáng)度。

1.3結(jié)構(gòu)

鉆頭連接短節(jié)與殼體下端的配合通孔段加工成多邊形，鉆頭連接短節(jié)穿過殼體下端的通孔，工具內(nèi)部形成兩級(jí)水力振蕩腔，殼體上端通過上接頭與上部鉆柱相連，鉆井液進(jìn)入水力振蕩腔后，經(jīng)過諧振、反饋、選頻及放大等自激振蕩過程，形成壓力脈動(dòng)作用于下噴嘴頂端，經(jīng)鉆頭連接短節(jié)傳遞，形成對(duì)鉆頭的周期性的沖擊作用力，使鉆頭產(chǎn)生縱向的機(jī)械振動(dòng)，通過改善鉆頭與井底附近巖石的受力狀況，有效提高鉆頭的破巖鉆進(jìn)效率，鉆頭機(jī)械振動(dòng)的頻率、峰值和幅值通過調(diào)整水力振蕩器的結(jié)構(gòu)尺寸、下噴嘴與水力振蕩腔出口之間的距離以及下噴嘴的尺寸等來獲得。

2 自激振蕩元件的優(yōu)化及強(qiáng)化設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化

對(duì)于該脈沖射流調(diào)制工具的結(jié)構(gòu)來講，影響其性能的主要因素是上、下噴嘴直徑，兩腔室連接處直徑和腔室尺寸。

通過對(duì)正交試驗(yàn)的結(jié)果分析，優(yōu)選出一組最優(yōu)結(jié)構(gòu)，對(duì)這組結(jié)構(gòu)的調(diào)制工具進(jìn)行數(shù)值模擬，得到出口流速脈動(dòng)值為26.23m/s，明顯高于其它結(jié)構(gòu)的出口流速脈動(dòng)值。在泵壓為15MPa，噴嘴出口噴距為20mm、射流介質(zhì)為清水的條件下，對(duì)該組結(jié)構(gòu)的調(diào)制工具進(jìn)行破巖試驗(yàn)，試驗(yàn)計(jì)時(shí)2min，測(cè)得破巖深度為19mm。破巖效果明顯優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)。

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具水力結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，沖擊力振幅有明顯提高，從30000N提高到110000N，且調(diào)制的脈沖頻率相比優(yōu)化前更高，沖擊力更加穩(wěn)定，這對(duì)于保護(hù)鉆頭，提高破巖效率具有明顯優(yōu)勢(shì)。通過本次研究，提供了一種脈沖調(diào)制工具結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，也為以后系列工具的研制奠定了基礎(chǔ)。2.2關(guān)鍵水力元件強(qiáng)化設(shè)計(jì)。

根據(jù)前期的試驗(yàn)結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)工具的第一級(jí)振蕩腔上噴嘴上端面及第二級(jí)振蕩腔的下噴嘴上端面磨損嚴(yán)重，是整套工具的薄弱環(huán)節(jié)；另外，工具在使用時(shí)間超過200h后，密封性能逐漸下降，偶見密封失效現(xiàn)象發(fā)生，極大降低了工具的提速效果。

在對(duì)以上工具磨損原因認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，開展了第一級(jí)水力振蕩腔上噴嘴部位和第二級(jí)水力振蕩腔下噴嘴部位的數(shù)值模擬研究。找到了工具的易磨損部位以及發(fā)生磨損的原因，繼而我們從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料優(yōu)選和處理工藝優(yōu)化三方面進(jìn)行了針對(duì)性的強(qiáng)化設(shè)計(jì)，主要包括以下幾個(gè)方面：：

（1）上噴嘴及下噴嘴端面均采用流線型設(shè)計(jì)，改變了鉆井泥漿的流場(chǎng)及速度突變情況，有效降低了鉆井液對(duì)上、下噴嘴的沖刷和磨蝕，提高了其使用壽命；

（2）采用硬質(zhì)合金材料對(duì)上下噴嘴進(jìn)行了局部加強(qiáng)，提高了水力元件的整體強(qiáng)度，從而提高了其抗沖蝕磨損能力；

（3）水力元件其他易磨損部位采用碳氮共滲處理的合金鋼，從而從整體上提高了水力元件的抗磨損能力，提高了鉆井工具的壽命；

（4）密封選用抗高溫密封材料，可耐溫210℃，有效降低了由于高溫引起的工具密封失效。

3、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具于2012年10月在牛28-斜15井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

試驗(yàn)井段：1872-2456m。

試驗(yàn)地層：東營(yíng)組、沙一段、沙二段；

巖性：泥巖為主，沙河街組多夾層；

鉆頭型號(hào)：P3254M型PDC鉆頭。

鉆具結(jié)構(gòu)：φ215.9PDC鉆頭×0.3m+φ178自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具×1.23+φ177.8無磁×9m+φ177.8鉆鋌×44.92m+411×4A10轉(zhuǎn)換接頭×0.5m+φ210扶正器×1.38m+4A11×410轉(zhuǎn)換接頭×0.5m+φ177.8鉆鋌×45.43m+φ127承壓×9.25m+φ127加重鉆桿×102.72m+鉆桿柱。

鉆井參數(shù)：鉆壓：20～40KN，轉(zhuǎn)速：70-90RPM，排量：31L/s，泵壓：10～15MPa，泥漿密度：1.18～1.20g/cm3。

自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具在牛28-斜15井的純鉆時(shí)間50小時(shí)，進(jìn)尺584m，工具平均機(jī)械鉆速為11.67m/h，鉆速有了明顯提高。鄰井平均鉆速9.6 m/h，相比之下本井平均提速22%，顯著縮短了鉆井周期。

4 結(jié)論

（1）工具結(jié)構(gòu)合理、工作安全可靠。

（2）提速效果明顯。依照地層相同，鉆具結(jié)構(gòu)類似，鉆井參數(shù)相近的原則進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果顯示，使用自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具鉆速達(dá)11.67m/h，與鄰井相比平均提速22%，提速效果明顯。