王甲昌， 張海平， 張仁龍， 玄令超

(中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

0 引言

國(guó)內(nèi)外的理論研究和試驗(yàn)均證明，旋沖鉆井技術(shù)可以大幅度提高硬地層鉆井效率[1-4]，降低鉆井成本，但目前國(guó)內(nèi)外沖擊鉆井工具普遍存在壽命低、技術(shù)不成熟等問(wèn)題。旋沖螺桿鉆具作為國(guó)內(nèi)最新研制的一種新型沖擊鉆井工具，集合了沖擊鉆井和螺桿鉆井的各自?xún)?yōu)勢(shì)，能夠適用于直井、定向井以及水平井鉆井，可以有效解決硬地層提速、定向鉆進(jìn)托壓[5]等鉆井難題。旋沖螺桿鉆具在臨盤(pán)油田直井和定向井的試驗(yàn)應(yīng)用，提高了試驗(yàn)井段鉆進(jìn)速度，降低了定向鉆進(jìn)摩阻，取得了良好的提速提效效果，顯示了該工具良好的應(yīng)用前景。

1 旋沖螺桿鉆具結(jié)構(gòu)原理

1.1 主要結(jié)構(gòu)

旋沖螺桿鉆具主要由旁通閥及馬達(dá)動(dòng)力總成、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)軸總成、沖擊發(fā)生機(jī)構(gòu)組成(如圖1所示)。該工具上部與鉆鋌或鉆桿連接，下部與鉆頭連接。

旁通閥及馬達(dá)總成為常規(guī)螺桿鉆具的上部主要部件，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)軸總成由常規(guī)螺桿鉆具部件改制而成，由上述部件組成的特制螺桿鉆具為鉆頭和沖擊發(fā)生機(jī)構(gòu)提供轉(zhuǎn)速和輸出扭矩。旋沖螺桿鉆具馬達(dá)

圖1旋沖螺桿鉆具結(jié)構(gòu)

Fig.1Structrue of rotary-percussive PDM

驅(qū)動(dòng)軸總成的傳動(dòng)軸(見(jiàn)圖2)由常規(guī)螺桿鉆具驅(qū)動(dòng)軸總成改制而成，其輸出主軸與沖擊發(fā)生機(jī)構(gòu)主軸通過(guò)花鍵聯(lián)接；馬達(dá)驅(qū)動(dòng)軸總成外殼可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要選擇直外殼或彎外殼，以滿(mǎn)足直井或定向井鉆進(jìn)需求[6-7]。沖擊發(fā)生機(jī)構(gòu)內(nèi)部設(shè)計(jì)有一對(duì)嚙合的凸輪機(jī)構(gòu)，上凸輪體固定在工具外殼上，下凸輪體與工具輸出軸通過(guò)螺紋連接為一體，可以實(shí)現(xiàn)既驅(qū)動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)，又對(duì)鉆頭產(chǎn)生軸向沖擊(如圖3所示)。

圖2旋沖螺桿鉆具傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)

Fig.2Structure of the drive shaft of the rotary-percussive PDM

1.2 工作原理

旋沖螺桿鉆具既可用于復(fù)合鉆進(jìn)，也可以用于滑動(dòng)鉆進(jìn)。鉆進(jìn)時(shí)鉆井液驅(qū)動(dòng)特制螺桿鉆具輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，通過(guò)特制螺桿輸出主軸驅(qū)動(dòng)沖擊發(fā)生機(jī)構(gòu)下凸輪體及輸出軸總成和鉆頭同步轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)依靠沖擊發(fā)生機(jī)構(gòu)上、下凸輪體的嚙合驅(qū)動(dòng)工具外殼及上部鉆具產(chǎn)生軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鉆頭高速旋轉(zhuǎn)條件下的沖擊破巖(見(jiàn)圖3)。

圖3 旋沖螺桿鉆具工作原理示意

如圖4所示，鉆進(jìn)過(guò)程中，假定輸出軸開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)下凸輪與上凸輪齒面嚙合，下凸輪將驅(qū)動(dòng)上凸輪上行，上凸輪則驅(qū)動(dòng)沖擊發(fā)生機(jī)構(gòu)外殼體、特制螺桿鉆具及與螺桿上部相連接的鉆具同步上行；到達(dá)上止點(diǎn)后，在鉆壓的作用下，上凸輪與特制螺桿鉆具及與螺桿上部相連接的鉆具將下行對(duì)鉆頭產(chǎn)生軸向沖擊；如此往復(fù)，實(shí)現(xiàn)鉆頭高轉(zhuǎn)速下的高頻旋沖鉆進(jìn)，提高破巖效率及鉆進(jìn)速度。為了提高沖擊壽命，需避免凸輪組嚙合齒面受到軸向沖擊，因此將工具的沖擊面設(shè)計(jì)在特制螺桿傳動(dòng)軸主軸與沖擊發(fā)生機(jī)構(gòu)輸出軸的連接花鍵軸肩處，為此需合理選擇、優(yōu)化花鍵聯(lián)接長(zhǎng)度，使輸出軸與螺桿傳動(dòng)軸的花鍵軸向滑動(dòng)距離L小于凸輪嚙合面的螺旋升程S。當(dāng)工具提離井底循環(huán)時(shí)上、下凸輪體不再?lài)Ш?，停止沖擊，以延長(zhǎng)工具的沖擊壽命；工具在沖擊作用失效后(上、下凸輪體嚙合齒磨損)，可相當(dāng)于常規(guī)螺桿鉆具繼續(xù)使用。

由于該工具為純機(jī)械裝置組成，在對(duì)鉆頭產(chǎn)生沖擊的同時(shí)，還可以驅(qū)動(dòng)井底鉆具產(chǎn)生軸向良性振動(dòng)，且對(duì)MWD/LWD沒(méi)有影響。應(yīng)用于大摩阻定向井段滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)，工具產(chǎn)生的軸向振動(dòng)將鉆具與井眼之間的靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)摩擦[8-10]，降低鉆具摩阻，既可以有效傳遞鉆壓，保護(hù)鉆具及鉆頭，又可以在大斜度井或水平井中替代水力振蕩器+導(dǎo)向馬達(dá)鉆具組合[11-12]，提高定向鉆進(jìn)效率。

圖4旋沖螺桿鉆具沖擊過(guò)程

Fig.4Impact process of the rotary-percussive PDM

2 工具的沖擊性能分析

工具沖擊原理表明，其沖擊功和沖擊力的大小與鉆壓正相關(guān)，鉆壓愈大，沖擊功和沖擊力越大。現(xiàn)場(chǎng)可以根據(jù)實(shí)際工況選擇不同參數(shù)的螺桿馬達(dá)、鉆進(jìn)參數(shù)，以適應(yīng)不同鉆頭、不同地層的破巖需要。

通過(guò)理論計(jì)算分析，當(dāng)旋沖螺桿鉆具上部鉆具長(zhǎng)度超過(guò)300 m時(shí)，鉆柱長(zhǎng)度對(duì)沖擊功的影響可以忽略，凸輪機(jī)構(gòu)推動(dòng)鉆柱上移所需要的推力基本等于鉆壓值，工具沖擊功W的值也基本等于鉆壓與沖程的乘積，即：

W=Tgh

式中：W——沖擊功，J；T——鉆壓，N；h——沖程，m。

實(shí)際鉆井中，可以通過(guò)調(diào)整鉆壓隨時(shí)改變沖擊功的大小，可以實(shí)現(xiàn)旋沖鉆井及時(shí)根據(jù)地層巖性的變化調(diào)整沖擊功大小。

基于沖擊破巖理論研究成果，對(duì)于?215.9 mm井眼，中硬地層沖擊破巖的沖擊功一般為300～450 J。本工具沖程為10 mm，按實(shí)際鉆壓一般取值40～60 kN，此時(shí)工具沖擊功W為400～600 J，可以滿(mǎn)足中硬地層沖擊破巖需要。

為了評(píng)價(jià)PDC鉆頭與旋沖螺桿鉆具之間匹配的可靠性，在模擬試驗(yàn)井測(cè)量了旋沖螺桿鉆具工作時(shí)對(duì)鉆頭的沖擊力數(shù)值。圖5是旋沖螺桿鉆具在鉆壓50 kN、某一排量條件下的沖擊力數(shù)據(jù)采集曲線圖，可以看出旋沖螺桿鉆具的沖擊力曲線為正弦曲線，亦即在實(shí)鉆中鉆頭承受的是按正弦曲線周期性變化的鉆壓，這種周期性變化的鉆壓對(duì)于減少鉆頭周向粘滑振動(dòng)、保護(hù)鉆頭是有益的[13]。

圖5沖擊力采集曲線

Fig.5Sampling curve of impact forces

圖6是排量為7、10 L/s下最大沖擊力與鉆壓的關(guān)系曲線圖，可以看出旋沖螺桿鉆具的最大沖擊力與鉆壓成線性關(guān)系，鉆壓越大沖擊力越大，但與排量關(guān)系不明顯，且由圖5和圖6可看出最大沖擊力比鉆壓高出15～20 kN。為了保護(hù)PDC復(fù)合片,建議旋沖螺桿鉆具匹配PDC鉆頭鉆進(jìn)時(shí)鉆壓適當(dāng)降低。

工具的沖擊頻率與馬達(dá)轉(zhuǎn)速成正比，馬達(dá)轉(zhuǎn)一圈工具會(huì)產(chǎn)生3次軸向沖擊，因此工具沖擊頻率=馬達(dá)轉(zhuǎn)速×3/60。由于工具馬達(dá)具有硬特性，即馬達(dá)轉(zhuǎn)速在負(fù)載不超過(guò)滯動(dòng)扭矩的情況下，受負(fù)載影響不大，隨著負(fù)載的增加，轉(zhuǎn)速下降很小[14-15]。因此，同一排量下，隨著鉆壓的增加，沖擊頻率基本不變；隨著排量的增加，馬達(dá)轉(zhuǎn)速增加[16]，沖擊頻率也增加。

圖6 不同排量下最大沖擊力與鉆壓的關(guān)系曲線

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

使用旋沖螺桿鉆具鉆井時(shí)，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)沖擊發(fā)生機(jī)構(gòu)產(chǎn)生沖擊運(yùn)動(dòng)，需要消耗一定的輸出扭矩(低于1000 N·m)，與同規(guī)格的螺桿鉆具相比，在鉆井液性能、鉆壓、排量等參數(shù)相同的情況下，泵壓增加值一般不超過(guò)0.5 MPa。由于使用旋沖螺桿鉆具會(huì)增加對(duì)鉆頭的沖擊力，同時(shí)可改善鉆具組合的鉆壓傳遞，因此，建議鉆壓值比常規(guī)螺桿鉆具鉆井鉆壓值小；旋沖螺桿鉆具對(duì)鉆頭、排量和鉆井液性能的要求與常規(guī)螺桿鉆具相同。在對(duì)原理樣機(jī)室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，研制出旋沖螺桿鉆具工程樣機(jī)，先后在臨盤(pán)油田2口井進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用，分別驗(yàn)證了工具安全性、工作可靠性及適用性，顯示了其在直井和定向井中良好的提速效果和降摩阻效果，試驗(yàn)取得了圓滿(mǎn)成功。

3.1 臨969井試驗(yàn)

臨969井位于濟(jì)陽(yáng)坳陷惠民凹陷臨南洼陷臨969井區(qū)沙三上段構(gòu)造圈閉高部位，是一口直井、評(píng)價(jià)井。本井試驗(yàn)采用一根不帶扶正器、直外殼的?178 mm旋沖螺桿鉆具，鉆具組合為?215.9 mm M5567 PDC鉆頭+?178 mm旋沖螺桿鉆具+411X4A10(回壓凡爾)+4A11X410(座鍵)+?178 mm無(wú)磁鉆鋌×1根+?214 mm扶正器+?178 mm鉆鋌×9根+411X4A10+?165 mm鉆鋌×6根+4A11X410+?127 mm鉆桿+方鉆桿，鉆壓30～50 kN，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速80 r/min。

本次試驗(yàn)鉆進(jìn)井段為596～2546 m，地層為明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營(yíng)組。在試驗(yàn)初期，鉆臺(tái)上可以觀察到鉆具產(chǎn)生明顯的縱向振動(dòng)，且隨著時(shí)間推移，井深越來(lái)越深，這種縱向振動(dòng)越來(lái)越??；鉆進(jìn)至井深1800 m左右，由于井深太深，傳導(dǎo)至井口的振動(dòng)衰減越來(lái)越大，且凸輪的磨損也使工具振幅逐漸減小，井口鉆柱縱向振動(dòng)現(xiàn)象逐漸消失。鉆至井深2546 m，考慮到下部地層傾角大，當(dāng)前鉆具組合控制井斜難度越來(lái)越大，決定終止試驗(yàn)，起鉆。本趟鉆工具井下工作時(shí)間103 h，其中純鉆時(shí)65 h，循環(huán)時(shí)間38 h，總進(jìn)尺1950 m，平均機(jī)械鉆速30 m/h。

由于本區(qū)塊目前主要以斜井為主，直井段井深約2000 m，為分析本工具提速效果，與鄰井臨45-斜230井的二開(kāi)上部同井段進(jìn)行了機(jī)械鉆速對(duì)比分析，對(duì)比情況見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，臨969井采用旋沖螺桿鉆具鉆井與鄰井臨45-斜230井同比提高22.1%。盡管試驗(yàn)井段地層可鉆性較好，提速潛力小，但使用本工具鉆進(jìn)后仍然顯示出了沖擊破巖的良好提速效果，機(jī)械鉆速提速達(dá)到20%以上。

表1 臨969井旋沖螺桿鉆具試驗(yàn)井段與鄰井同井段鉆速對(duì)比

3.2 盤(pán)40-斜511井試驗(yàn)

盤(pán)40-斜511井是勝利油田一口二開(kāi)定向井，該井二開(kāi)初始井深301 m，設(shè)計(jì)造斜點(diǎn)1673.31 m，定向段為1673.31～2273.67 m，井斜角48.92°。本井二開(kāi)即使用一根1.5°旋沖螺桿鉆具鉆進(jìn)，鉆具組合為?215.9 mm PDC鉆頭+?178 mm旋沖螺桿鉆具(彎角1.5°)+411X4A10(回壓凡爾)+4A11X410(座鍵)+?165 mm無(wú)磁鉆鋌×1根+4A11X410+?127 mm加重鉆桿×24根+?127 mm鉆桿+方鉆桿，鉆進(jìn)井段301～3043 m，最大井斜49.2°，鉆壓30～60 kN，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速50～60 r/min。

本井使用旋沖螺桿鉆具累計(jì)鉆進(jìn)總進(jìn)尺2742 m，累計(jì)進(jìn)尺工作時(shí)間155 h，其中純鉆時(shí)106 h，平均機(jī)械鉆速25.87 m，與本區(qū)塊鄰井盤(pán)40-斜412井二開(kāi)定向復(fù)合鉆進(jìn)井段同比提高25.4%，對(duì)比情況見(jiàn)表2。

表2 盤(pán)40-斜511井旋沖螺桿鉆具試驗(yàn)井段與鄰井同井段鉆速對(duì)比

本井在試驗(yàn)中還顯示出良好的降摩阻效果，試驗(yàn)井段定向滑動(dòng)鉆進(jìn)較本區(qū)塊同類(lèi)型定向井不僅鉆進(jìn)速度快，而且工具面穩(wěn)定，有效消除或減輕了鉆具托壓現(xiàn)象，大幅提高了定向效率。為了更合理地評(píng)價(jià)使用旋沖螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)和定向鉆進(jìn)提速效果，對(duì)比分析了本井與鄰井盤(pán)40-斜511井工況條件基本相同的2200 m以深穩(wěn)斜井段鉆速，對(duì)比情況見(jiàn)表3。由表3可以看出，本井應(yīng)用旋沖螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)較鄰井盤(pán)40-斜511井復(fù)合鉆進(jìn)鉆速同比提高41.8%，滑動(dòng)鉆進(jìn)鉆速同比提高51.1%。

表3 盤(pán)40-斜511井與盤(pán)40-斜412井下部穩(wěn)斜段鉆速對(duì)比

4 結(jié)論及建議

(1)旋沖螺桿鉆具可以實(shí)現(xiàn)雙驅(qū)復(fù)合鉆進(jìn)條件下的新型沖擊破巖方式，具有螺桿復(fù)合鉆進(jìn)和高頻沖擊等雙重功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。

(2)旋沖螺桿鉆具動(dòng)力輸出特性參數(shù)與同型號(hào)馬達(dá)的螺桿鉆具基本相當(dāng)，沖擊力與鉆壓正相關(guān)，沖擊頻率與馬達(dá)轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，整體性能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)復(fù)合、定向鉆進(jìn)工況要求。

(3)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)顯示旋沖螺桿鉆具具有較好的提速效果，復(fù)合鉆進(jìn)機(jī)械鉆速同比提高了22.1%～41.8%，滑動(dòng)定向機(jī)械鉆速同比提高了50%以上，對(duì)加快油田勘探開(kāi)發(fā)速度、降低鉆井成本有積極的意義。

(4)旋沖螺桿鉆具應(yīng)用于定向井施工，可以降低鉆具摩阻，有效消除或緩解鉆具托壓現(xiàn)象，提高定向施工效率，大大拓寬了其應(yīng)用范圍，具有良好的應(yīng)用前景。