脈沖射流式液動沖擊工具的研制及現(xiàn)場應用

李 瑋 李世昌 閆立鵬 秦 東 孫士慧 趙 歡

1.東北石油大學石油工程學院 2.中國石化石油工程技術研究院 3.中國石油大慶油田有限責任公司第九采油廠

0 引言

為適應井深日益增加和復雜地層的鉆探要求，鉆井方式從古代的頓鉆鉆井發(fā)展到近現(xiàn)代的旋轉鉆井[1-4]。近年來，研究者正在探索通過兩種鉆井方式的結合，來提高鉆井速度，就是在旋轉鉆進的同時，施加軸向的沖擊力[5-8]，沖擊力需要借助沖擊工具產(chǎn)生，許京國等[9]研究自激振蕩式?jīng)_擊鉆井工具并在大港油田進行應用。李思琪等[10]對高頻諧波振動沖擊破巖機制進行分析，并通過室內(nèi)試驗進一步驗證其破巖效果。李瑋等[11]將扭轉沖擊提速工具在文安區(qū)塊進行現(xiàn)場應用，機械轉速提高一倍。沖擊工具大多由液體驅動，因此在狹義上沖擊工具被稱為液動沖擊工具[12]。液動沖擊作用能夠有效提高鉆頭切削齒嚙合巖石的深度，并增加巖石內(nèi)部裂縫的延伸距離，從而提高破巖速度，但驅動沖擊體需要消耗較多能量，而且能量轉化的效率較低。

高壓射流有協(xié)助破巖與清理破碎巖屑的作用[13-15]，而隨著鉆進深度的增加，鉆井液的液柱壓力變大，液柱壓力除了能增強井底巖石的硬度以外，還會在巖石破碎面上產(chǎn)生正壓力，從而沿破碎面形成摩擦阻力，這種摩擦阻力阻止了已與母體脫離的巖屑離開母體。這樣，巖屑就等于被液柱壓力壓在破碎坑內(nèi)出不來。與常規(guī)射流相比，脈沖射流的巨大瞬態(tài)能量，能夠對巖石產(chǎn)生強有力的沖擊，加速巖石破碎。脈沖射流的間斷性沖擊能夠不斷改變巖石破碎表面所受應力場，降低壓持效應，提高射流的清屑能力，并對巖石產(chǎn)生非對稱、非均勻的切割，增加鉆進速度[16-17]。國內(nèi)外學者對水力脈沖射流的研究主要集中在脈沖流場及其作用效果等方面[18-23]，在液動沖擊與脈沖射流協(xié)同破巖方面的研究，還是空白。

根據(jù)液動沖擊工具已有的研究成果與面臨的問題，結合脈沖射流相關理論，設計沖擊體沖擊與脈沖射流協(xié)同破巖的鉆井工具，分析工具工作原理與實現(xiàn)條件，通過室內(nèi)試驗研究液動沖擊與脈沖射流協(xié)同作用下鉆具組合的破巖能力，并在現(xiàn)場應用，驗證其提速效果。

1 工具工作原理與實現(xiàn)條件

1.1 工作原理

設計能夠實現(xiàn)液動沖擊與脈沖射流協(xié)同作用的工具，如圖1所示，主要由軸承、渦輪、中心軸、外殼、旋轉筒、沖擊體、隔壓筒、調壓座與噴嘴構成。鉆井液被泵送到工具內(nèi)部，驅動渦輪帶動旋轉筒旋轉，旋轉筒下部有與隔壓筒相通的流體通道，隨著旋轉筒的旋轉，兩通道間斷性對應。隔壓筒與旋轉筒的通道錯開時，流體從噴嘴流過，在旋轉筒下方產(chǎn)生憋壓并伴隨水力振蕩，下部高壓流體將沖擊體推到上部，旋轉筒與隔壓筒通道相對時，下部壓力驟降，上部高壓流體將沖擊體推到下方，沖擊體完成一次沖擊。兩通道錯開時，流體從較小的孔道流過，儲蓄大量能量，兩通道相對時，液體從大孔道流出，能量被瞬間釋放，高能流體從鉆頭水眼噴出，產(chǎn)生脈沖射流。

1.2 工具工作的條件

1.2.1 工具能夠提升沖擊體的重力

工具工作的條件是沖擊體能夠上下沖擊。沖擊體位于旋轉筒下部時，沖擊體下表面與上表面的壓差和沖擊體的自身重量決定了沖擊體能否被提升。沖擊體在工具內(nèi)部受到自身重力，上部壓力與下部壓力，沖擊體向上運動過程中受到液體作用力為：

液體對沖擊體做的功為：

重力對沖擊體所做的功為：

沖擊體所受到的總功為：

工具能夠提升沖擊體的重力為：

式中F1表示沖擊體所受液體合力，N；Pd、Pu分別表示沖擊體的上部壓力、下部壓力，Pa；l表示沖擊體移動的距離，m；A表示沖擊體上下表面積，m2；W1表示沖擊體在向上運動過程中，液體對沖擊體所做功，J；WG為重力對沖擊體所做功，J；W為沖擊體所受總功，J；G表示工具內(nèi)部受到自身重力，N。

在旋轉筒與隔壓筒通道錯開時，應用有限元模擬軟件模擬得到旋轉筒內(nèi)部壓力情況，從而確定沖擊體受到液體的作用力。模擬過程中設定的條件來自實際工況，模擬得到如圖2所示的旋轉筒內(nèi)部壓力云圖。

圖2 旋轉筒內(nèi)部壓力云圖

圖3 為旋轉筒內(nèi)部的壓力曲線，由圖3可知在旋轉筒內(nèi)，下部壓力大于上部壓力，沖擊體受到向上的合力，結合以上公式計算得到?jīng)_擊體的質量不超過60 kg時，沖擊體能夠到達旋轉筒上部。

圖3 旋轉筒的不同截面位置壓力曲線圖

1.2.2 沖擊體產(chǎn)生的沖擊力

當旋轉筒與隔壓筒的流體通道相對時，沖擊體下部壓力較低，由于自身重量與流體流動對其產(chǎn)生的壓力，沖擊體能夠向下加速運動。沖擊體向下運動過程中受到液體的作用力為：

液體對沖擊體所做的功為：

重力所做的功為：

沖擊體產(chǎn)生的沖擊力為：

式中F2表示下沖程沖擊體受到液體的合力，N；x表示鉆頭的鉆進深度，m；F表示產(chǎn)生的沖擊力，N；W2表示沖擊體向下運動過程中，液體對沖擊體所做功，J。

2 室內(nèi)試驗及結果分析

2.1 設計試驗及試驗條件

試驗1：在垂直鉆進與水平鉆進狀態(tài)下，進行常規(guī)鉆具組合的破巖試驗、液動沖擊的鉆具組合的破巖試驗與液動沖擊與脈沖射流協(xié)同作用下的鉆具組合的破巖試驗，鉆頭下部放有巖性相同的巖石，測量破碎巖石深度，比較兩種鉆進狀態(tài)下三組鉆具組合的破巖能力，在垂直鉆進狀態(tài)下，鉆壓由工具自身重量提供，在水平鉆進狀態(tài)下，鉆壓由外部提供，所提供鉆壓與垂直鉆進狀態(tài)下的鉆壓相同。

試驗2：改變液動沖擊工具的沖擊體質量，進行鉆進壓力對比試驗，通過鉆頭下部的壓力傳感器，測量鉆頭對巖石產(chǎn)生的壓力。

試驗3：卸掉工具內(nèi)部的沖擊體，改變噴嘴直徑大小，測量只有脈沖射流作用下鉆具組合的破巖深度與巖屑質量。

試驗4：進行常規(guī)鉆具組合、液動沖擊鉆具組合和液動沖擊與脈沖射流協(xié)同作用下的鉆具組合的破巖試驗，分別鉆進砂巖與花崗巖，測量破巖深度。

泵的排量為30 L/s，PDC鉆頭直徑120.6 mm，使用密度1.0 g/cm3的水作為循環(huán)液體，鉆具組合的整體重量為150 kg，試驗4以外，其他試驗采用的巖樣均為砂巖。

2.2 試驗結果分析

2.2.1 不同鉆具組合的破巖能力比較

試驗1是為了驗證在液動沖擊與脈沖射流協(xié)同作用下，鉆具組合的提速效果，如圖4、5所示。

圖4 垂直狀態(tài)下破巖深度與時間的關系圖

圖5 水平狀態(tài)下破巖深度與時間的關系圖

圖4 、5為試驗1所得破巖深度與時間的關系曲線。由圖4、5可知，鉆具在垂直鉆進和水平鉆進狀態(tài)下，液動沖擊與脈沖射流協(xié)同作用下的鉆具組合破巖速度最快，其次為液動沖擊作用的鉆具組合。當試驗系統(tǒng)保持垂直狀態(tài)時，與常規(guī)鉆具組合相比，液動沖擊與脈沖射流協(xié)同作用下的鉆具組合的破巖速度提高了87.5%，液動沖擊的鉆具組合的破巖速度提高了50.3%；當試驗系統(tǒng)在水平狀態(tài)時，液動沖擊與脈沖射流協(xié)同作用下的鉆具組合的破巖速度比常規(guī)鉆具組合的破巖速度提高了98.5%，液動沖擊的破巖速度比常規(guī)鉆具的破巖速度提高了65.8%。液動沖擊與脈沖射流協(xié)同作用下的鉆具組合水平鉆進時，其破巖速度提高的幅度比垂直鉆進時提高的幅度要大，說明在水平鉆進過程中，該鉆具組合更具優(yōu)勢。

2.2.2 沖擊體質量對破巖能力的影響

試驗2是為了研究不同質量的沖擊體對鉆具組合的破巖能力的影響，在不同質量沖擊體的鉆具組合與常規(guī)鉆具組合的鉆進狀態(tài)下，鉆頭下部壓力與時間的關系曲線如圖6所示。

圖6 壓力與時間的關系圖

由圖6可知，正常鉆進狀態(tài)下，鉆壓由工具自身重力產(chǎn)生，在0.127 MPa左右變化。在有沖擊體沖擊時，鉆壓周期性升高，隨著沖擊體質量的變大，鉆壓的幅值變大，沖擊體的沖擊頻率變小。鉆壓幅值小沖擊頻率大、鉆壓幅值大沖擊頻率小，無法比較哪種質量沖擊體的破巖能力更強，破巖過程是鉆具組合的能量轉換為巖石破碎所需能量的過程，因此，對圖6中的壓力曲線進行積分，通過疊加的壓能來衡量破巖能力，如圖7所示，在沖擊體未沖擊時，隨時間的增加，疊加壓能成線性增加，當沖擊體沖擊時，疊加壓能增加迅速。正常鉆進時，疊加壓能最小，安裝30 kg沖擊體的工具的疊加壓力最大，安裝20 kg和40 kg沖擊體的工具的疊加壓能交替上升，因此可以推測工具的破巖能力隨沖擊體質量增大先增強后減弱，最優(yōu)沖擊體質量為30 kg。

圖7 疊加壓能與時間的關系圖

2.2.3 脈沖射流對破巖能力的影響

試驗3是為了研究脈沖射流對破巖能力的影響（圖 8）。

圖8 不同噴嘴直徑下的破巖能力圖

脈沖射流的大小由工具內(nèi)部噴嘴直徑與泵的排量決定。噴嘴直徑越小，鉆頭水眼瞬間釋放的能量越大，脈沖射流越大，因此通過研究噴嘴直徑對破巖能力的影響，反應脈沖射流對破巖能力的影響。由圖8可知，隨著噴嘴直徑的變小，一定時間內(nèi)，破巖深度與巖屑質量先變大，這是由于脈沖射流蘊含巨大能量，加快巖石破碎速度。隨著噴嘴直徑的進一步減小，噴嘴的壓耗損失過大，導致脈沖射流的增長趨于平緩，工具破巖能力增加變緩。增大泵的排量同樣能夠增大脈沖射流，但在現(xiàn)場施工過程中很難大范圍的調控泵的排量，因此這里不做詳細研究。

2.2.4 工具適用巖性分析

為研究液動沖擊與脈沖射流對不同巖性巖石的作用效果，分別研究常規(guī)鉆具組合、液動沖擊鉆具組合和液動沖擊與射流脈沖協(xié)同作用下的鉆具組合鉆進砂巖與花崗巖時的提速效果（表1）。

表1 不同鉆具組合的破巖提速效果表

由表1可知，在鉆進相同深度時，3種鉆具組合鉆進花崗巖比鉆進砂巖更耗時，主要由于花崗巖硬度大。與鉆進砂巖相比，在鉆進花崗巖時，兩種非常規(guī)鉆具組合提速幅度更大，這是由于花崗巖脆性比較大，液動沖擊加速巖石破碎與巖石裂縫延展。液動沖擊與脈沖射流協(xié)同作用下的鉆具組合，與液動沖擊鉆具組合相比，鉆進砂巖的破巖速度提高了37.5%，鉆進花崗巖的破巖速度提高了17.0%，說明在鉆進砂巖地層時，在液動沖擊的基礎上增加脈沖射流，鉆具組合的提速效果更明顯。為有效發(fā)揮工具的破巖能力，鉆進巖石硬度高的地層時，增加工具的沖擊力，鉆進較松散巖石地層時，增大脈沖射流。

3 工具使用規(guī)范及現(xiàn)場應用試驗

3.1 工具使用規(guī)范及技術要求

3.1.1 工具適用地層

工具在軟到堅硬地層均有良好的提速效果，考慮到工具壽命和成本，在中硬到堅硬的地層，工具的應用性價比更好。

3.1.2 工具配合鉆頭

工具配合使用的鉆頭為PDC鉆頭，建議使用五刀翼或者六刀翼、13 mm切削齒、鉆頭冠部平緩的鉆頭，不建議使用四刀翼鉆頭。

3.1.3 施工參數(shù)

工具能夠承受的最大鉆壓為110～130 kN，鉆井泵的合理排量為26～34 L/s，最大工作溫度為240 ℃，轉速介于45～80 r/min。

3.2 現(xiàn)場應用試驗

工具在塔里木油田某區(qū)塊A井進行試驗，該井為水平井，設計井深為4 716 m，設計垂深4 482 m，水平位移299 m。將工具在4 256～4 516 m井段應用，現(xiàn)場數(shù)據(jù)如圖9所示。該段地層巖石巖性分別為褐灰色砂礫巖、沙泥巖、黑色玄武巖和灰褐色粉砂質泥巖，井深4 461 m處為造斜點位置。設計鉆壓70 kN，鉆井泵排量26～34 L/s。鉆井液密度1.28～1.45 g/cm3。該井應用工具后的機械鉆速為2.52 m/h，鄰井B在該層位的機械鉆速為1.36 m/h，鄰井C在該層位的機械鉆速為1.55 m/h，驗證了在液動沖擊與脈沖射流的協(xié)同作用下，鉆具組合的鉆進速度得到大幅度提高，與2口鄰井相比，試驗井段的機械鉆速提高了72.5%。

3.3 鉆進過程中參數(shù)的優(yōu)化

根據(jù)實鉆地層的巖石巖性，合理的調節(jié)相關參數(shù)，從而達到提高機械鉆速的目的。

根據(jù)上文試驗得到液動沖擊在硬脆性巖石地層提速效果更明顯，脈沖射流對較松散巖石地層提速效果更明顯，因此在鉆進玄武巖地層時，提高工具的沖擊力，在鉆進砂巖與沙泥巖地層時，增大脈沖射流。

圖9 現(xiàn)場試驗機械鉆速圖

圖9 為針對不同地層改變鉆井參數(shù)與工具結構參數(shù)試驗獲得機械鉆速圖，分為4個階段，第1階段（4 250～4 350 m）鉆進砂巖地層時，鉆井泵的排量為30 L/s，工具內(nèi)部噴嘴直徑為20 mm，沖擊體質量為30 kg，平均鉆速為3.02 m/h，鉆到4 300 m左右，泵的排量升高到34 L/s，換成16 mm直徑的噴嘴，平均鉆速較之前提高0.28 m/h，鉆進泥巖地層平均機械鉆速為3.88 m/h，該階段工具的機械鉆速較常規(guī)鉆具的機械鉆速提高68.5%。第2階段，鉆進玄武巖時的機械鉆速迅速下降，把泵的排量降低到28 L/s，換成質量為35 kg沖擊體，機械鉆速提高0.42 m/h，該階段機械鉆速為1.69 m/h，比常規(guī)鉆具的機械鉆速提高78.7%。第3階段，鉆進灰褐色粉砂質泥巖，機械鉆速提高65.6%。第4階段，水平井造斜階段，機械鉆速為1.52 m/h，與常規(guī)鉆具鉆進相比，提高89.6%。

4 結論

1）設計了能夠實現(xiàn)沖擊體沖擊與脈沖射流協(xié)同作用的高效破巖工具，并通過室內(nèi)試驗與現(xiàn)場應用驗證其可行性。

2）通過理論計算與數(shù)值模擬得到工具的工作條件是沖擊體的質量不大于60 kg。與常規(guī)鉆具組合、液動沖擊的鉆具組合相比，液動沖擊與脈沖射流協(xié)同作用下的鉆具組合的破巖速度更快，并且工具更適合水平井的鉆進過程。

3）通過室內(nèi)試驗可得，沖擊體重量越大，產(chǎn)生的沖擊力越大，沖擊頻率越小，質量為30 kg的沖擊體的破巖能力最強。隨著工具內(nèi)部噴嘴直徑的變小，脈沖射流先增大后趨于平緩，工具破巖能力先增強后趨于平緩。通過增大工具的沖擊力，可提高堅硬地層的破巖速度，在鉆進膠結程度小的巖石地層時，增大脈沖射流可提高破巖速度。

4）工具的現(xiàn)場應用進一步證明了在液動沖擊與脈沖射流協(xié)同作用下鉆具組合的破巖效果：工具在應用井段的平均機械鉆速可達2.52 m/h，與常規(guī)鉆具相比，平均提速可達72.5%。針對不同巖性層位、水平井段與直井段，改變鉆井參數(shù)和工具結構參數(shù)，機械鉆速又有一定程度的提高。

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