尹慧博

（中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

彭州頁巖氣區(qū)塊須家河組垂深為2 500 m～4 600 m。地層巖性主要為深灰、黑色（炭質(zhì)）頁巖、粉砂質(zhì)頁巖與灰色粉砂巖、細粒巖屑砂巖略等厚互層。該層段巖石硬度高、研磨性強，還伴隨漏失、掉塊、縮徑等井下復雜情況。采用馬達配合PDC 鉆頭，機械鉆速仍然較低，在2 m/h 左右，造成鉆井周期長，成本高。因此，有必要在該層段引進有效的提速提效技術(shù)。液動射流沖擊器旋沖鉆井技術(shù)是解決硬地層機械鉆速低的有效技術(shù)手段之一，該技術(shù)用于使用液體（泥漿或清水）作為循環(huán)介質(zhì)鉆井提速。液動射流沖擊器在鉆具組合中通常裝在鉆頭上部，在鉆進過程中，當鉆井液流經(jīng)該提速工具時，基于射流附壁原理，液體有規(guī)律的流經(jīng)工具內(nèi)部缸體的上腔和下腔，驅(qū)動活塞沖錘產(chǎn)生往復運動，在軸向?qū)︺@頭施加高頻動載沖擊，輔助鉆頭高效破巖。同時，有利于防止鉆頭憋卡或打滑，也有助于減少跳鉆等有害振動，進而延長鉆頭的使用壽命，提高鉆頭單次進尺，降低鉆井成本，縮短鉆井周期[1-4]。YSC-228 型強力液動射流式?jīng)_擊器在涪陵區(qū)塊Φ333.4 mm 井眼取得成功提速，為本區(qū)塊提速奠定了很好的實踐基礎(chǔ)。因此，結(jié)合本區(qū)塊的地層巖性特點，通過優(yōu)化鉆井參數(shù)、鉆具組合，優(yōu)選射流沖擊器匹配鉆頭，將為該區(qū)塊提供一種新的鉆井提速技術(shù)。

1 彭州4-2D 井地層概況

YSC-228 型強力液動射流式?jīng)_擊器應(yīng)用層段為須家河組，以泥巖、頁巖及砂巖為主，地層堅硬、研磨性強，在該鉆井區(qū)塊，層段巖石抗壓強度平均為148 MPa，最小抗壓強度為67 MPa，最大抗壓強度達278 MPa。由于上部頁巖不穩(wěn)定，造成泥漿黏度增大，泥漿黏度達1.96 mD。該層段采用井下電動機及其他井下動力工具提速效果不明顯，使用混合鉆頭提速效果也不明顯，目前主要采用PDC 鉆頭與螺桿配套使用，機械鉆速在2 m/h 左右。YSC-228 型強力液動射流式?jīng)_擊器應(yīng)用井段深度及地層巖性情況（見表1）。

表1 應(yīng)用井段地層巖性情況

2 強力液動射流式?jīng)_擊器開發(fā)及參數(shù)設(shè)計

強力液動射流式?jīng)_擊器與常規(guī)沖擊器對比，一方面，通過對核心部件缸體結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計，研發(fā)了加工材料，優(yōu)化了加工工藝，大幅度提升了缸體的性能，進而提高了整機有效工作時間；另一方面，在整機工作壽命提高的基礎(chǔ)上，結(jié)合擬應(yīng)用井段的巖石抗鉆特性強化工具的性能參數(shù)，實現(xiàn)高頻大功率沖擊輔助破巖，提高破巖效率。

2.1 核心部件缸體設(shè)計

前期射流沖擊器試驗應(yīng)用過程中，缸體流道采用橡膠密封方式，密封很快失效，嘗試采用焊接方式構(gòu)成缸體流道，但焊縫在高壓交變壓力和沖擊振動下產(chǎn)生開裂，造成缸體失效，成為制約射流沖擊器工業(yè)化應(yīng)用的瓶頸。為徹底解決上述問題，創(chuàng)新設(shè)計了一體化非橡膠密封鑄造缸體，由于沒有橡膠密封材料，也無需焊接，消除了以往出現(xiàn)的密封失效、焊接開裂等問題。同時研制出具有高強度、高耐磨、高韌性材料，整體鑄造成型，消除殘余應(yīng)力，表面滲氮處理，表面硬度達1 100 HV，提高了缸體內(nèi)壁的耐磨性，大大提高了缸體的性能，并將沖擊器的整體壽命提高到了120 h 以上。

2.2 工具整機參數(shù)設(shè)計

常規(guī)沖擊器沖擊功通常在400 J，強力液動射流式?jīng)_擊器沖擊功達660 J，適于提高堅硬巖石破巖的破巖效率。在實際應(yīng)用中還要考慮鉆頭的抗沖擊性能，因此，有必要分析鉆頭的抗沖擊性能，確保工具性能參數(shù)與鉆頭抗沖擊參數(shù)合理匹配（見表2）。YSC-228 型強力射流沖擊器結(jié)構(gòu)示意圖（見圖1）。

表2 YSC-228 型強力液動射流式?jīng)_擊器參數(shù)

圖1 YSC-228 強力射流沖擊器結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 匹配鉆頭優(yōu)選

結(jié)合本次試驗井段的巖石抗鉆特性及鉆頭選型原則，本次試驗優(yōu)選了MQ616J/S323 型鉆頭為沖擊器配套試驗鉆頭。該鉆頭為6 刀翼，雙排齒鉆頭，為了確保該鉆頭與液動射流沖擊器配合使用的安全性和可靠性，對該鉆頭的抗沖擊性能進行了深入分析。液動射流沖擊器在井下工作時，對鉆頭產(chǎn)生軸向沖擊，為此，本文重點分析了鉆頭在軸向沖擊載荷作用下的受力情況。鉆頭冠部的PDC 齒承受軸向載荷，在軸向沖擊載荷的作用下，鉆頭冠部PDC 齒所受到軸向力是不同的，與沖擊器匹配鉆頭冠部PDC 齒所受軸向力分布規(guī)律[5-9]，其中內(nèi)錐齒承受最大的軸向力為1 kN，由內(nèi)向外PDC 齒承受的軸向力逐漸減小（見圖2）。布置在鉆頭外側(cè)的保徑齒則不承受軸向載荷。

圖2 鉆頭冠部PDC 齒承受軸向力的分布規(guī)律

MQ616J/S323 型鉆頭總共有62 顆PDC 齒，其中承載軸向沖擊能的冠部齒有51 顆。該鉆頭的PDC 單齒抗沖擊功為28 J，冠部齒整體抗沖擊能力為1 428 J，而液動射流沖擊器設(shè)計最大沖擊功為348 J，遠遠小于鉆頭所能承載的沖擊功。實際上，鉆頭PDC 齒所受軸向力的分布規(guī)律是內(nèi)錐部位最大，向外依次減小。內(nèi)錐承受載荷為平均載荷的1.8 倍，單齒受到?jīng)_擊功平均6.8 J（348 J/51），內(nèi)錐受到的最大沖擊功為12.24 J（1.8×6.8 J），遠遠低于PDC 單齒所能承受的沖擊功28 J。綜上分析，PDC 鉆頭整體抗沖擊功大于沖擊器設(shè)計的沖擊功，鉆頭單齒承受最大沖擊功是安全的。因此，該鉆頭完全可與液動射流沖擊器配合使用，不會產(chǎn)生崩齒和損壞現(xiàn)象。

為了分析與射流沖擊器配套鉆頭綜合性能，在對鉆頭軸向承載能力分析的基礎(chǔ)上，進一步分析了該鉆頭冠部PDC 齒的扭矩分布規(guī)律，分析結(jié)果（見圖3）。

圖3 鉆頭冠部PDC 齒扭矩的分布規(guī)律

從圖3 可見，在沖擊載荷下，鉆頭冠部齒扭矩從內(nèi)向外逐漸增大，最大達105 N·m。圖中序號1～6，分別代表鉆頭的6 個刀翼，彩色小球代表刀翼上的各個單齒。

2.4 旋沖鉆井參數(shù)設(shè)計

旋沖鉆井參數(shù)包括：排量、鉆壓、轉(zhuǎn)速、沖擊功（沖擊力）及沖擊頻率，即在常規(guī)鉆井參數(shù)的基礎(chǔ)上增加了沖擊器的性能參數(shù)（沖擊功和沖擊頻率）。通常情況下，常規(guī)鉆井參數(shù)保持原鉆井設(shè)計參數(shù)不變，沖擊功和沖擊頻率則依據(jù)擬應(yīng)用井段的巖石抗鉆特性（抗壓強度）確定。通過試驗分析，巖石的抗壓強度與破巖沖擊功存在匹配關(guān)系，巖石產(chǎn)生體積破碎需要一個最小的沖擊功，不同巖石體產(chǎn)生體積破碎所需要的最小沖擊功不同，存在一定的規(guī)律[10，11]，依據(jù)上述規(guī)律優(yōu)化沖擊功，沖擊頻率作為輔助設(shè)計參數(shù)，當確定了沖擊功，相應(yīng)的確定出沖擊頻率（見圖4）。為滿足不同巖層破巖所需沖擊功，沖擊功設(shè)計為可調(diào)節(jié)的，通常采用改變沖錘的質(zhì)量、活塞運動的行程、分流孔的孔徑等方式調(diào)節(jié)。旋沖鉆井優(yōu)化設(shè)計參數(shù)（見表3）。

圖4 泥巖、頁巖、砂巖抗壓強度與沖擊功的關(guān)系

表3 旋沖鉆井參數(shù)設(shè)計

3 現(xiàn)場應(yīng)用

彭州4-2D 井為一口評價井，設(shè)計井深6 545 m，YSC-228 型強力液動射流式?jīng)_擊器應(yīng)用井段2 657 m～3 051 m，該層段巖石抗壓強度在128 MPa～278 MPa?，F(xiàn)場應(yīng)用采用前述提速方案，優(yōu)化了沖擊器性能參數(shù)沖擊功和沖擊頻率；依據(jù)巖石特性、鉆頭模擬分析優(yōu)選匹配鉆頭；通過水力參數(shù)計算，設(shè)計最優(yōu)排量、泵壓等參數(shù)。優(yōu)化了井下鉆具組合：φ333.4 mmPDC+φ244.5 mm 0.75°單彎螺桿+731×630+631×631+YSC-228 型強力液動射流式?jīng)_擊器+631×730+φ330 mm 扶正器+731×731+φ229 mm 浮閥+常規(guī)鉆具+頂驅(qū)。實時跟蹤井下工況，及時調(diào)整鉆壓和轉(zhuǎn)速，優(yōu)選鉆壓100 kN～120 kN，轉(zhuǎn)速90 r/min～100 r/min，排量45 L/s～50 L/s。

鉆進井段2 657 m～3 051 m，進尺294 m，純鉆時間92.5 h，循環(huán)時間18 h。工作時間110.5 h，鉆至3 051 m，中完起鉆，起鉆后檢查工具保持完好。

YSC-228 型強力液動射流式?jīng)_擊器鉆進井段平均機械鉆速4.3 m/h，較上部相鄰井段機械鉆速（3.3 m/h）提高30.3 %，較鄰井鴨深1 井平均機械鉆速（2.5 m/h）同比提高72 %，較鄰井平均機械鉆速（2.2 m/h）同比提高95.5 %（見表4）。

表4 與鄰井鉆速對比情況

由表4 可以看出：在彭州4-2D 井須家河組5 段使用沖擊器與鄰井提速效果顯著。驗證了使用沖擊器鉆井可以有效提高鉆井速度。

綜上，在正常鉆進條件下，使用液動射流沖擊器鉆井，機械鉆速同比可以得到大幅度提升，為該區(qū)塊須家河硬地層鉆井提供了一種新的有效的技術(shù)手段。

4 結(jié)論與建議

（1）通過鉆具組合優(yōu)化設(shè)計，YSC-228 型強力液動射流式?jīng)_擊器匹配鉆頭優(yōu)選，以及液動射流沖擊器旋沖鉆井參數(shù)設(shè)計，在彭州4-2D 井Φ333.4 mm 井眼硬地層成功提速，較鄰井平均機械鉆速同比提高了95.5 %，為該區(qū)塊提供了有效的提速手段；

（2）在堅硬研磨性地層，使用YSC-228 型強力液動射流式?jīng)_擊器在現(xiàn)場應(yīng)用中，針對應(yīng)用井況，通過旋沖鉆井參數(shù)及鉆具優(yōu)化，鉆頭抗沖擊參數(shù)分析及合理匹配，是提高鉆井機械鉆速，減少了鉆頭磨損，增加了鉆頭單次進尺關(guān)鍵；

（3）基于液動射流沖擊器與PDC 鉆頭及螺桿馬達配合的鉆具組合在彭州頁巖氣區(qū)塊須家河上部應(yīng)用，其提速效果得到了充分的證明，在須家河下部地層提速應(yīng)用有待進一步驗證。