鉆井旋沖工具提速機理及結構設計

程漢列

摘要：鉆井旋沖技術因其快速高效的特點，具有明顯的經濟效益，因此被廣泛應用于各類勘探開發(fā)、鉆探開采領域，尤其是在頁巖氣開發(fā)中具有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＩ淞魇揭簞記_擊工具的能量利用率高，相應的適應性好，具有很高的應用價值。在鉆進過程中和螺桿馬達鉆具配合可以很好的避免施工周期長、鉆進效率低、鉆探成本高等難題。本文圍繞射流式液動沖擊共具理論分析與結構設計，對沖擊工具工作原理進行簡要分析，對工具結構強度進行校核，完成了鉆井用射流式液動沖擊工具的結構設計。

關鍵詞：鉆井工程;旋沖工具;機械設計;鉆井提速

中圖分類號：TE242文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）06-0186-04

在石油鉆井過程中鉆頭的機械效率的高低直接影響鉆井效率，而在如今的鉆井過程中，隨地層厚度的增加，在重力場的作用下，鉆井液柱壓力增大從而大幅提升了巖石的壓縮性，使巖石顆粒間的距離變短，提升了巖石的強度，隨圍壓的增加明顯增高，迫使鉆頭的破巖體積減少，從而降低鉆頭機械轉速，影響了鉆井的效率。

如今的鉆井工程具有技術密集、高投資和高風險的特點。鉆井技術的優(yōu)劣和水平直接影響油氣勘探開發(fā)效益。在國外市場鉆井設備配套、工具儀器研發(fā)、鉆井高新技術研究與應用得到了高度重視和快速發(fā)展，鉆井費用的投資也已經轉矩了勘探開發(fā)總投資的一半以上，鉆井新技術的不斷滋生，研究力度的不斷加大也使得工程研究人員看清鉆井技術不僅僅只是打開和建立油氣通道，更是為了提高采收率、提高油氣井產量等增儲上產的新途徑和主要方法。

常規(guī)的旋轉鉆進方法在這些井的鉆進過程中遇到的堅硬地層下并不能得到很好的收益，破巖效果差，鉆進效率低問題是目前此方面應該重點解決的，其中井斜問題造成鉆井成本的增加，也成為一個很棘手的問題。在水平井和大位移井中，在位移增加情況下，水平井段的加壓難度也不斷的提高，這樣很容易導致鉆具的損壞。頁巖氣勘探與開發(fā)的難題主要體現在鉆進和鉆進過程，需要鉆穿大段堅硬地層，提高鉆井速度對于降成本增效益具有特別突出的意義，而旋沖鉆井技術正是突破巖層的一項新技術，旋沖工具提速是符合生產與綜合經濟效益需要的重要技術。

1 旋沖鉆井提速機理

1.1旋沖鉆井及鉆具結構

旋沖鉆井技術就是指旋轉鉆井時，附加一個由沖擊器產生的高頻沖擊作用，從而能讓鉆頭能周期性的受到沖擊載荷的作用。作為一種利用井下動力鉆井的技術，特別是PDC鉆頭鉆遇特定巖層扭矩變化大，存在粘滑效應時，旋轉沖擊能較好的抑制影響鉆速的粘滑效應。旋沖鉆井利用的是沖擊載荷和靜壓旋轉協(xié)同進行破碎。

鉆具組合：鉆頭+沖擊器+鉆鋌+鉆桿+方鉆桿，地面使用與常規(guī)鉆井相同的設備。

液動沖擊回轉鉆探就是以回轉鉆探為基礎，使用沖洗液驅動的液動潛孔錘將固定頻率的沖擊能量施加在鉆頭上，實際上就是利用鉆頭上所施加的沖擊負荷進行回轉鉆探。進行鉆進時，液動錘的安裝位置為鉆桿或巖心管與鉆頭之間，隨著鉆頭鉆孔的深入對其施加沖擊負荷，其在多種鉆探行業(yè)都有應用，如礦產、石油勘探等。作為回轉鉆探的重大變革，液動沖擊回轉鉆探是在金剛石鉆探之后的新鉆探技術。此技術能夠利用質地堅硬巖石脆性大、抗剪強度低及耐沖擊力差的缺點去有效的應對堅硬巖石地層和部分復雜構造巖層鉆探效率低、鉆孔質量差的問題。對于硬脆性地層，此鉆井技術能提高機械鉆速30%。

1.2旋沖提速機理及優(yōu)勢

機械沖擊與水力脈沖聯(lián)合作用，改善井底巖石的受力狀況，降低巖石破壞強度;對鉆頭施加5～20KN、500～700Hz的高頻低幅沖擊力，增大鉆頭吃深，有利于巖石形成體積破碎;在軸向沖擊作用下，減少鉆頭粘滑現象，并有利于防止鉆頭泥包;“沖擊傳遞桿”的游動行程可防止鉆頭跳動，有利于延長鉆頭壽命，增加進尺。

旋沖鉆具的優(yōu)勢：能夠大幅度提高硬脆性、破碎性，提升地層鉆井速度，在應用時可以提高鉆速達10%～50%以上，符合目前增產增效的需要;可配合牙輪鉆頭和PDC鉆頭使用，開始運用階段多為牙輪鉆頭，隨著技術的提高，加上錄井的準確性提升，目前多配合PDC鉆頭使用;旋沖鉆具使用中的敲擊力與所加鉆壓相關，提離井底即停止敲擊;旋沖鉆具在使用中對遙測工具（如MWD等隨鉆儀器）無影響;旋沖鉆具在使用中可以與油井馬達組合使用，更能提高綜合效率;旋沖鉆具沖擊錘與水力振蕩器類似，產生軸向運動，降低近鉆頭摩阻，以此來有效的減少鉆頭磨損，降低相應的鉆井成本，滿足一定的井身質量要求，避免出現損壞的問題，而在此過程中應用旋沖鉆井技術的更為關鍵;旋沖鉆具的沖擊錘與水力振蕩器一起，在大位移鉆井應用，改善應用效果，延長水平段;旋沖鉆具可以滿足旋沖鉆井技術要求，可應用任何井型：硬地層/頁巖/直井和水平井快速鉆井，適用范圍較廣;旋沖工具的使用有利于錄井，提高錄井數據的準確值。

1.3旋沖鉆具結構

旋沖鉆具的組成分為動力、沖擊、傳壓傳扭等系統(tǒng)構成。其中動力系統(tǒng)可轉化流體能量為機械能量，其組成為導流體、葉輪等;沖擊系統(tǒng)是轉化機械能為周向性的高頻沖擊能量，其組成為上盤閥、下盤閥、錘頭等;傳壓扭矩系統(tǒng)是將鉆壓和扭矩進行有效傳遞，其組成為馬達、液力錘等。其動力總成是鉆頭轉速和輸出扭矩的保障。

液力錘其組成分為上心軸與下心軸，鉆頭敲擊力和機械和液壓綜合作用存在密切的關系，在此操作過程中提離井底即停止敲擊。在鉆探過程中兩個心軸之間的相互嚙合也可以導致出現軸向運動，在此基礎上的傳遞鉆壓。旋沖鉆具可以依次連接鉆頭（牙輪或PDC）、液力錘機構、馬達驅動軸總成+彎角調節(jié)套、馬達動力總成6-7/8”（/8頭5級）、上接頭，形成組合鉆具配合適用。

1.4旋沖鉆井破巖特點

旋轉鉆井的發(fā)展產生了旋沖鉆井，在進行旋沖鉆進的過程中，靜載荷和動載荷是牙輪鉆頭受到的常規(guī)載荷，除了這兩種，沖擊器還能產生一個高頻的沖擊載荷施加在牙輪鉆頭上，能夠有效的降低巖石形變時間，加快巖石變形速度，在沖擊之后，相應的沖擊力無法及分散，導致應力的波動很多，這也加速了巖石脆性降低。而對比分析可知硬度大的巖石抗壓強度大，脆性也大，在一定的沖擊載荷作用下，裂縫增大，這樣很容易在破碎后形成坑穴和剪切體，而導致對于其后的體積破碎更明顯。

2旋沖工具結構設計

2.1鉆具結構設計

在鉆井過程中，相應的沖擊工具配合鉆具進行鉆進，而鉆進的效果和螺桿，沖擊功、工作頻率等因素存在一定的相關性。結合頁巖氣地層物理屬性、鉆井液性能等因素，設計射流式液動沖擊工具的外徑為中203mm，長度在2.95～3.05m（3m左右），工具的額定工作流量一般為50L/s左右，而依據相應的標準，文章在設計過程中，活塞進行往返運動的行程范圍暫定在20-100mm之間。設計單次沖擊功為400J，穩(wěn)定工作頻率為5-25Hz，沖擊力為5-40kN，適用鉆孔直徑為241-311.5ram，壓力損失為2-7MPa。

射流式液動沖擊工具結構如圖3～2所示，旋沖工具開始工作后，鉆井液自泥漿泵處輸出，順著鉆桿流經工具上接頭人液口、上壓蓋6，輸出至射流元件。鉆井液經元件噴嘴流出后形成高壓流體附壁在射流元件左右側，進而進入到缸體前后腔內帶動活塞與沖錘在水平面上不斷的遷移，而在高壓流體的作用下，其先進入到后腔，可以在一定的速度作用下推動活塞運動，到而在達到終點后，活塞對缸體后腔產生壓迫，后腔內壓力線性遞增，后腔壓力使得高壓流體在射流元件內切換至另外一側，壓力將流體壓人缸體前腔，在一定的能量傳遞作用下，促使活塞與沖錘不斷的回程運動。在活塞此方面的運動過程中，前腔內流體由元件孔排出，射流元件內的高速流體會不斷的出現附壁切換的問題，而導致相應的活塞也不斷往復運行。而根據結構設計，活塞與沖錘之間相連接，因此兩者都會在水平面上進行往復運動?；钊c沖錘往復運動產生的沖擊能傳到到液動旋沖工具下部砧子，砧子將沖擊能傳遞至鉆頭，實現沖擊鉆具的往復運動沖擊擊破地下巖層。

這種系統(tǒng)的組成結構較為復雜，主要的組成單元有射流元件、外缸、沖錘、下接頭等，尤其是射流元件起到關鍵作用。為了確保工具的使用壽命滿足相應的應用要求，同時保證元件不受到鉆井液內藥品的損害，不影響工具的準確性和靈敏性，應該確保沖擊器的結構符合相關的標準。在選擇材料時一般選擇高強度的合金鋼等專用金屬材料，局部采用經濟實惠、同時強度高的硬質合金材料加工，結合現場實際使用需求，完善結構設計圖，做到解決工具本體內射流元件的磨損問題、運行過程中相應的摩擦問題、振動問題以等，提高使用壽命。

2.2工具強度

射流式液動沖擊工具在鉆井過程中正常工作時，除了有地層溫度、地層巖性、地層流體壓力、沖擊力相關因素的影響，與此同時和外部扭矩也存在一定的相關性，對工具本體或多或少會造成損傷。作為整個工具最為核心的射流元件在使用過程中可能會與鉆井液內藥品發(fā)生腐蝕反應，在高速情況下也可能會被鉆井液所攜帶的鉆屑沖擊損傷，使得其實際使用壽命不理想，達不到一趟鉆井的壽命要求。西南地區(qū)地層淺層氣、硫化氫氣體活躍，容易發(fā)生氫脆斷裂、脫扣事故，且鉆井垂深較深，大部分為水平井，水平段在900-1300m左右，一旦發(fā)生斷裂，工具的打撈困難很大，有可能會導致井段報廢;同時根據甲方要求在三開使用油基鉆井液，內含多種化學藥品，一旦被鉆井液腐蝕可能會導致零件不靈敏甚至損毀，對下步施工的準確性有一定的影響。

為了保證工具可靠耐用，對工具外殼、內部零件的強度要求極其嚴格，在實驗前必須對工具各個部件進行剛度檢測、探傷檢測，保證能夠滿足與孔底螺桿鉆具配合應用時的剛度要求，在此省略加工過程中對工件的強度校核過程。

3 現場應用

2018年7月30日至8月2日，在承鉆的LY2井一開φ311.1井眼飛仙關組、長興組、吳家坪組525-811m和811-842m井段進行了旋沖鉆井提速試驗。

第一趟鉆鉆進井段525-811m，沖擊器進尺工作時間43h，其中純鉆時31.5h，總進尺286m，平均機械鉆速9.08m/h，地層為飛仙關組、長興組、吳家坪組（610m進入長興組，770m進入吳家坪組）。

第二趟鉆鉆進井段811-842m，沖擊器進尺工作時間5h，其中純鉆時2.5h，總進尺31m，平均機械鉆速12.4m/h，地層為吳家坪組。

可以看出：隆頁2井長興組使用沖擊器、鉆壓80-100kN鉆進比隆頁1井同地層提速幅度大幅提升，提高72.31%，初步可以驗證使用沖擊器鉆井可以有效提高鉆井速度，如果鉆壓能夠提高到100-140kN正常鉆壓值，其提速效果應該更顯著。

4 結語

目前射流式沖擊器已在中石化、中石油、中海油及道達爾等國內外區(qū)塊共計應用120多井次，平均提速40%以上，使用壽命120h以上。在相同成本下旋沖工具能夠快速高效的鉆進，不僅縮短了鉆井周期，讓鉆井隊能夠更快的完井進行下一口的的作業(yè)，給鉆井公司帶來了盈利空間。