索忠偉

(中國(guó)石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

旋沖鉆井技術(shù)是當(dāng)前解決硬巖鉆進(jìn)難題最有效的方法之一，采用該技術(shù)，可使油氣田勘探鉆井平均鉆進(jìn)效率提高20%～100%，在硬地層效果更為顯著，鉆井成本下降20%～50%[1-2]。

旋沖鉆井技術(shù)的主要載體是能夠產(chǎn)生高頻動(dòng)載的液動(dòng)沖擊器，在常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆井的基礎(chǔ)上，增加沖擊作用，加速井底巖石的破碎，進(jìn)而提高破巖效率[3-5]。射流式?jīng)_擊器是液動(dòng)沖擊器的一種，在垂直井中應(yīng)用已取得了良好的提速效果，并已開(kāi)始逐步得到推廣應(yīng)用。在水平井中應(yīng)用其工作壽命和提速效果還需進(jìn)一步開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 射流式?jīng)_擊器工作原理及特點(diǎn)

1.1 射流式?jīng)_擊器工作原理

射流式?jīng)_擊器工作原理[3-5]如圖1所示。當(dāng)高壓流體流經(jīng)射流元件時(shí)，從射流元件噴嘴A噴出，基于射流附壁原理從射流元件噴嘴高速噴出后隨機(jī)附壁射流元件的左側(cè)或右側(cè)，假如射流先附壁于右側(cè)，高速附壁射流由輸出道E進(jìn)入活塞缸體上腔H，推動(dòng)活塞I與活塞連接的沖錘K一起下行，直到撞擊到砧子M端面，產(chǎn)生對(duì)砧子的沖擊。砧子將沖擊力以應(yīng)力波的形式傳遞到鉆頭L，完成一次沖擊作用。增加鉆頭對(duì)井底巖石的破碎效率，提高機(jī)械鉆速。

A-噴嘴出口；B-左控制孔；C-右控制孔；D-左信號(hào)道入口(左輸出道)；E-右信號(hào)道入口(右輸出道)；F-左排空道；G-右排空道；H-活塞上腔；I-活塞；J-活塞下腔；K-沖錘；M-砧子；L-鉆頭

圖1射流式?jīng)_擊器工作原理示意圖
Fig.1Schematic diagram of the efflux-hammer working principle

當(dāng)沖錘與砧子撞擊同時(shí)，活塞停止運(yùn)動(dòng)，沖錘撞擊砧子反彈瞬間上腔形成水擊壓力，水擊壓力信號(hào)通過(guò)信號(hào)道口E反饋到控制孔C出口，迫使射流切換附壁于左側(cè)。高速附壁射流由輸出道D沿缸體外側(cè)通道進(jìn)入缸體下腔J，然后推動(dòng)活塞向上作回程運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到上死點(diǎn)位置時(shí)，缸體下腔J產(chǎn)生激增水壓，水壓信號(hào)通過(guò)左側(cè)信號(hào)道入口D傳遞到控制孔B處，迫使射流切換附壁。周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)高頻動(dòng)載沖擊。缸體上、下腔排出的流體和未進(jìn)入腔體推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)的流體則通過(guò)F、G排空道排出，經(jīng)缸體外側(cè)排空道、過(guò)流接頭及砧子流道流入到井底。

由于沖擊器沖擊作用造成井底巖石應(yīng)力集中，井底巖石在高頻動(dòng)載下塑性降低，脆性增加，更容易產(chǎn)生破裂裂紋，裂紋的產(chǎn)生，大幅度減小了破巖所需的扭矩，有利于PDC鉆頭切削破巖，隨著沖擊的作用增大，裂紋發(fā)育，產(chǎn)生體積破碎坑，加速破巖效率，提高機(jī)械鉆速。

1.2 射流式?jīng)_擊器的特點(diǎn)及水平井施工對(duì)沖擊器的要求

(1)井下作業(yè)安全可靠，即便不工作也不必起鉆，可按常規(guī)鉆井繼續(xù)鉆進(jìn)。

(2)性能參數(shù)具有較大的調(diào)整范圍，不會(huì)影響井下動(dòng)力鉆具和測(cè)量?jī)x器配合使用[10-12]。

(3)在與MWD/LWD配合應(yīng)用時(shí)，不會(huì)影響其信號(hào)傳遞[13-14]。

(4)在鉆具組合中，其位置可與鉆頭直接配合，也可置于動(dòng)力鉆具的上部[15]。

2 水平井射流式?jīng)_擊器現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

試驗(yàn)在KHA1-63井進(jìn)行，當(dāng)完成該井設(shè)計(jì)井深3632 m后，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分2趟鉆進(jìn)行。

綜合考慮螺桿和旋沖鉆井的特點(diǎn)，優(yōu)選出旋沖鉆井參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)井段旋沖鉆井參數(shù)設(shè)計(jì)Table 1 Rotary-percussive drilling design parameters for the test well section

第一套鉆具試驗(yàn)井段為3632～3651 m。純鉆時(shí)間9 h，進(jìn)尺19 m，平均機(jī)械鉆速2.1 m/h。使用常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆井在該區(qū)塊水平井段花崗巖地層鉆進(jìn)，平均機(jī)械鉆速1.5 m/h，使用旋沖鉆井，相比常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆井提速效果顯著。

第二套鉆具試驗(yàn)井段為3651～3700 m。試驗(yàn)采用了沖擊器與螺桿組合，純鉆時(shí)間15.5 h，進(jìn)尺49 m，平均機(jī)械鉆速3.2 m/h。其中，在工具有效工作井段3651～3662 m，進(jìn)尺11 m，純鉆時(shí)間2.2 h，平均機(jī)械鉆速5 m/h。表2列舉了在KHA1-63井8in井眼中，采用射流式?jīng)_擊器鉆進(jìn)與未采用射流式?jīng)_擊器鉆進(jìn)機(jī)械鉆速對(duì)比情況。

從表2可見(jiàn)，在同時(shí)使用沖擊器加螺桿情況下，當(dāng)沖擊器正常工作時(shí)平均機(jī)械鉆速為5.0 m/h，相比上部井段(1～5)使用螺桿，機(jī)械鉆速較最快鉆速(3.8m/h)提高了32%。較上部井段使用同型號(hào)鉆頭(MXL-55DXO)使用螺桿最快機(jī)械鉆速(2.5 m/h)提高了1倍?？梢?jiàn)沖擊器與螺桿配合使用具有顯著的提速效果。

表2 與相鄰井段鉆速對(duì)比情況Table 2 ROP comparison with adjacent well sections

3 存在的問(wèn)題及分析

雖然2套射流式?jīng)_擊器在水平井段試驗(yàn)中有效提高了機(jī)械鉆速，但共同存在井下工作壽命短的問(wèn)題。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后對(duì)沖擊器進(jìn)行了拆檢分析，認(rèn)為造成沖擊器工作時(shí)間短的原因是缸體失效，即在缸體內(nèi)壁流道一側(cè)出現(xiàn)了斷裂。為了查找出問(wèn)題的原因，對(duì)缸體進(jìn)行了材料綜合性能分析，并對(duì)斷塊進(jìn)行了強(qiáng)度分析。

對(duì)使用后發(fā)生斷裂的HHD缸體(試樣一)和H13缸體(試樣二)進(jìn)行了綜合分析。對(duì)比分析2試樣的材料化學(xué)成分、拉伸性能、沖擊性能、硬度、非金屬夾雜物、金相組織和晶粒度，對(duì)斷裂的HHD缸體試樣進(jìn)行斷口分析和滲層厚度檢測(cè)。

3.1 材料化學(xué)成分分析

取H13和HHD兩種不同材料樣塊，進(jìn)行材料化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 材料化學(xué)成分分析結(jié)果 wt%

從表3可見(jiàn)，HHD缸體和H13缸體的化學(xué)成分有較大的差異，HHD缸體材料中Cr、Si、Mo、V的含量明顯低于H13缸體，并且添加了稀土元素Ce進(jìn)行改性。

3.2 組織和夾雜物檢驗(yàn)

采用EDS分析結(jié)果表明，缸體使用HHD材料存在Ce的硫化錳夾雜和稀土氧化物夾雜。缸體采用HHD材料，其內(nèi)表面滲氮層深度為0.12 mm。缸體內(nèi)壁和外壁有明顯的鑄造缺陷，其內(nèi)壁存在滲氮層剝落現(xiàn)象，并在內(nèi)壁產(chǎn)生了幾處裂紋。

H13缸體材料中的非金屬夾雜物數(shù)量比較少，大都呈點(diǎn)狀，尺寸較小，EDS分析顯示，主要是氧化物、硫化物及釩的碳氮化物。材料基體組織為回火索氏體+少量共析碳化物，晶粒度5.0級(jí)。也存在枝晶狀偏析，但沒(méi)有HHD缸體嚴(yán)重，如圖2所示。凹坑內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物中可檢測(cè)到很高的S。材料中也存在較多鑄造疏松缺陷，個(gè)別缺陷尺寸較大，肉眼依稀可見(jiàn)。

3.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

沖擊和拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，HHD缸體的材料強(qiáng)度遠(yuǎn)低于H13，2種材料的塑性和韌性均很低。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4和表5。

表4 拉伸性能測(cè)試結(jié)果Table 4 Tensile test results

表5 室溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果 KV2/J

3.4 硬度測(cè)試

測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 維氏硬度測(cè)試結(jié)果 HV1

由表6可見(jiàn)，HHD缸體滲氮處理后的表面硬度在1000 HV1以上，基體材料的平均硬度為510 HV1；H13缸體材料的基體硬度略高于HHD缸體，平均為528 HV1。

分析結(jié)果表明：

(1)HHD缸體材料基體組織的塑性和韌性都很差，硬度較高，達(dá)HRC50；缸體內(nèi)表面滲氮層的平均深度約為0.12 mm，基體為回火索氏體組織，晶粒度為9.5級(jí)，有明顯的枝晶偏析，存在較多鑄造疏松；材料中含有較多的點(diǎn)狀含稀土Ce的夾雜物和硫化錳夾雜物，個(gè)別含稀土夾雜物尺寸較大，達(dá)到30 μm；缸體屬于多源腐蝕疲勞斷裂，裂紋起源于缸體內(nèi)表面腐蝕坑和露出表面的鑄造疏松缺陷；內(nèi)表面腐蝕坑內(nèi)分析出有含硫腐蝕產(chǎn)物。

注：凹坑內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物中可檢測(cè)到很高的S

圖2腐蝕點(diǎn)微觀形貌和能譜分析
Fig.2Microscopic morphology and energy spectrum analysis of corrosion points

(2)H13缸體：基體材料的塑性和韌性較差，硬度很高，達(dá)HRC51；材料的基體組織為回火索氏體+少量共析碳化物，晶粒度5.0級(jí)，枝晶偏析不明顯，存在大量鑄造疏松缺陷；材料中非金屬夾雜物數(shù)量不多，主要是氧化物、硫化物及釩的碳氮化物，尺寸較小。

綜上分析，缸體在鑄造的過(guò)程中存在著0.5 mm的誤差，缸體設(shè)計(jì)內(nèi)壁為5 mm，加工壁厚4.5 mm，強(qiáng)度降低；熱處理硬度過(guò)高，缸體設(shè)計(jì)硬度為HRC48，實(shí)際熱處理硬度為HRC59，硬度提高材料脆性增強(qiáng)，韌性降低；加工工藝中退刀槽便于加工，但使內(nèi)壁根部厚度減薄1 mm，增加了應(yīng)力集中，降低了內(nèi)壁強(qiáng)度。

4 改進(jìn)方案

通過(guò)設(shè)計(jì)一種水平井用沖擊器沖擊力傳遞機(jī)構(gòu)，能夠使沖擊器在水平井中工作時(shí)減小活塞與活塞缸、活塞桿與壓蓋、沖錘與外管等運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦磨損，更有效地傳遞沖擊能量，提高沖擊器井下工作壽命；沖錘在外管內(nèi)通過(guò)花鍵配合運(yùn)動(dòng)，摩阻小，機(jī)構(gòu)可靠性高。圖3為水平井沖擊器結(jié)構(gòu)示意圖。

1-射流元件；2-活塞缸 3-外缸；4-活塞；5-活塞壓蓋；6-中接頭；7-沖錘 8-外管；9-沖錘花鍵；10-外管花鍵環(huán)；11-砧子

圖3水平井用沖擊器結(jié)構(gòu)示意圖
Fig.3Structural sketch of the fluid powered hammer for horizontal wells

此外，改進(jìn)鑄造材料，選擇鑄造性能更好的H13作為缸體的鑄造材料。改進(jìn)鑄造工藝，針對(duì)現(xiàn)在缸體鑄造成品率低，存在鑄造缺陷的情況，提出改進(jìn)鑄造工藝和檢驗(yàn)手段的具體措施，消除加工誤差。沖擊器改進(jìn)后在國(guó)內(nèi)水平井段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，其工作壽命達(dá)125 h。

5 結(jié)論

(1)射流式?jīng)_擊器在KHA1-63井的試驗(yàn)結(jié)果證明其在水平井段具有顯著提速效果。

(2)缸體過(guò)早失效制約了射流式?jīng)_擊器在水平井段的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

(3)導(dǎo)致缸體失效的關(guān)鍵因素為材料性能和材料缺陷。

(4)通過(guò)沖擊器結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)、加工材料及工藝優(yōu)化，可解決沖擊器水平井過(guò)早失效的問(wèn)題。