賈紅軍，王 攀，馮偉雄，張俊杰，邱曉寧

(1.中國(guó)石油塔里木油田分公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000； 2.中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司，天津 300000)

0 引 言

深井及超深井鉆井過(guò)程中，鉆遇硬巖幾率較大，動(dòng)力沿程損失大，液柱對(duì)井底的壓持效應(yīng)明顯，鉆井速度慢，嚴(yán)重制約了油氣田開(kāi)發(fā)進(jìn)程[1-2]。沖擊器利用井底水力脈動(dòng)，對(duì)鉆頭施加適當(dāng)?shù)闹芷谛詻_擊作用力，通過(guò)改善井底附近巖石或鉆頭的受力狀況來(lái)提高鉆頭的破巖鉆井效率，是已為實(shí)踐證明的有效技術(shù)手段[3-5]。目前，已存在單一功能的軸向振動(dòng)沖擊工具和周向振動(dòng)沖擊工具，但其核心部件易損壞，壽命短，提速效果仍待提升[6-9]。在前人研究基礎(chǔ)上，將脈沖射流和沖擊振動(dòng)鉆井技術(shù)進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，克服彼此的不足，研制了一種工作原理全新的鉆井沖擊器，即高頻低幅扭轉(zhuǎn)振蕩耦合沖擊器，有望成為深井硬巖地層提速的重要工具之一。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

高頻低幅扭轉(zhuǎn)振蕩耦合沖擊器安裝在鉆頭與鉆鋌之間，主要包括鉆鋌短接、分流器、中心管、液動(dòng)錘、啟動(dòng)器和沖擊傳動(dòng)短接等(圖1)。鉆鋌短接的下部與沖擊傳動(dòng)短接連接，鉆鋌短接與沖擊傳動(dòng)短接之間安裝分流器、啟動(dòng)器和脈沖振蕩腔；分流器為漏斗形部件，分流器下端口與啟動(dòng)器的入口相通，連接方式為螺紋連接；啟動(dòng)器與沖擊傳動(dòng)短接通過(guò)螺紋連接在一起，啟動(dòng)器中有液動(dòng)錘，這些結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成了3個(gè)流體通道，即中心管節(jié)流通道、液動(dòng)錘驅(qū)動(dòng)通道和啟動(dòng)器換向驅(qū)動(dòng)通道；脈沖振蕩腔由安裝在中心管中的匯流噴嘴和啟動(dòng)器外殼下接頭共同構(gòu)成。其工作原理為：鉆井液流體進(jìn)入高頻低幅扭轉(zhuǎn)振蕩耦合沖擊器后，與液動(dòng)錘和啟動(dòng)器協(xié)同作用產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)沖擊，并通過(guò)沖擊傳動(dòng)短接傳遞給鉆頭。同時(shí)鉆井液經(jīng)過(guò)下部脈沖振蕩腔，產(chǎn)生脈沖射流作用于鉆頭，使鉆頭具有軸向振動(dòng)，鉆頭在扭轉(zhuǎn)振蕩耦合沖擊器作用下既有了扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，又有了軸向振動(dòng)。

圖1 高頻低幅扭轉(zhuǎn)振蕩耦合沖擊器結(jié)構(gòu)

2 有限元分析

2.1 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)強(qiáng)度分析

應(yīng)用Solidworks軟件的Simulation插件對(duì)所設(shè)計(jì)的沖擊器進(jìn)行靜力學(xué)強(qiáng)度分析，包括應(yīng)力、位移和應(yīng)變分析等(圖2)，對(duì)易發(fā)生斷裂失效的不安全區(qū)域，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

模擬井下實(shí)際工況：井深為1 500 m，地溫梯度為0.032 ℃/m，地表溫度為20 ℃，鉆井液密度為1.0 g/cm3。模擬實(shí)際工作載荷：鉆壓為80 kN，扭矩為2 500 N，內(nèi)壓為16 MPa，外壓為15 MPa。

由圖2a、b可知：應(yīng)力最集中的地方和應(yīng)變最大的地方都在傳動(dòng)短接和砧子相連接的部位，此處的最大應(yīng)力為293 MPa，而材料屈服極限為530 MPa，安全系數(shù)僅為1.81；為防止生產(chǎn)事故的發(fā)生，需將傳動(dòng)短接和砧子相連接的部位厚度加大，增大其承載性能，提高整體強(qiáng)度和剛度，避免在使用過(guò)程中發(fā)生斷裂失效。由圖2c可知，最大位移為0.023 5 mm，位移變形較小，說(shuō)明當(dāng)前結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)是安全的。

圖2 高頻低幅扭轉(zhuǎn)振蕩耦合沖擊器靜力學(xué)強(qiáng)度分析

2.2 內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)分析

使用Fluent有限元軟件對(duì)流體在沖擊器內(nèi)部流道中的運(yùn)動(dòng)及壓力狀態(tài)進(jìn)行模擬仿真(圖3、4)。模擬參數(shù)：鉆井液密度為1.0 g/cm3，泵的排量為32 L/s，入口和出口鉆鋌的直徑為76 mm，泵的壓力為10 MPa。

圖3 沖擊器內(nèi)部流道壓力損耗情況

圖4 沖擊器內(nèi)部流道的流體流速分布

由圖3可知，到達(dá)沖擊器入口的壓力為7.0 MPa，由于沖擊器中心節(jié)流噴嘴的節(jié)流效應(yīng)，出口壓力降低為4.7 MPa，壓力總消耗達(dá)2.3 MPa。由圖4可知，沖擊器由內(nèi)向外流體流速逐漸降低，沖擊器中心節(jié)流噴嘴截面積最小，此處鉆井液流速最大為44.1 m/s，鉆井液對(duì)工具的沖蝕也最為明顯，因此，需強(qiáng)化此處的耐沖蝕性能。

2.3 自激振腔結(jié)構(gòu)分析

軸向沖擊振動(dòng)部分采用自激振蕩原理實(shí)現(xiàn)軸向沖擊，沖擊能量來(lái)源于自激振蕩脈沖射流。為確定自激振蕩腔的最佳參數(shù)，利用Comsol有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬。如圖5所示，脈沖射流噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括上噴嘴直徑d1，下噴嘴直徑d2，振蕩腔長(zhǎng)度L，振蕩腔直徑D，下噴嘴錐角α。

圖5 自激振蕩腔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

為研究射流元件的結(jié)構(gòu)特性及其尺寸變化對(duì)自激振蕩脈沖射流性質(zhì)的影響，射流元件各結(jié)構(gòu)參數(shù)皆為可變參數(shù)[10-12]。選用L9(34)正交實(shí)驗(yàn)[13-15]，以空化負(fù)壓為目標(biāo)參數(shù)，對(duì)射流元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合進(jìn)行優(yōu)選(表1)。結(jié)果表明，各參數(shù)對(duì)自激振蕩脈沖射流性質(zhì)的影響規(guī)律基本一致，影響由大到小依次為上下噴嘴直徑比d1/d2、腔長(zhǎng)腔徑比L/D、下噴嘴錐角α。在正交實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上優(yōu)選出自激振蕩射流發(fā)生器最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為：d1/d2=0.75，L/D=0.8，α=130 °。

基于各種仿真校核軟件的計(jì)算結(jié)果，加工了一套全尺寸高頻低幅扭轉(zhuǎn)振蕩耦合沖擊器。本體外徑為182 mm，適用于Φ215.9 mm井眼，工具長(zhǎng)度為760 mm，中心最小節(jié)流面積等效直徑為8 cm。相關(guān)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高頻低幅扭轉(zhuǎn)振蕩耦合沖擊器的縱向振動(dòng)作用響應(yīng)明顯，工具原理可行，且工具結(jié)構(gòu)安全性滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求。

表1 射流元件幾何結(jié)構(gòu)正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證高頻低幅扭轉(zhuǎn)振蕩耦合沖擊器的有效性，進(jìn)行了3口井5井次試驗(yàn)，累計(jì)進(jìn)尺648 m，平均機(jī)械鉆速為1.85～9.97 m/h，是同區(qū)塊鄰井使用常規(guī)鉆井方式平均機(jī)械鉆速的1.67～1.91倍。以B區(qū)塊K井泥質(zhì)粉砂巖(4 530～4 612 m)、泥質(zhì)灰?guī)r(4 801～4 909 m)井段為例(表2)，4 530～4 612 m井段采用60～100 kN鉆壓鉆進(jìn)，進(jìn)尺82 m，機(jī)械鉆速為1.85 m/h，同鄰井同地層常規(guī)鉆井方式對(duì)比，機(jī)械鉆速提高50.4%。4 801～4 909 m井段采用60～120 kN鉆壓鉆進(jìn)，進(jìn)尺108 m，機(jī)械鉆速為2.30 m/h，同鄰井同地層常規(guī)鉆井方式對(duì)比，機(jī)械鉆速提高86.9%。

表2 高頻低幅扭轉(zhuǎn)振蕩耦合沖擊器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

機(jī)械比能理論是目前評(píng)判鉆頭工作狀況的最為常用方法之一，在理想機(jī)械鉆速條件下消耗的比能越小，則表示采用的鉆井方式或施加的鉆井參數(shù)越合理，鉆頭與地層越匹配[16-19]。為評(píng)估高頻低幅扭轉(zhuǎn)振蕩耦合沖擊器在試驗(yàn)井工作期間的鉆頭工作效率，對(duì)B區(qū)塊K井工程錄井參數(shù)(鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)速、鉆速及排量等)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，按文獻(xiàn)[20]所述模型計(jì)算K井4 500～5 000 m井段的機(jī)械比能(圖6)。

由圖6可知：在4 530～4 612 m井段和4 801～4 909 m井段，高頻低幅扭轉(zhuǎn)振蕩耦合沖擊器扭矩波動(dòng)平穩(wěn)，波動(dòng)幅度低于5%，鉆頭吃入地層能力好，機(jī)械比能平均值為28 MPa，現(xiàn)場(chǎng)鉆頭取出后新度均達(dá)到95%以上。在同等鉆井參數(shù)條件下，采用常規(guī)鐘擺鉆具鉆進(jìn)井段(4 000～4 529、4 612～4 800、4 910～5 000 m)扭矩為4.3～8.7 kN·m，波動(dòng)較大，即鉆頭處出現(xiàn)劇烈的黏滑振動(dòng)，機(jī)械比能在8～107 MPa之間變化，平均值達(dá)到52 MPa，為高頻低幅扭轉(zhuǎn)振蕩耦合沖擊器試驗(yàn)井段的1.86倍，起出鉆頭后有崩齒現(xiàn)象，新度僅為80%～85%。高頻低幅扭轉(zhuǎn)振蕩耦合沖擊器能夠明顯改善鉆頭在井底的工作狀況，提升鉆頭的工作效率。

圖6 B區(qū)塊K井4 000～5 000 m機(jī)械比能與扭矩變化情況

整體分析，研制的高頻低幅扭轉(zhuǎn)振蕩耦合沖擊器在試驗(yàn)井應(yīng)用提速效果均較為顯著，工具的工作壽命超過(guò)150 h，完全能夠與鉆頭壽命相匹配。與鄰井同層位鉆井效果對(duì)比分析可知，該裝置可提高機(jī)械鉆速，對(duì)鉆頭的保護(hù)效果也較為顯著。此外，工具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作安全可靠、安裝使用方便，不影響現(xiàn)有的鉆具結(jié)構(gòu)，不會(huì)對(duì)鉆井施工造成負(fù)面影響，是深部硬質(zhì)地層鉆井提速的有效手段。通過(guò)不斷優(yōu)化升級(jí)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，高頻低幅扭轉(zhuǎn)振蕩耦合沖擊提速工具的壽命、穩(wěn)定性、提速效果等性能顯著，已具備了產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)，但工具的多樣化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化及規(guī)范化有待進(jìn)一步健全和完善。下步將開(kāi)展高頻低幅扭轉(zhuǎn)振蕩耦合沖擊器的工具產(chǎn)業(yè)化研究，形成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的鉆井提速提效工具技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全井型、全井段提速目標(biāo)。

4 結(jié)論與建議

(1) 設(shè)計(jì)了一套適用于深井堅(jiān)硬巖層的高頻低幅扭轉(zhuǎn)振蕩耦合沖擊器。利用有限元分析軟件對(duì)沖擊器進(jìn)行了仿真分析，包括應(yīng)力與扭曲分析、沖擊器流道、自激振蕩腔等，并提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

(2) 高頻低幅扭轉(zhuǎn)振蕩耦合沖擊器通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，提速效果明顯，且能夠明顯改善鉆頭在井底的工作狀況，提升鉆頭的工作效率。

(3) 研制的高頻低幅扭轉(zhuǎn)振蕩耦合沖擊器可消除鉆頭在深井、超深井等難鉆地層的鉆頭吃入差、卡滑問(wèn)題，增強(qiáng)鉆頭破巖能力，有望成為深部硬質(zhì)地層鉆井提速的有效手段。下步將繼續(xù)開(kāi)展工具的多樣化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化及規(guī)范化研究，實(shí)現(xiàn)全井型、全井段提速目標(biāo)。