車繼勇，譙正武，李明娜

(上海藍濱石化設(shè)備有限責任公司，上海 201518)

目前，國內(nèi)油氣田大多處于勘探開發(fā)中后期，開采難度大、成本高，需要采用新技術(shù)、新工藝來提高效率，降低成本。工程實踐表明，使用軸向沖擊鉆井工具、扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具，可以提高深部難鉆地層的機械鉆速，延長鉆頭的使用壽命[1-3]。近幾年，沖擊鉆井工具的研究成為熱點之一，出現(xiàn)由液力驅(qū)動或機械驅(qū)動的多種軸向沖擊、扭轉(zhuǎn)沖擊、復(fù)合沖擊鉆井工具[4-6]。鉆井工具在幾千米深井中處于高壓、高溫的惡劣工作環(huán)境，出現(xiàn)故障時無法在井內(nèi)維修，難以分析和確定故障原因，只能從井中起出，不僅降低生產(chǎn)效率，還增加油田的開發(fā)成本。因此，開展鉆井工具研究，提高其可靠性和鉆進效率至關(guān)重要。在井下工具的研發(fā)過程中，通過地面模擬試驗裝置進行試驗、測試，為其結(jié)構(gòu)改進、優(yōu)化技術(shù)參數(shù)及選擇最佳施工工藝參數(shù)提供了可靠的技術(shù)支撐。

前人對軸向沖擊、扭轉(zhuǎn)沖擊條件下PDC鉆頭的破巖效率，近鉆頭扭轉(zhuǎn)沖擊器破巖機理及應(yīng)用已做過許多研究[7-13]。但是，對復(fù)合沖擊條件下的沖擊加速度、沖擊頻率、沖擊力等參數(shù)變化對鉆頭破碎不同種類巖石的效果研究較少。開發(fā)先進、高效的井下沖擊工具產(chǎn)品，需要有前沿可靠的試驗測試手段配合[14]。為此，研制了井下沖擊鉆井工具模擬裝置，連接到多功能試驗機的水龍頭中心管上，下端連接鉆桿及鉆頭。配套清水循環(huán)系統(tǒng)、模擬井筒、測控系統(tǒng)，組成了井下沖擊鉆井工具模擬試驗系統(tǒng)。采用該試驗系統(tǒng)進行巖樣鉆進試驗，可以做3方面的研究：①加裝沖擊工具后鉆頭對巖石的破碎機理；②沖擊參數(shù)的變化對鉆頭鉆進效率的影響；③研究鉆頭鉆進時產(chǎn)生的扭沖力矩和附加沖擊鉆壓對不同巖石破壞規(guī)律。以期為新型井下沖擊工具優(yōu)化設(shè)計、優(yōu)化鉆井工藝參數(shù)提供可靠試驗數(shù)據(jù)。本文介紹了井下沖擊鉆井工具模擬試驗系統(tǒng)組成及主要技術(shù)參數(shù)。重點分析了軸向沖擊鉆井工具模擬裝置、扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具模擬裝置的結(jié)構(gòu)、工作原理。

1 沖擊鉆井工具模擬試驗裝置的基本原理

PDC鉆頭在沖擊載荷的作用下破碎巖石，鉆頭與巖石接觸面處的轉(zhuǎn)矩與鉆壓同時作用于切削齒，有助于提高鉆頭破巖的效率。鉆頭的運動由鉆壓、轉(zhuǎn)矩、鉆速及轉(zhuǎn)速等因素確定[15-16]。沖擊工具的振動頻率、振動幅值、沖擊力等對破巖效率有影響。根據(jù)沖擊工具的類型，其施加的載荷有軸向沖擊載荷、扭轉(zhuǎn)沖擊載荷、復(fù)合沖擊載荷。試驗的目的就是要研究這些參數(shù)的影響規(guī)律。試驗裝置的基本原理：采用1臺鉆采工具多功能試驗機(相當于1臺小型液壓頂部驅(qū)動裝置)，在動力水龍頭的中心管上加裝液壓軸向沖擊模擬裝置和扭轉(zhuǎn)沖擊模擬裝置，分別模擬軸向沖擊鉆井工具和扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具。通過鉆桿把沖擊裝置產(chǎn)生的沖擊鉆壓和附加沖擊轉(zhuǎn)矩施加到鉆頭上，增加鉆頭的破巖能量。該裝置可以單獨施加軸向沖擊載荷、扭轉(zhuǎn)沖擊載荷，分別模擬軸向沖擊工具和扭沖工具工作狀況，也可同時施加軸向沖擊載荷和扭轉(zhuǎn)沖擊載荷(即復(fù)合沖擊)，使鉆頭獲得持續(xù)穩(wěn)定的沖擊力。測試相關(guān)參數(shù)，分析沖擊參數(shù)變化對機械鉆速的影響。

2 試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及技術(shù)參數(shù)

井下沖擊鉆井工具模擬試驗系統(tǒng)組成如圖1所示。

多功能試驗機可為模擬試驗井中的鉆頭施加鉆壓和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)通過地面供液泵及供液管匯為試驗工具提供高壓循環(huán)試驗液(清水)。沖擊工具模擬裝置主要由扭轉(zhuǎn)沖擊模擬裝置和軸向沖擊模擬裝置2個模塊組成，可分別安裝在多功能試驗機水龍頭中心管上，模擬軸向沖擊工具或扭轉(zhuǎn)沖擊工具工況。也可將軸向沖擊和扭轉(zhuǎn)沖擊裝置同時安裝在動力水龍頭中心管上，如圖1中放大圖所示，上部為軸向沖擊模擬裝置，下部為扭轉(zhuǎn)沖擊模擬裝置，即可模擬復(fù)合沖擊工具的工況。沖擊工具模擬裝置通過接頭與鉆桿連接，鉆桿下部連接鉆頭，形成一套完整的試驗系統(tǒng)，整體下入模擬井，對井內(nèi)巖樣進行鉆進試驗。

試驗系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

3 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)及原理

3.1 軸向沖擊工具模擬裝置

圖2為軸向沖擊工具模擬裝置結(jié)構(gòu)。利用軸向沖擊裝置模擬井下軸向沖擊工具。該裝置通過液缸承載架與多功能試驗機加載橫梁相連接。裝置上2個并聯(lián)安裝的伺服液缸同步?jīng)_擊連接在試驗機水龍頭中心管上的承載盤，沖擊力通過動力水龍頭中心管和鉆桿傳遞到鉆頭上，模擬井下軸向沖擊鉆井工具的工作狀態(tài)。伺服沖擊缸活塞桿上安裝高精度位移傳感器、高頻響載荷傳感器，通過數(shù)據(jù)采集模塊采集傳感器輸出信號。測控系統(tǒng)輸出控制信號，對沖擊頻率和幅值進行調(diào)節(jié)，完成不同參數(shù)的沖擊模擬試驗。

1—雙向水龍頭；2—沖擊工具模擬裝置；3—鉆桿；4—井筒；5—PDC鉆頭；6—巖樣；7—過濾器；8—水池；9—供液泵；10—主加載液缸；11—多功能試驗機加載裝置。

表1 井下沖擊鉆井工具模擬試驗系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)

1—多功能試驗機橫梁；2—水龍頭中心管；3—液缸承載架；4—沖擊液缸；5—承載盤。

3.2 扭轉(zhuǎn)沖擊工具模擬裝置

圖3為扭轉(zhuǎn)沖擊工具模擬裝置的結(jié)構(gòu)。該裝置模擬井下扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具的工況。電缸底座通過中心管接頭與試驗機上的水龍頭中心管連接，下端連接鉆桿及鉆頭。4只電動缸固定在電缸底座上，對角安裝的2只電動缸同步交替沖擊承載盤。電動缸活塞頭部安裝沖擊力傳感器，利用控制器調(diào)節(jié)沖擊頻率、沖擊力，地面測控臺通過測控系統(tǒng)可準確控制和精確測量沖擊加速度、沖擊力和沖擊頻率。

1—試驗機橫梁；2—水龍頭中心管；3—電動缸；4—電缸底座；5—承載盤；6—中心管接頭；7—孔式電刷滑環(huán)。

4 液壓及測控系統(tǒng)簡介

液壓系統(tǒng)主要功能是為多功能試驗機加載裝置及軸向沖擊工具模擬裝置上的液壓執(zhí)行元件提供動力。

4.1 鉆頭鉆壓控制原理

多功能試驗機的2支主加載液缸可以給雙向水龍頭中心管加載0～1 000 kN的壓力，此施加的載荷就是鉆頭的鉆壓。主加載液缸由電液伺服比例閥控制，其活塞桿下端裝有拉壓力傳感器，通過電液伺服比例閥+拉壓力傳感器等實現(xiàn)主液缸加載的閉環(huán)自動控制。液壓站由變頻電機、柱塞泵、調(diào)壓閥等組成，采用專用油冷機進行冷卻。該液壓站具備過壓、欠壓報警功能，并采取相應(yīng)保護措施。主液缸控制液壓原理如圖4所示。

測控部分通過西門子200型PLC(可編程控制器)的模擬采集模塊，連續(xù)采集拉壓力傳感器信號。PLC程序(PID)控制電液伺服比例閥的開口，載荷達到設(shè)定值，閥芯到中位，主液缸達到設(shè)定載荷要求值。

通過液晶顯示屏設(shè)定需要的鉆壓值，滿足鉆頭鉆壓0～1 000 kN控制要求，控制精度可達到±1 kN。試驗中測量信號均通過主控計算機存儲、顯示和輸出。試驗結(jié)束可以調(diào)取歷史數(shù)據(jù)，編制試驗表格，繪制試驗數(shù)據(jù)曲線，出具試驗報告。

圖4 主液缸液壓控制原理(鉆壓)

4.2 鉆頭轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制原理

雙向水龍頭中心管的轉(zhuǎn)速就是試驗鉆頭的轉(zhuǎn)速。試驗主機液壓系統(tǒng)中有2臺比例變量泵，這2臺泵為雙向水龍頭中心管的1臺液壓馬達供液，控制液壓馬達的流量，即可控制雙向水龍頭中心管的轉(zhuǎn)速，即，控制試驗鉆頭的轉(zhuǎn)速。

液馬達輸出軸上裝有1臺轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，可測量液壓馬達輸出軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，反饋控制2臺比例變量泵的排量，達到控制雙向水龍頭中心管轉(zhuǎn)速的目的。由于比例變量泵的流量調(diào)節(jié)精度較低，造成液壓馬達輸出軸轉(zhuǎn)速控制精度低，為±5%?？梢约铀欧壤y，提高液壓馬達輸出軸轉(zhuǎn)速的控制精度，達到±2%。通過PLC(可編程控制器)采集模塊采集轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的轉(zhuǎn)速信號，PLC程序控制伺服比例閥開口，形成閉環(huán)PID控制，達到準確控制鉆頭轉(zhuǎn)速的要求。轉(zhuǎn)速控制原理如圖5。

圖5 鉆頭轉(zhuǎn)速控制原理

4.3 軸向沖擊模擬試驗裝置控制原理

利用液壓伺服同步激振系統(tǒng)形成同步激振沖擊，2只非標伺服沖擊缸單缸沖擊力為25 kN。選用PCI-6221型多功能數(shù)據(jù)采集卡對傳感器輸出信號、頻率、幅值等進行采集，同時輸出控制信號對頻率、幅值進行調(diào)節(jié)。保證沖擊頻率在17～34 Hz可控、可測。高頻響載荷傳感器配合高精度MOG伺服閥，精確控制液壓系統(tǒng)的壓力，達到PID精確控制，使沖擊力可控、可測。自制信號調(diào)理板，主要是對傳感器信號進行放大處理，供DAQ采集。沖擊缸的位移信號進入MOG伺服放大器，精確控制MOG伺服閥。測控系統(tǒng)PID閉環(huán)精確控制，使2只雙作用伺服沖擊缸同步工作。軸向沖擊模擬試驗裝置的液壓原理簡圖如圖6所示。

5 試驗驗證

試驗系統(tǒng)安裝完成后，分別進行了軸向沖擊模擬試驗裝置和扭轉(zhuǎn)沖擊模擬試驗裝置2項試驗。試驗步驟為：①按照試驗流程開關(guān)好閥門，啟動自吸泵、泥漿泵，設(shè)定電機頻率10 Hz、流量為16 L/s；②動力水龍頭中心管連接沖擊模擬試驗裝置和鉆桿帶動鉆頭開始鉆進；③鉆進過程中開啟軸向沖擊模擬裝置或扭轉(zhuǎn)沖擊模擬裝置，設(shè)定試驗參數(shù)；④讀取鉆壓、扭矩、流量、沖擊力、附加沖擊鉆壓、沖擊位移、沖擊幅值等參數(shù)。記錄試驗數(shù)據(jù)，鉆完后檢查鉆頭、巖樣如圖7所示，試驗參數(shù)如表2所示。通過對砂巖試樣進行實鉆試驗，附加軸向沖擊模擬裝置，驗證試驗系統(tǒng)的功能及可靠性。

圖6 軸向沖擊模擬試驗裝置液壓原理

表2 沖擊工具模擬裝置巖樣鉆進試驗參數(shù)

a 鉆頭

研究發(fā)現(xiàn)，試驗鉆進過程中加裝沖擊工具后，穩(wěn)定、高頻的扭沖力矩和附加沖擊鉆壓均勻的傳遞到PDC鉆頭，使鉆頭不需要等待積蓄足夠的扭力能量就可以切削地層，有效提高機械鉆速。測試驗證了沖擊試驗裝置各個部分的功能能夠滿足設(shè)計技術(shù)參數(shù)要求，可達到為井下沖擊工具新產(chǎn)品研發(fā)進行優(yōu)化設(shè)計、鉆井工藝的驗證和功能性提供可靠試驗數(shù)據(jù)。沖擊試驗裝置設(shè)計結(jié)構(gòu)新穎且合理緊湊，能很好地模擬軸向沖擊、扭轉(zhuǎn)沖擊及復(fù)合沖擊鉆井工具的工作特性和參數(shù)變化，滿足石油鉆井沖擊工具模擬試驗的需要。

6 結(jié)論

1)研制了一種具有軸向沖擊和扭轉(zhuǎn)沖擊功能的井下沖擊鉆井工具模擬試驗裝置。為井下沖擊工具工作參數(shù)的變化對鉆頭的破巖效率影響提供中間試驗平臺，利用鉆頭在巖樣試驗井中鉆進巖石，研究加裝沖擊裝置后鉆頭對巖石的破碎機理。

2)介紹了試驗裝置的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、技術(shù)參數(shù)、工藝流程及試驗驗證情況。為研究鉆具加裝沖擊工具后產(chǎn)生的沖擊力、扭沖力矩、鉆壓、鉆頭轉(zhuǎn)速等參數(shù)對破巖效率的影響提供試驗平臺。為今后新型井下扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具優(yōu)化設(shè)計、鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計以及鉆井工藝參數(shù)優(yōu)選提供技術(shù)支撐。

3)該井下沖擊鉆井工具模擬試驗裝置已取得2項實用新型專利。