程漢列

摘要：鉆井旋沖技術(shù)因其快速高效的特點(diǎn)，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，因此被廣泛應(yīng)用于各類勘探開發(fā)、鉆探開采領(lǐng)域，尤其是在頁(yè)巖氣開發(fā)中具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。射流式液?dòng)沖擊工具的能量利用率高，相應(yīng)的適應(yīng)性好，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。在鉆進(jìn)過程中和螺桿馬達(dá)鉆具配合可以很好的避免施工周期長(zhǎng)、鉆進(jìn)效率低、鉆探成本高等難題。本文圍繞射流式液動(dòng)沖擊共具理論分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)沖擊工具工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，對(duì)工具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核，完成了鉆井用射流式液動(dòng)沖擊工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：鉆井工程;旋沖工具;機(jī)械設(shè)計(jì);鉆井提速

中圖分類號(hào)：TE242文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）06-0186-04

在石油鉆井過程中鉆頭的機(jī)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(chǎng)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(qiáng)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(jī)械轉(zhuǎn)速，影響了鉆井的效率。

如今的鉆井工程具有技術(shù)密集、高投資和高風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)。鉆井技術(shù)的優(yōu)劣和水平直接影響油氣勘探開發(fā)效益。在國(guó)外市場(chǎng)鉆井設(shè)備配套、工具儀器研發(fā)、鉆井高新技術(shù)研究與應(yīng)用得到了高度重視和快速發(fā)展，鉆井費(fèi)用的投資也已經(jīng)轉(zhuǎn)矩了勘探開發(fā)總投資的一半以上，鉆井新技術(shù)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(shù)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(chǎn)量等增儲(chǔ)上產(chǎn)的新途徑和主要方法。

常規(guī)的旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法在這些井的鉆進(jìn)過程中遇到的堅(jiān)硬地層下并不能得到很好的收益，破巖效果差，鉆進(jìn)效率低問題是目前此方面應(yīng)該重點(diǎn)解決的，其中井斜問題造成鉆井成本的增加，也成為一個(gè)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(dǎo)致鉆具的損壞。頁(yè)巖氣勘探與開發(fā)的難題主要體現(xiàn)在鉆進(jìn)和鉆進(jìn)過程，需要鉆穿大段堅(jiān)硬地層，提高鉆井速度對(duì)于降成本增效益具有特別突出的意義，而旋沖鉆井技術(shù)正是突破巖層的一項(xiàng)新技術(shù)，旋沖工具提速是符合生產(chǎn)與綜合經(jīng)濟(jì)效益需要的重要技術(shù)。

1 旋沖鉆井提速機(jī)理

1.1旋沖鉆井及鉆具結(jié)構(gòu)

旋沖鉆井技術(shù)就是指旋轉(zhuǎn)鉆井時(shí)，附加一個(gè)由沖擊器產(chǎn)生的高頻沖擊作用，從而能讓鉆頭能周期性的受到?jīng)_擊載荷的作用。作為一種利用井下動(dòng)力鉆井的技術(shù)，特別是PDC鉆頭鉆遇特定巖層扭矩變化大，存在粘滑效應(yīng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)沖擊能較好的抑制影響鉆速的粘滑效應(yīng)。旋沖鉆井利用的是沖擊載荷和靜壓旋轉(zhuǎn)協(xié)同進(jìn)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(shè)備。

液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探就是以回轉(zhuǎn)鉆探為基礎(chǔ)，使用沖洗液驅(qū)動(dòng)的液動(dòng)潛孔錘將固定頻率的沖擊能量施加在鉆頭上，實(shí)際上就是利用鉆頭上所施加的沖擊負(fù)荷進(jìn)行回轉(zhuǎn)鉆探。進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)，液動(dòng)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(duì)其施加沖擊負(fù)荷，其在多種鉆探行業(yè)都有應(yīng)用，如礦產(chǎn)、石油勘探等。作為回轉(zhuǎn)鉆探的重大變革，液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探是在金剛石鉆探之后的新鉆探技術(shù)。此技術(shù)能夠利用質(zhì)地堅(jiān)硬巖石脆性大、抗剪強(qiáng)度低及耐沖擊力差的缺點(diǎn)去有效的應(yīng)對(duì)堅(jiān)硬巖石地層和部分復(fù)雜構(gòu)造巖層鉆探效率低、鉆孔質(zhì)量差的問題。對(duì)于硬脆性地層，此鉆井技術(shù)能提高機(jī)械鉆速30%。

1.2旋沖提速機(jī)理及優(yōu)勢(shì)

機(jī)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(qiáng)度;對(duì)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(xiàn)象，并有利于防止鉆頭泥包;“沖擊傳遞桿”的游動(dòng)行程可防止鉆頭跳動(dòng)，有利于延長(zhǎng)鉆頭壽命，增加進(jìn)尺。

旋沖鉆具的優(yōu)勢(shì)：能夠大幅度提高硬脆性、破碎性，提升地層鉆井速度，在應(yīng)用時(shí)可以提高鉆速達(dá)10%～50%以上，符合目前增產(chǎn)增效的需要;可配合牙輪鉆頭和PDC鉆頭使用，開始運(yùn)用階段多為牙輪鉆頭，隨著技術(shù)的提高，加上錄井的準(zhǔn)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(guān)，提離井底即停止敲擊;旋沖鉆具在使用中對(duì)遙測(cè)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(dá)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(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)，降低近鉆頭摩阻，以此來有效的減少鉆頭磨損，降低相應(yīng)的鉆井成本，滿足一定的井身質(zhì)量要求，避免出現(xiàn)損壞的問題，而在此過程中應(yīng)用旋沖鉆井技術(shù)的更為關(guān)鍵;旋沖鉆具的沖擊錘與水力振蕩器一起，在大位移鉆井應(yīng)用，改善應(yīng)用效果，延長(zhǎng)水平段;旋沖鉆具可以滿足旋沖鉆井技術(shù)要求，可應(yīng)用任何井型：硬地層/頁(yè)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?dāng)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確值。

1.3旋沖鉆具結(jié)構(gòu)

旋沖鉆具的組成分為動(dòng)力、沖擊、傳壓傳扭等系統(tǒng)構(gòu)成。其中動(dòng)力系統(tǒng)可轉(zhuǎn)化流體能量為機(jī)械能量，其組成為導(dǎo)流體、葉輪等;沖擊系統(tǒng)是轉(zhuǎn)化機(jī)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(jìn)行有效傳遞，其組成為馬達(dá)、液力錘等。其動(dòng)力總成是鉆頭轉(zhuǎn)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(jī)械和液壓綜合作用存在密切的關(guān)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(gè)心軸之間的相互嚙合也可以導(dǎo)致出現(xiàn)軸向運(yùn)動(dòng)，在此基礎(chǔ)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(jī)構(gòu)、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)軸總成+彎角調(diào)節(jié)套、馬達(dá)動(dòng)力總成6-7/8”（/8頭5級(jí)）、上接頭，形成組合鉆具配合適用。

1.4旋沖鉆井破巖特點(diǎn)

旋轉(zhuǎn)鉆井的發(fā)展產(chǎn)生了旋沖鉆井，在進(jìn)行旋沖鉆進(jìn)的過程中，靜載荷和動(dòng)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(chǎn)生一個(gè)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(shí)間，加快巖石變形速度，在沖擊之后，相應(yīng)的沖擊力無法及分散，導(dǎo)致應(yīng)力的波動(dòng)很多，這也加速了巖石脆性降低。而對(duì)比分析可知硬度大的巖石抗壓強(qiáng)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(dǎo)致對(duì)于其后的體積破碎更明顯。

2旋沖工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在鉆井過程中，相應(yīng)的沖擊工具配合鉆具進(jìn)行鉆進(jìn)，而鉆進(jìn)的效果和螺桿，沖擊功、工作頻率等因素存在一定的相關(guān)性。結(jié)合頁(yè)巖氣地層物理屬性、鉆井液性能等因素，設(shè)計(jì)射流式液動(dòng)沖擊工具的外徑為中203mm，長(zhǎng)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(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，文章在設(shè)計(jì)過程中，活塞進(jìn)行往返運(yùn)動(dòng)的行程范圍暫定在20-100mm之間。設(shè)計(jì)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(dòng)沖擊工具結(jié)構(gòu)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(jīng)工具上接頭人液口、上壓蓋6，輸出至射流元件。鉆井液經(jīng)元件噴嘴流出后形成高壓流體附壁在射流元件左右側(cè)，進(jìn)而進(jìn)入到缸體前后腔內(nèi)帶動(dòng)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(jìn)入到后腔，可以在一定的速度作用下推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，到而在達(dá)到終點(diǎn)后，活塞對(duì)缸體后腔產(chǎn)生壓迫，后腔內(nèi)壓力線性遞增，后腔壓力使得高壓流體在射流元件內(nèi)切換至另外一側(cè)，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(yùn)動(dòng)。在活塞此方面的運(yùn)動(dòng)過程中，前腔內(nèi)流體由元件孔排出，射流元件內(nèi)的高速流體會(huì)不斷的出現(xiàn)附壁切換的問題，而導(dǎo)致相應(yīng)的活塞也不斷往復(fù)運(yùn)行。而根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，活塞與沖錘之間相連接，因此兩者都會(huì)在水平面上進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。活塞與沖錘往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的沖擊能傳到到液動(dòng)旋沖工具下部砧子，砧子將沖擊能傳遞至鉆頭，實(shí)現(xiàn)沖擊鉆具的往復(fù)運(yùn)動(dòng)沖擊擊破地下巖層。

這種系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)較為復(fù)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(guān)鍵作用。為了確保工具的使用壽命滿足相應(yīng)的應(yīng)用要求，同時(shí)保證元件不受到鉆井液內(nèi)藥品的損害，不影響工具的準(zhǔn)確性和靈敏性，應(yīng)該確保沖擊器的結(jié)構(gòu)符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。在選擇材料時(shí)一般選擇高強(qiáng)度的合金鋼等專用金屬材料，局部采用經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、同時(shí)強(qiáng)度高的硬質(zhì)合金材料加工，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用需求，完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，做到解決工具本體內(nèi)射流元件的磨損問題、運(yùn)行過程中相應(yīng)的摩擦問題、振動(dòng)問題以等，提高使用壽命。

2.2工具強(qiáng)度

射流式液動(dòng)沖擊工具在鉆井過程中正常工作時(shí)，除了有地層溫度、地層巖性、地層流體壓力、沖擊力相關(guān)因素的影響，與此同時(shí)和外部扭矩也存在一定的相關(guān)性，對(duì)工具本體或多或少會(huì)造成損傷。作為整個(gè)工具最為核心的射流元件在使用過程中可能會(huì)與鉆井液內(nèi)藥品發(fā)生腐蝕反應(yīng)，在高速情況下也可能會(huì)被鉆井液所攜帶的鉆屑沖擊損傷，使得其實(shí)際使用壽命不理想，達(dá)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(huì)導(dǎo)致井段報(bào)廢;同時(shí)根據(jù)甲方要求在三開使用油基鉆井液，內(nèi)含多種化學(xué)藥品，一旦被鉆井液腐蝕可能會(huì)導(dǎo)致零件不靈敏甚至損毀，對(duì)下步施工的準(zhǔn)確性有一定的影響。

為了保證工具可靠耐用，對(duì)工具外殼、內(nèi)部零件的強(qiáng)度要求極其嚴(yán)格，在實(shí)驗(yàn)前必須對(duì)工具各個(gè)部件進(jìn)行剛度檢測(cè)、探傷檢測(cè)，保證能夠滿足與孔底螺桿鉆具配合應(yīng)用時(shí)的剛度要求，在此省略加工過程中對(duì)工件的強(qiáng)度校核過程。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(guān)組、長(zhǎng)興組、吳家坪組525-811m和811-842m井段進(jìn)行了旋沖鉆井提速試驗(yàn)。

第一趟鉆鉆進(jìn)井段525-811m，沖擊器進(jìn)尺工作時(shí)間43h，其中純鉆時(shí)31.5h，總進(jìn)尺286m，平均機(jī)械鉆速9.08m/h，地層為飛仙關(guān)組、長(zhǎng)興組、吳家坪組（610m進(jìn)入長(zhǎng)興組，770m進(jìn)入?yún)羌移航M）。

第二趟鉆鉆進(jìn)井段811-842m，沖擊器進(jìn)尺工作時(shí)間5h，其中純鉆時(shí)2.5h，總進(jìn)尺31m，平均機(jī)械鉆速12.4m/h，地層為吳家坪組。

可以看出：隆頁(yè)2井長(zhǎng)興組使用沖擊器、鉆壓80-100kN鉆進(jìn)比隆頁(yè)1井同地層提速幅度大幅提升，提高72.31%，初步可以驗(yàn)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(yīng)該更顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

目前射流式?jīng)_擊器已在中石化、中石油、中海油及道達(dá)爾等國(guó)內(nèi)外區(qū)塊共計(jì)應(yīng)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(jìn)，不僅縮短了鉆井周期，讓鉆井隊(duì)能夠更快的完井進(jìn)行下一口的的作業(yè)，給鉆井公司帶來了盈利空間。