王甲昌， 滕春鳴， 張海平， 張仁龍， 玄令超

(中國石化石油工程技術(shù)研究院)

0 引言

四川、新疆和江蘇等油氣資源勘探開發(fā)區(qū)塊是中石化重要的油氣生產(chǎn)基地，也是中石化打造上游長板的重要戰(zhàn)略基地[1]。以上地區(qū)的深部中硬以上地層巖石可鉆性差[2]，機械鉆速較低，目前鉆井速度還不能滿足勘探開發(fā)的要求。國內(nèi)外的理論研究和試驗表明，旋沖鉆井技術(shù)[3-5]可大幅度提高硬地層鉆井效率，降低鉆井成本。長壽命的高能沖擊器是實施和推廣旋沖鉆井工藝的前提。Hammer motor旋沖鉆具是近年來出現(xiàn)的一個新型軸向沖擊鉆井工具[6]，該工具在鉆頭和螺桿之間安裝一個液力錘，取得了良好的提速效果，目前其技術(shù)尚未成熟，工具井下工作穩(wěn)定性與現(xiàn)場要求還有一定差距。

筆者探索研制一種螺桿作為驅(qū)動力的機械式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具[7]，結(jié)合沖擊鉆井和螺桿鉆井各自優(yōu)勢，設(shè)計了一種新型沖擊鉆井提速工具，該工具在驅(qū)動鉆頭高速旋轉(zhuǎn)時對鉆頭施加高頻沖擊，實現(xiàn)了高頻旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井，現(xiàn)場試驗取得了較好的效果。

1 機械式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具由旁通閥總成、馬達動力總成、馬達驅(qū)動軸總成、傳動軸總成和沖擊發(fā)生機構(gòu)總成組成[8]，見圖1。動力總成為鉆頭提供轉(zhuǎn)速和輸出扭矩。

圖1 機械式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具

圖2 沖擊發(fā)生機構(gòu)工作原理示意圖

機械式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具的沖擊發(fā)生機構(gòu)通過固定于外殼的上起振體與下起振體(與輸出軸為一體)嚙合在一起，可以將馬達驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為工具外殼的軸向往復(fù)運動，工具外殼下行時對鉆頭產(chǎn)生沖擊(見圖2)；馬達驅(qū)動軸與下起振體輸出軸通過花鍵聯(lián)接，將馬達旋轉(zhuǎn)動力傳遞給鉆頭。工具沖擊力與所加鉆壓相關(guān)，提離井底即停止沖擊，具有螺桿鉆具與液動錘的雙重功能，在高頻旋轉(zhuǎn)的同時對鉆頭施加高頻沖擊力，沖擊與旋轉(zhuǎn)聯(lián)合作用破巖。該工具沖擊頻率高，沖擊功可調(diào)范圍大，適用地層、鉆頭范圍廣，具有良好的提速前景。

該工具具有如下技術(shù)特點：①工具由傳統(tǒng)螺桿作為動力，可用于直井，而使用彎螺桿作為旋轉(zhuǎn)動力，則可用于定向井；②工具在井底產(chǎn)生并向鉆頭傳遞轉(zhuǎn)速、扭矩及高頻沖擊力，具有沖擊破巖和剪切破巖雙重的破巖效果，可大幅度提高機械鉆速；③工具由純機械裝置組成，使井底鉆具產(chǎn)生良性振動，克服摩阻，有效傳遞鉆壓，保護鉆具及鉆頭，可配合各種鉆頭, 延長鉆頭壽命；④工具在沖擊作用失效后，可作為螺桿鉆具繼續(xù)使用。

2 地面性能實驗

2.1 動力輸出特性參數(shù)測試

為了驗證機械式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，同時測試其輸出性能參數(shù)，分別開展了地面動力輸出特性參數(shù)和沖擊性能參數(shù)測試。圖3為試驗測試連接示意圖。

圖3 試驗測試連接示意圖

無負(fù)載小排量開泵，觀察馬達正常啟動后，逐漸將排量提高至30 L/s，加載扭矩至8 kN·m，同時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始采集實驗數(shù)據(jù)，測定工具工程樣機的轉(zhuǎn)速、扭矩、馬達壓降等馬達特性參數(shù)[9]。

實驗測定，當(dāng)排量為30 L/s、工具的馬達負(fù)載壓力降為4～5 MPa時，其輸出轉(zhuǎn)速為 136～133 r/min，負(fù)載扭矩為6.4～7.6 kN·m，馬達輸出性能參數(shù)滿足設(shè)計要求，其馬達工作正常，驗證了螺桿鉆具與沖擊發(fā)生機構(gòu)聯(lián)接方式、裝配精度滿足旋轉(zhuǎn)動力輸出要求，符合工具設(shè)計要求(見圖4)。

圖4 機械式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具馬達動力特性曲線

由于沖擊發(fā)生機構(gòu)內(nèi)部流道產(chǎn)生一部分壓耗，工具空載壓耗為 4.2 MPa，僅略高于螺桿鉆具在排量30 L/s時的空載壓耗3.0 MPa，工具的整體動力輸出特性參數(shù)滿足現(xiàn)場復(fù)合鉆進工況要求。

2.2 沖擊性能測試

在模擬試驗井裝置上對機械式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具進行地面沖擊性能測試[10]。按照圖5所示，將實驗裝置進行連接。按照鉆具組合(旋轉(zhuǎn)接頭+旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具+鉆桿+減震器+鉆桿+實驗臺架頂驅(qū))，結(jié)合井筒深度(20 m)和臺架調(diào)整范圍，準(zhǔn)備合適長度的短鉆桿及轉(zhuǎn)換接頭等，下鉆至試驗井筒底部，然后開泵循環(huán)，并逐漸加鉆壓，并進行數(shù)據(jù)采集，測定不同鉆壓下工具沖擊性能參數(shù)。

圖5 實驗裝置布局及連接示意圖

機械式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具在鉆壓50 kN、某一排量條件下的沖擊力數(shù)據(jù)如圖6所示。

2.2.1 沖擊力與鉆壓、排量關(guān)系分析

通過對不同鉆壓、不同排量條件下的沖擊性能參數(shù)進行分析，機械式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工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，且明顯看出最大沖擊力比鉆壓高15～20 kN，如圖7所示。對沖擊力采集曲線分析還可以看出，機械式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具的沖擊力曲線為正弦曲線，亦即在實鉆中鉆頭承受的是按正弦曲線周期性變化的鉆壓。

圖6 沖擊力采集曲線

圖7 不同排量下最大沖擊力與鉆壓的關(guān)系曲線圖

2.2.2 沖擊頻率與鉆壓、排量關(guān)系分析

工具的沖擊頻率與馬達轉(zhuǎn)速成正比，其關(guān)系為：沖擊頻率=馬達轉(zhuǎn)速×3/60。由圖4馬達特性曲線知道，工具馬達具有硬特性，即馬達轉(zhuǎn)速在負(fù)載不超過滯動扭矩的情況下，受負(fù)載影響不大，隨著負(fù)載的增加，轉(zhuǎn)速下降很小。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，馬達轉(zhuǎn)速增加，沖擊頻率也增加。

3 現(xiàn)場試驗

目前已研發(fā)出機械式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具工程樣機，先后在四川、勝利油田、江蘇油田、鄂爾多斯等多個區(qū)塊的直井、定向井、水平井試驗應(yīng)用，累計總進尺9 350.00 m，單套工具最長連續(xù)使用時間182.7 h(因鉆至完鉆井深起鉆，其中純鉆時間122.0 h)，在工具壽命與常規(guī)螺桿鉆具基本相當(dāng)?shù)那闆r下，取得了良好的提速效果。

許36A井是江蘇油田一口“直-增-穩(wěn)-降-穩(wěn)”五段制定向井，最大井斜47.5°，下部穩(wěn)斜井段(3 112.00～3 985.00 m，井斜角11°)鉆進摩阻很大，上提摩阻高達360～490 kN，下放摩阻高達240～280 kN，加鉆壓困難，機械鉆速較慢；其古生界志留系高家邊組可鉆性差，地層可鉆性級值約為5～7級，施工難度大。

?178 mm機械式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具在許36A井三開高家邊組3 310.00～3 663.00 m井段進行了現(xiàn)場試驗，因更換直螺桿鉆具組合起鉆。本趟鉆鉆具組合為：?215.9 mm PDC鉆頭+?178.0 mm機械式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具(1.25°)+?165.0 mm浮閥+?159.0 mm鉆鋌×4根+411×410+?127.0 mm加重鉆桿×18根+?127.0 mm鉆桿+方鉆桿，鉆壓60～70 kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速50 r/min。

機械式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具井下工作時間78.6 h，其中純鉆時37.9 h，總進尺353.00 m，平均機械鉆速9.30 m/h。由于江蘇油田鉆探至古生界油井稀少，且多為多年前的施工，為了便于分析機械式旋沖鉆具應(yīng)用效果，特選取試驗井段上下鄰井段同地層(古生界志留系高家邊組)復(fù)合鉆進數(shù)據(jù)進行對比分析。本井從井深3 146.00 m開始進入古生界志留系高家邊組，試驗井段及對比的上下鄰井段地層巖性均為灰黑色泥巖、灰色泥巖、淺灰色頁巖，且均為復(fù)合鉆進，可比性強，試驗井段及上下鄰井段鉆速對比情況表1。由表1可以看出，機械式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆具試驗應(yīng)用井段較同地層上下鄰井段鉆時明顯變快，機械鉆速分別提高360%和235%，顯示出硬地層良好的提速和降摩阻效果。

表1 許36A井機械式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具試驗井段與上下鄰井段鉆速對比

工具出井后，現(xiàn)場測量沖擊行程為4 mm(工具設(shè)計沖擊行程8 mm)，與工具解體后測量的起振體磨損量基本吻合，顯示出工具沖擊壽命基本能夠與常規(guī)螺桿使用要求120 h相匹配。另外本次試驗使用的七刀翼江漢利華F1653JH PDC鉆頭(見表1)出井新度達75%，僅有八顆齒存在不同程度的磨損或斷損，該鉆頭在下部鄰井段(3 663.00～3 843.00 m)配合直螺桿二次入井，繼續(xù)使用至完鉆井深3 843.00 mm；試驗井段的上鄰井段使用國外T1376BPDC鉆頭(見表1)，出井后切削齒掉1顆，其他全部的牙齒都存在較嚴(yán)重的磨損和斷損。對比沖擊鉆進與常規(guī)鉆進用后的鉆頭磨損情況及鉆時，可以看出，使用機械式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具不僅可以大幅提高機械鉆速，還能夠消除鉆頭粘滑現(xiàn)象、鉆壓傳遞平穩(wěn)而保護鉆頭，進而提高鉆頭使用壽命。

4 結(jié)論與建議

1)研制了一種機械式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具，形成了旋轉(zhuǎn)沖擊破巖方式，該工具具有螺桿復(fù)合鉆進和高頻沖擊等雙重功能，結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)優(yōu)勢明顯。

2)對工程樣機進行了動力輸出特性參數(shù)測試和沖擊性能測試，得到了沖擊力和沖擊頻率與鉆壓、排量的關(guān)系，試驗結(jié)果表明，工具的整體動力輸出特性參數(shù)滿足現(xiàn)場復(fù)合鉆進工況要求。

3)機械式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具應(yīng)用于定向井施工，可以降低鉆具摩阻，提高定向施工效率，具有良好的應(yīng)用前景。

4)現(xiàn)場試驗該工具具有較好的提速效果，其中許36A井同井相同地層機械鉆速提高了2倍以上，對加快油田勘探開發(fā)速度、降低鉆井成本有積極的意義。