張玉英，趙 健，巴魯軍，劉永旺，徐依吉

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266555） ＊

井下螺桿增壓提速裝置關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

張玉英，趙 健，巴魯軍，劉永旺，徐依吉

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266555）＊

鉆井提速是各大石油鉆井公司研究的重要方向，油氣鉆井工程實(shí)踐表明，提高井底鉆頭噴嘴射流壓力可以大幅提高鉆井速度。在分析現(xiàn)有井下增壓的基礎(chǔ)上，研制了井下螺桿增壓裝置。該裝置以螺桿泵作為動(dòng)力，通過新型換向機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為增壓泵的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，成功實(shí)現(xiàn)了井底增壓；鉆頭超高壓噴嘴射流壓力達(dá)到80～100MPa，有效地實(shí)現(xiàn)了超高壓射流鉆井，達(dá)到了提高鉆速、降低鉆井成本的目的。

井下增壓裝置；螺桿泵；換向機(jī)構(gòu)；超高壓鉆頭

目前，我國(guó)的深層油氣主要集中在塔里木庫(kù)車山前、川東北、松遼深層、新疆烏夏等地區(qū)，這些地區(qū)油氣資源埋藏深，地層硬而且復(fù)雜，在鉆井過程中普遍存在鉆井速度慢、周期長(zhǎng)、成本高的問題。因此，發(fā)展新的技術(shù)手段和提高油氣鉆探效率變得極為迫切。本文立足于實(shí)際，在分析現(xiàn)有井下增壓的基礎(chǔ)上，研制了井下螺桿增壓提速裝置，并提出超高壓雙流道PDC鉆頭技術(shù)，為有效解決我國(guó)硬地層及復(fù)雜地層鉆井速度慢、周期長(zhǎng)、成本高的問題，提供了一個(gè)可行的技術(shù)途徑。

1 現(xiàn)有技術(shù)分析

提高深井鉆速是近年來鉆井工程領(lǐng)域不斷探索但仍未解決的一個(gè)難題。目前，深井鉆井的數(shù)量逐漸增多，但深井鉆井費(fèi)用居高不下的問題仍異常突出。隨著井深增加、地層巖石強(qiáng)度增大、井底巖屑?jí)撼中?yīng)加劇，使鉆進(jìn)過程中破巖和清巖的難度增加；加之水力能量的遞減，從根本上導(dǎo)致了深井的鉆井周期延長(zhǎng)和成本飆升，1口深井的鉆井費(fèi)用少則幾千萬，多則上億元，嚴(yán)重制約了鉆探開發(fā)效益。

國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)為，采用井下增壓器實(shí)施高壓射流輔助機(jī)械破巖鉆進(jìn)（即高壓射流輔助鉆井技術(shù)），是解決深井鉆速問題的一個(gè)有效途徑［1－5］，美國(guó)已在研究第3代井下增壓器。近年來，國(guó)內(nèi)中石油、中石化及民營(yíng)企業(yè)等多家單位也在進(jìn)行井下增壓器的研發(fā)，并且近期都有所突破。預(yù)計(jì)2～3a內(nèi)，國(guó)產(chǎn)井下增壓器可投入工業(yè)應(yīng)用。

根據(jù)美國(guó)第1～2代井下增壓器的井下試驗(yàn)，高壓射流輔助鉆井的速度取決于高壓射流水力破巖的效率與機(jī)械破碎的相互關(guān)系，與常規(guī)鉆井相比提高了50%～300%?？梢?，除井下增壓器的研制之外，目前高壓射流輔助鉆井技術(shù)研究的另一方向是提高射流的直接切割破巖和輔助破巖效率。深井高圍壓下，高壓射流的動(dòng)壓力衰減規(guī)律、高壓噴嘴與普通噴嘴組合及其復(fù)合流場(chǎng)的特性等一系列直接影響高壓射流在井底切割深度和清巖效率的基本理論問題，國(guó)內(nèi)外目前尚未見到相關(guān)的研究文獻(xiàn)和報(bào)導(dǎo)。

此外，PDC鉆頭于20世紀(jì)80年代被引入國(guó)內(nèi)，與牙輪鉆頭不同的是PDC鉆頭的破巖屬于剪切破壞。由于巖石的抗剪強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度小得多，因而PDC鉆頭破巖所需要的能量比同尺寸的牙輪鉆頭小，能以較小的鉆壓實(shí)現(xiàn)更有效的鉆進(jìn)，其機(jī)械鉆速一般是普通牙輪鉆頭的2～4倍。同時(shí)由于PDC鉆頭上沒有活動(dòng)部件，可以減少井下事故的發(fā)生，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。但PDC鉆頭在應(yīng)用過程中也出現(xiàn)許多問題［6］，如PDC切削齒性脆而易斷，對(duì)于軟硬交錯(cuò)地層不太適應(yīng)。另外，雖然PDC鉆頭的水眼離井底較近，但是具有很大的沖擊力的射流從井底反射回來沖擊鉆頭冠部，沖蝕鉆頭體，影響了鉆頭的使用壽命。如果能設(shè)計(jì)一種新型PDC鉆頭，充分發(fā)揮水力能量與機(jī)械刀具聯(lián)合作用，提高破巖效率，將有重要的工程意義。

總而言之，自旋轉(zhuǎn)鉆井方式問世以來，破巖機(jī)理基本沒有改變，主要采用機(jī)械應(yīng)變力來破碎巖石，但能量傳輸、轉(zhuǎn)換、分配和利用效率等問題一直未能得到很好的解決。20世紀(jì)60年代以來，各國(guó)不斷地研究新的方法，以求改變能量傳輸方式，提高能量轉(zhuǎn)化和利用效率，因此，泥漿增壓技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并不斷發(fā)展；幾乎同一時(shí)期，PDC鉆頭的應(yīng)用大幅提高了鉆井速度，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)奪人眼球?？梢灶A(yù)見，一套聯(lián)合泥漿增壓技術(shù)和PDC鉆頭的鉆井系統(tǒng)必然會(huì)極大地提高鉆井技術(shù)，這也正是本課題的目的和意義所在。

2 結(jié)構(gòu)原理

2.1 結(jié)構(gòu)

井下螺桿增壓提速裝置與超高壓雙流道PDC鉆頭是一種用于石油、天然氣鉆井作業(yè)中的配套工具，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其外觀為1根鉆鋌，上部為螺桿增壓提速裝置，下部為鉆井液增壓系統(tǒng)，可整體連接在鉆柱和超高壓雙流道PDC鉆頭之間［7］。

圖1 井下螺桿增壓提速裝置結(jié)構(gòu)

螺桿鉆具在井下鉆井液的水力驅(qū)動(dòng)下作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并以扭矩的形式輸出能量，來帶動(dòng)鉆頭破碎巖石。在該裝置中，螺桿鉆具輸出的能量不是用來帶動(dòng)鉆頭破碎巖石的，而是用來對(duì)井下的部分鉆井液實(shí)現(xiàn)增壓，增壓至70～100MPa時(shí)通過特殊的噴嘴噴出，形成高速射流，對(duì)井底巖石進(jìn)行破碎、切割，以實(shí)現(xiàn)提高鉆井速度的目的［8－11］。

2.2 工作原理

在井下鉆井液水力能量的驅(qū)動(dòng)下，驅(qū)動(dòng)螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)傳動(dòng)軸以扭矩的形式輸出能量，輸出的能量經(jīng)旋轉(zhuǎn)接頭的傳遞仍以扭矩的形式輸出；此時(shí)，由旋轉(zhuǎn)接頭傳遞的動(dòng)力經(jīng)動(dòng)力轉(zhuǎn)換體轉(zhuǎn)換后，將原來的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為軸向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力轉(zhuǎn)換體再帶動(dòng)過濾筒、柱塞一起作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)缸內(nèi)鉆井液的增壓；增壓后的高壓水射流經(jīng)高壓管到達(dá)特殊的高壓噴嘴噴出，形成高壓射流，達(dá)到?jīng)_蝕和破碎井底巖石、提高鉆井速度的目的。

在斜盤式增壓裝置的整個(gè)增壓過程中，鉆井液的流程如下：常規(guī)鉆井液被輸送到井下，將水力能傳遞給螺桿馬達(dá)［9］，并帶動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)；其中大部分的鉆井液由螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子進(jìn)入旋轉(zhuǎn)體內(nèi)部的流道，一小部分的鉆井液從馬達(dá)傳動(dòng)軸的軸承縫隙流入旋轉(zhuǎn)體外部腔內(nèi)，經(jīng)旋轉(zhuǎn)接頭外部流道與旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)鉆井液混合在一起進(jìn)入動(dòng)力轉(zhuǎn)換體，并通過動(dòng)力轉(zhuǎn)換體下端的流道進(jìn)入過濾筒與長(zhǎng)筒之間的環(huán)形腔內(nèi)；在壓力差的作用下，一部分鉆井液經(jīng)過濾網(wǎng)過濾進(jìn)入柱塞內(nèi)部，通過進(jìn)液閥進(jìn)入高壓缸內(nèi)，增壓后從高壓閥排出，經(jīng)超高壓雙流道PDC鉆頭的高壓管引流從鉆頭高壓噴嘴高速噴射而出，沖擊井底并破碎巖石；大部分的常壓鉆井液從過濾網(wǎng)外的環(huán)形間隙一直向下流，通過柱塞外筒內(nèi)的流道流入鉆頭，從鉆頭的普通噴嘴流出，對(duì)井底巖屑進(jìn)行清洗。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與參數(shù)確定

3.1 部件設(shè)計(jì)

3.1.1 超高壓雙流道PDC鉆頭

超高壓雙流道PDC鉆頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是在鋼體PDC鉆頭的內(nèi)部設(shè)置1根超高壓管，上部連接井下增壓泵出口，下部通過鉆頭內(nèi)加工的流道與超高壓射流噴嘴相連。超高壓噴嘴安裝在鋼體PDC鉆頭的刀翼上、切削齒的后面，進(jìn)行超高壓射流切割巖石，并結(jié)合PDC切削齒破巖。在鉆頭上部有1個(gè)扶正裝置來扶正超高壓管。鉆頭的設(shè)計(jì)還要考慮鉆頭內(nèi)部的噴管要符合使用壽命，方便安裝、更換等?？傮w結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

雙流道超高壓PDC鉆頭是在鉆頭上部與其他設(shè)備相連處安裝了扶正裝置，用于扶正在鉆頭內(nèi)部的超高壓管。扶正裝置是缺口式環(huán)形卡簧，上下2部分都是圓柱體，中間是通孔，在上部圓柱體和下部圓柱體的上部開有3條徑向縫，在2條厚壁上開軸向流道?？蓳Q式普通噴嘴通過加工的流道與鉆頭內(nèi)腔相連，在安裝普通噴嘴之前，先將“O”形密封圈放到槽里，然后將普通噴嘴緩勁旋入。超高壓管下部通過螺紋與鉆頭體相連，通過斜面密封，然后通過鉆頭體上加工好的超高壓流道與超高壓噴嘴相接，超高壓噴嘴放在外套內(nèi)，通過內(nèi)有通孔的圓柱體與超高壓流道相通。超高壓噴嘴、圓柱體、外套與鉆頭體之間由“O”形密封圈進(jìn)行密封。

圖2 超高壓雙流道PDC鉆頭結(jié)構(gòu)

3.1.2 增壓裝置動(dòng)力轉(zhuǎn)換體

在螺桿式增壓裝置中，轉(zhuǎn)換體的主要功能就是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成軸向運(yùn)動(dòng)，由動(dòng)力轉(zhuǎn)換體內(nèi)的圓柱凸輪槽實(shí)現(xiàn)此轉(zhuǎn)換過程。因此，動(dòng)力轉(zhuǎn)換的效率取決于動(dòng)力裝換體內(nèi)部斜置圓柱凸輪槽的設(shè)計(jì)是否合理。動(dòng)力轉(zhuǎn)換體內(nèi)部斜置的凸輪槽運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)化如圖3所示。

圖3 凸輪軌跡平面展開簡(jiǎn)化示意

為了達(dá)到增壓需要，在凸輪槽軌跡的設(shè)計(jì)中必須確定如圖3所示的恰當(dāng)?shù)膲嚎s角度α、提升角度β。在這個(gè)臨界提升角度β下，柱塞結(jié)構(gòu)總成恰好被提升，其受力分析如圖4所示。

圖4 柱塞轉(zhuǎn)換體提升段受力分析

豎直方向的受力平衡表達(dá)式為

其中，

式中，F(xiàn)1為柱塞總成所受的提升力，N；F2為花鍵部位所受的正壓力，N；f1為柱塞總成提升時(shí)花鍵部位所產(chǎn)生的摩擦力，N；μ為剛體之間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)。

查機(jī)械手冊(cè)可得，剛體與剛體之間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)μ＝0.15，將式（1）～（2）代入式（3）可得

由于動(dòng)力轉(zhuǎn)換體質(zhì)量遠(yuǎn)小于柱塞總成所受的提升力F1，因此動(dòng)力轉(zhuǎn)換體的質(zhì)量可忽略不計(jì)，則式（4）可寫為

可求得動(dòng)力轉(zhuǎn)換體臨界提升角β＝81.5°。

3.2 參數(shù)確定

3.2.1 增壓器沖程

根據(jù)圓筒內(nèi)凸輪槽軌跡線的設(shè)計(jì)原則，內(nèi)凸輪槽最高點(diǎn)在圓筒內(nèi)不同圓周角度下、不同沖程所對(duì)應(yīng)的提升角如表1所示。

表1 內(nèi)凸輪槽提升段在不同凸輪高點(diǎn)下、不同沖程對(duì)應(yīng)的提升角 （°）

3.2.2 增壓裝置柱塞直徑

由表1可知，內(nèi)凸輪槽提升段在圓筒內(nèi)不同圓周角度下、不同沖程所對(duì)應(yīng)的提升角均小于臨界提升角β＝81.5°，因此本設(shè)計(jì)是可行的。但在計(jì)算求解臨界提升角度β時(shí)未考慮動(dòng)力轉(zhuǎn)換體的重力及由于柱塞高壓密封所產(chǎn)生的摩擦力，因此所求得的臨界提升角β比真實(shí)的臨界提升角度要大；此外，處于安全考慮，所設(shè)計(jì)的圓筒內(nèi)凸輪槽提升角應(yīng)該比真實(shí)臨界角度還要小一點(diǎn)。綜合考慮以上因素，圓筒內(nèi)凸輪槽的真實(shí)提升角度選擇70°左右比較理想。

由表1可查知，提升角69.23°以及69.51°均符合設(shè)計(jì)要求。但是從增壓器流量方面考慮，取提升角69.23°更為理想，其所對(duì)應(yīng)的圓筒內(nèi)圓周的角度為240°、提升高度為90mm，即增壓裝置的壓縮行程所對(duì)應(yīng)的銷軸轉(zhuǎn)過角度為240°，增壓器的沖程為90mm。

圓筒內(nèi)圓周凸輪槽軌跡線平面展開圖的提升角度為69.23°、柱塞沖程為90mm、增壓裝置壓縮行程所對(duì)應(yīng)的銷軸轉(zhuǎn)過的角度為240°，但是在進(jìn)行力的分析時(shí)，必須以圓筒內(nèi)凸輪槽的中徑為準(zhǔn)來計(jì)算凸輪槽中徑軌跡展開圖的壓縮角和提升角；根據(jù)圓筒內(nèi)凸輪槽的提升高度90mm及增壓裝置壓縮行程所對(duì)應(yīng)的銷軸行程240°，繪制出凸輪槽在中徑時(shí)的平面展開圖，如圖5所示。

圖5 圓筒內(nèi)凸輪槽內(nèi)表面在中徑的平面展開圖

由圖4可得：圓柱內(nèi)凸輪槽中徑的平面展開圖壓縮段壓縮角為18°、提升段提升角為39.3°，并由此得出動(dòng)力轉(zhuǎn)換體在壓縮段的受力情況，如圖6所示。

圖6 動(dòng)力轉(zhuǎn)換體壓縮段受力分析

通過計(jì)算得到水射流在不同壓力、不同柱塞直徑下柱塞所需推力，如表2所示。

設(shè)計(jì)中選擇柱塞直徑為60mm，水射流壓力為90MPa比較合適，即FT＝2.54×105N，D＝60mm。

4 結(jié)論

1） 提出了一種利用螺桿鉆具作為動(dòng)力提高鉆井液噴射壓力的井下增壓裝置的設(shè)計(jì)理念，并設(shè)計(jì)了將螺桿鉆具的周向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為增壓腔內(nèi)柱塞軸線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2） 得到了井下螺桿增壓提速裝置的關(guān)鍵參數(shù)：動(dòng)力轉(zhuǎn)換體提升角度為69.23°，增壓器的沖程為90mm，柱塞直徑為60mm。

3） 設(shè)計(jì)了配套的超高壓雙流道鉆頭，為實(shí)現(xiàn)井底的超高壓射流破巖提供了保障。

表2 水射流在不同壓力、不同柱塞直徑下柱塞所需推力FT N

［1］ W·泰拉斯波爾斯基.井下液動(dòng)鉆具［M］.李克向，姜義忠，胡澤明，譯.北京：石油工業(yè)出版社，1991：130－150.

［2］ 成 海，王甲昌，楊本靈.國(guó)內(nèi)外井底增壓噴射鉆井技術(shù)研究現(xiàn)狀［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37（6）：34－38.

［3］ 宋祖廠，陳建民，劉 豐.基于SPH算法的高壓水射流破巖機(jī)理數(shù)值模擬［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（12）：39－43.

［4］ 趙軍友，徐依吉，孫培先，等.雙螺旋槽螺桿馬達(dá)井下增壓器設(shè)計(jì)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（12）：34－37.

［5］ 于衛(wèi)東，殷鳳玲，孫 偉，等.螺桿鉆具在深井快速鉆進(jìn)中的應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（4）：92－94.

［6］ 陳 勇，陳若銘，張興國(guó)，等.PDC鉆頭反扭矩分析及控制技術(shù)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（5）：59－61.

［7］ 王德玉.井下增壓器的結(jié)構(gòu)初探［J］.西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，1995，17（3）：109－112.

［8］ 李明謙，黃繼慶，袁洪濤.螺桿鉆具殼體斷裂分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（6）：22－25.

［9］ 苗同勇，劉永旺，趙 偉，等.等壁厚螺桿鉆具及應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（10）：72－76.

［10］ 姜美旭，顏廷俊，張 揚(yáng)，等.基于LS－DYNA的粒子沖擊破巖機(jī)理及參數(shù)優(yōu)化［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（8）：14－18.

［11］ 曾 英，龍 輝，涂能安，等.牙輪鉆頭不同輪頭速比破巖量仿真分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（1）：45－48.

［12］ Veenhuizen S D.Development and Testing of Downhole Pump for High－Pressure Jet－Assist Drilling［R］，SPE／IADC 38581.

Design of Key Component for Down－h(huán)ole Screw－type Pressure Intensifier for ROP Enhancement

ZHANG Yu－ying，ZHAO Jian，BA Lu－jun，LIU Yong－wang，XU Yi－ji
（College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China）

ROP enhancement has been an important research direction in major oil drilling companies for long time，which shows that improving the bottom drill bit nozzle jet pressure can significantly increase drilling speed in oil and gas drilling practice.Down－h(huán)ole Screw－type Pressure Intensifier is a new kind of down－h(huán)ole Device，using helicoid hydraulic motor as the power，converting the rotation movement of the helicoid hydraulic motor into the reciprocating movement of the piston pump by a spiral cant type reverse mechanism.Part of the total drilling fluid can be pressurized up to 80～100MPa.The high pressure drilling fluid erupts by the ultra high pressure nozzles in the ultra high pressure PDC bit.The rock breaking was realized by this device，to improve the rock breaking efficiency，to increase drilling speed，thus the drilling cost is reduced remarkably.

down－h(huán)ole pressure intensifier；screw pump；reverse mechanism；extra high pressure water jet

1001－3482（2012）03－0031－05

TE921.2

A

2011－09－23

中國(guó)石油集團(tuán)公司重點(diǎn)研究課題（05A20301）

張玉英（1961－），男，山東魚臺(tái)人，高級(jí)工程師，中國(guó)石油大學(xué)（華東）在讀博士研究生，主要從事井下系統(tǒng)、信息與控制工程及高壓射流破巖技術(shù)研究。