索忠偉

（中國石化石油工程技術研究院，北京 100101）

涪陵頁巖氣田二開?311.1 mm直井段鉆遇的龍?zhí)督M、茅口組地層以灰?guī)r為主，夾碳質泥巖、硅質泥巖，局部含黃鐵礦，軟硬地層交錯，可鉆性差，通常需要2趟鉆才能鉆完該井段[1-4]。使用PDC鉆頭鉆進軟硬交錯地層時，易造成PDC齒剪崩，影響鉆頭使用壽命，且機械鉆速通常為7.00～10.00 m/h，仍有很大的提速空間；使用牙輪鉆頭鉆進時進尺少、鉆速低，平均進尺100.00 m左右，機械鉆速不到5 m/h。因此，需要探索適合涪陵頁巖氣田二開井段的鉆井提速技術，以解決該井段硬地層機械鉆速低、鉆頭使用壽命短和進尺少的問題。

旋沖鉆井技術用于油氣鉆井提速，已得到國內(nèi)外廣泛認同，并日趨成熟[5]。目前，?177.8 mm射流沖擊器已成功推廣應用，主要適用于?215.9～?241.3 mm井段的鉆井提速，但無法滿足?311.1 mm直井段的排量要求，因此，針對?311.1 mm直井段硬地層機械鉆速低、鉆頭使用壽命短等問題，進行了與其相適應的?228.6 mm射流沖擊器的研制。筆者分析了目標層段的技術需求及射流沖擊器的優(yōu)勢，進行了結構參數(shù)設計；開展了臺架性能試驗，得出了行程、沖錘質量及排量對射流沖擊器單次沖擊功、沖擊力、沖擊頻率的影響規(guī)律；根據(jù)臺架試驗結果，優(yōu)化了射流沖擊器的結構性能參數(shù)，并在焦頁109-1HF井進行了現(xiàn)場試驗，取得了顯著提速效果。

1 射流沖擊器的優(yōu)勢及結構設計

1.1 射流沖擊器的優(yōu)勢

涪陵頁巖氣田二開?311.1 mm直井段鉆井僅靠研發(fā)新型鉆頭或僅靠優(yōu)化鉆井參數(shù)已不能滿足提速要求，需要研究“新型高效破巖鉆頭+協(xié)同破巖工具+強化鉆井參數(shù)”的復合鉆井提速技術。旋沖鉆井技術是一種復合鉆井提速技術，是在常規(guī)鉆井的基礎上加裝射流沖擊器，在常規(guī)旋轉破巖的同時，給鉆頭施加高頻沖擊力，從而實現(xiàn)旋轉與沖擊聯(lián)合破巖。尤其是對于硬脆性地層，當沖擊功達到一定值后即可產(chǎn)生“體積破碎”，提高破巖效率，同時延長鉆頭使用壽命，降低井下故障的發(fā)生概率，提高鉆井速度。

射流沖擊器與PDC鉆頭配合使用，能有效發(fā)揮PDC鉆頭鉆速高、進尺長的優(yōu)勢，減少起下鉆次數(shù)，縮短鉆井周期，從而降低鉆井成本。鉆進過程中，射流沖擊器可以將鉆井液的能量轉化為低幅、高頻動載沖擊，該沖擊的周向分力提供脈沖扭矩，與鉆機旋轉系統(tǒng)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)扭矩疊加并傳遞給鉆頭；其軸向分力能夠輔助鉆頭吃入巖層，并造成巖石應力集中，在剪切破巖的同時產(chǎn)生沖擊，壓碎破巖。而且，在鉆進過程中高頻、有規(guī)律的沖擊動載既能防止鉆頭憋卡或打滑，又有助于減少跳鉆等有害振動，進而延長鉆頭的使用壽命，提高單只鉆頭的進尺[6-10]。

1.2 結構設計及工作原理

?228.6 mm射流沖擊器的總體設計方案：優(yōu)選工具材料，優(yōu)化核心部件結構參數(shù)，優(yōu)化傳遞機構參數(shù)，軸向、徑向靜密封選用耐高溫、耐高壓及耐疲勞的橡膠密封件；運動副采用金屬環(huán)槽密封，優(yōu)選運動副表面處理技術；為滿足不同層段的巖性要求，其性能參數(shù)要可調，以確保不影響鉆頭使用壽命；進行強度校核，以確保射流沖擊器的安全性和可靠性。

該射流沖擊器主要由控制機構、動力機構和能量傳遞機構等部分組成，其結構如圖1所示（左端為上部）。

圖1 射流沖擊器結構示意Fig. 1 Schematic diagram of the hydro-efflux hammer

?228.6 mm射流沖擊器既可以直接與鉆頭連接使用，也可放置在螺桿鉆具和MWD之間。

?228.6 mm射流沖擊器的工作原理是：鉆井液循環(huán)時經(jīng)過射流沖擊器上接頭、分流裝置，一部分鉆井液經(jīng)分流裝置兩側的分流孔直接流到井底，不參與做功；另一部分鉆井液流過射流元件（控制機構），基于射流附壁原理，鉆井液流動方向發(fā)生有規(guī)律的高頻切換，使鉆井液交替作用于缸體（動力機構）的上、下腔。如果鉆井液首先從上腔流入，則從下腔排出，推動活塞帶動沖錘向下高速運動（沖程），直到?jīng)_錘沖擊到砧子（傳遞機構），砧子將沖擊產(chǎn)生的能量以應力波的形式傳遞給鉆頭，輔助鉆頭高效破巖，完成一次沖擊。同時，鉆井液在控制機構的作用下，完成流動方向的切換，改變流動方向，即鉆井液從下腔流入，從上腔排出，推動活塞帶動沖錘向上運動（回程），直到活塞運動到上死點，完成一次回程。回程完成后，進入下一輪的沖擊和回程，如此循環(huán)往復，產(chǎn)生高頻連續(xù)沖擊。砧子與八方滑動配合，可以同時傳遞軸向沖擊能量和周向扭矩，軸向傳遞高頻動載沖擊，徑向帶動鉆頭回轉切削復合破巖，從而提高破巖效率。

2 沖擊器性能臺架試驗

通過臺架試驗分析射流沖擊器的性能參數(shù)（沖擊功、沖擊力和沖擊頻率）與結構參數(shù)（行程和沖錘質量）及水力參數(shù)（排量）之間的關系，進而為射流沖擊器的結構及性能參數(shù)優(yōu)化提供試驗依據(jù)。臺架試驗選取不同行程、不同沖錘質量和不同水力參數(shù)，通過系列試驗，分析?228.6 mm射流沖擊器不同條件下沖擊功、沖擊力及沖擊頻率的變化規(guī)律。

2.1 排量對性能參數(shù)的影響

當行程為55.0 mm、沖錘質量為85 kg、分流直徑為15.0 mm時，通過試驗，分析排量對?228.6 mm射流沖擊器性能參數(shù)的影響規(guī)律，試驗結果見表1。

表1 排量對射流沖擊器性能參數(shù)的影響Table 1 Effect of flowrate on performance parameters of hydroefflux hammer

從表1可以看出，其他條件不變時，?228.6 mm射流沖擊器的沖擊力、單次沖擊功、沖擊頻率隨排量增大呈近線性增大。

2.2 行程對性能參數(shù)的影響

當排量為50 L/s、沖錘質量為85 kg、分流孔直徑為15.0 mm時，通過試驗，分析行程對?228.6 mm射流沖擊器性能參數(shù)的影響規(guī)律，試驗結果見表2。

表2 行程對射流沖擊器性能參數(shù)的影響Table 2 Effect of stroke on performance parameters of hydro-efflux hammer

從表2可以看出，其他條件不變時，?228.6 mm射流沖擊器的沖擊力、單次沖擊功隨行程增大呈近線性增大，頻率呈近線性降低。

2.3 沖錘質量對性能參數(shù)的影響

當排量為50 L/s、行程為55.0 mm、分流孔直徑為15. 0 mm時，通過試驗，分析沖錘質量對?228.6 mm射流沖擊器性能參數(shù)的影響規(guī)律，結果見表3。

表3 沖錘質量對射流沖擊器性能參數(shù)的影響Table 3 Effect of hammer mass on performance parameters of hydro-efflux hammer

從表3可以看出，其他條件不變時，?228.6 mm射流沖擊器的沖擊力、單次沖擊功隨沖錘質量增大呈近線性增大，頻率呈近線性降低。

2.4 主要技術參數(shù)設計

?228.6 mm射流沖擊器的型號為YSC-228。依據(jù)臺架試驗結果，結合其性能參數(shù)與巖石抗鉆特性參數(shù)的匹配關系，設計了其主要技術參數(shù)：長度2 793.00 mm，沖擊功 120～660 J，沖擊頻率 6～20 Hz，壓降 1.0～3.8 Pa；上、下接頭的扣型均為API 630。

3 旋沖鉆井參數(shù)設計

3.1 設計依據(jù)

影響旋沖鉆井提速效果的主要因素有鉆壓、轉速、排量和沖擊功?，F(xiàn)場應用中，通常不改變常規(guī)鉆井參數(shù)（鉆壓、轉速、排量），因此旋沖鉆井參數(shù)設計的關鍵是沖擊功的優(yōu)化設計。鉆進不同地層時，破巖所需要的最優(yōu)沖擊功不同，依據(jù)巖石可鉆性、硬度或抗壓強度與沖擊器性能參數(shù)的匹配關系，確定合理的沖擊器結構性能參數(shù)，以滿足破巖所需的沖擊功[11-14]。

利用測井資料求取試驗井段幾種典型巖石（泥巖、砂巖和頁巖）的抗壓強度，構建了幾種巖石抗壓強度與沖擊功的匹配關系，結果見圖2。

圖2 泥巖、砂巖、頁巖抗壓強度與沖擊功的關系Fig. 2 Relationships between the compressive strength of mudstone, sandstone and shale and impact power

3.2 配合牙輪鉆頭時的參數(shù)設計

?228.6 mm射流沖擊器在與牙輪鉆頭配合使用時，依據(jù)牙輪鉆頭的額定鉆壓，確定該沖擊器需要額外施加的鉆壓。例如：HJT637G型鉆頭的額定鉆壓為260 kN，常規(guī)鉆井鉆壓為180 kN，則?228.6 mm射流沖擊器需要額外施加的鉆壓應小于80 kN，通常設為40 kN，即安全系數(shù)取2.0，以確保鉆頭不會受損。

3.3 配合PDC鉆頭時的參數(shù)設計

?228.6 mm射流沖擊器與PDC鉆頭配合使用時，依據(jù)PDC鉆頭額定抗沖擊功設計，PDC鉆頭額定抗沖擊功為其所有單齒抗沖擊功的總和，其大小取決于單齒抗沖擊功及鉆頭冠部布齒數(shù)量。例如：FX65X3型鉆頭冠部共有49顆切削齒，單齒抗沖擊功為60 J，因此，理論上該型號鉆頭額定抗沖擊功為2 940 J，遠遠大于沖擊器設計的最大沖擊功，進一步了證明沖擊器不會損害鉆頭。實際應用中，考慮PDC齒的壽命，通常采用更高的安全系數(shù)，目前安全系數(shù)采用5～10，推薦沖擊功在600 J以內(nèi)。

4 現(xiàn)場試驗

涪陵頁巖氣田志留系（嘉陵江組、飛仙關組）、二疊系（長興組、龍?zhí)督M、茅口組）地層巖石可鉆性級值為4～7級，抗壓強度為80～210 MPa。

?228.6 mm射流沖擊器在涪陵頁巖氣田焦頁109-1HF井進行了現(xiàn)場試驗。焦頁109-1HF井為水平井，設計井深6 140.00 m，試驗井段1 306.00～2 183.00 m，鉆遇地層為龍?zhí)督M、茅口組，地層巖性為碳質泥巖、灰色灰?guī)r和生屑灰?guī)r?，F(xiàn)場試驗時不改變常規(guī)鉆井參數(shù)，鉆壓60～80 kN，轉盤轉速90 r/min，排量55 L/s。針對試驗井段巖石抗壓強度，優(yōu)選了?228.6 mm射流沖擊器的性能參數(shù)：沖擊功325～415 J，沖擊力 50～60 kN，沖頻率 11～12 Hz。優(yōu)選鉆具組合為：?311.1 mm PDC鉆頭+1.0°彎螺桿+穩(wěn)定器+止回閥+?228.6 mm射流沖擊器+MWD短節(jié)+無磁鉆鋌+鉆鋌+鉆桿。

?228.6 mm射流沖擊器試驗井段與鄰井對應井段機械鉆速對比情況如表4所示。

表4 焦頁109-1HF井與鄰井機械鉆速對比Table 4 Comparison on the ROPs of Well Jiaoye 109-1HF and adjacent wells

由表4可知，?228.6 mm射流沖擊器試驗井段單只鉆頭進尺與鄰井焦頁109-3HF井、焦頁109-4HF井相比分別增加259.00和250.00 m，機械鉆速分別提高122.8%和87.4%，與該平臺二開平均機械鉆速相比提高104.9%。出井后PDC鉆頭未見明顯損壞，表明射流沖擊器有效提高了機械鉆速，而且有利于消除鉆頭的蹩卡及跳鉆現(xiàn)象，延長鉆頭使用壽命。

?228.6 mm射流沖擊器試驗井段與同平臺鄰井同井段鉆井進程對比情況如圖3所示。

由圖3可知，?228.6 mm射流沖擊器試驗井段與鄰井同井段相比，所用時間最短，縮短了鉆井周期，有利于降低鉆井成本，實現(xiàn)降本增效的目的。

圖3 試驗井段與同平臺鄰井同井段鉆井進程對比Fig. 3 Comparison on the drilling progression of the testing well section and the same well section in adjacent wells of the same platform

5 結論與建議

1）為了滿足涪陵頁巖氣田二開?311.1 mm直井段的提速需求，研制了適用于該尺寸井眼工況條件的?228.6 mm射流沖擊器。

2）臺架試驗結果表明，?228.6 mm射流沖擊器的沖擊功隨行程和沖錘質量增大呈近線性增大，沖擊頻率隨行程和沖錘質量增大呈近線性降低；二者均隨排量增大呈線性增大。

3）現(xiàn)場試驗結果表明，在保持現(xiàn)場鉆井參數(shù)不變的情況下，鉆具組合中增加?228.6 mm射流沖擊器可有效提高機械鉆速，增加單只鉆頭進尺。

4）建議開展?228.6 mm射流沖擊器性能參數(shù)與鉆頭抗沖擊特性匹配研究，進一步合理放大沖擊能量，強化提速效果。