索忠偉

（中國石化石油工程技術(shù)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(zhì)泥巖、硅質(zhì)泥巖，局部含黃鐵礦，軟硬地層交錯(cuò)，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(jìn)軟硬交錯(cuò)地層時(shí)，易造成PDC齒剪崩，影響鉆頭使用壽命，且機(jī)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(jìn)時(shí)進(jìn)尺少、鉆速低，平均進(jìn)尺100.00 m左右，機(jī)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(shù)，以解決該井段硬地層機(jī)械鉆速低、鉆頭使用壽命短和進(jìn)尺少的問題。

旋沖鉆井技術(shù)用于油氣鉆井提速，已得到國內(nèi)外廣泛認(rèn)同，并日趨成熟[5]。目前，?177.8 mm射流沖擊器已成功推廣應(yīng)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(duì)?311.1 mm直井段硬地層機(jī)械鉆速低、鉆頭使用壽命短等問題，進(jìn)行了與其相適應(yīng)的?228.6 mm射流沖擊器的研制。筆者分析了目標(biāo)層段的技術(shù)需求及射流沖擊器的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)；開展了臺(tái)架性能試驗(yàn)，得出了行程、沖錘質(zhì)量及排量對(duì)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(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化了射流沖擊器的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，并在焦頁109-1HF井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了顯著提速效果。

1 射流沖擊器的優(yōu)勢(shì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 射流沖擊器的優(yōu)勢(shì)

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?jī)?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(qiáng)化鉆井參數(shù)”的復(fù)合鉆井提速技術(shù)。旋沖鉆井技術(shù)是一種復(fù)合鉆井提速技術(shù)，是在常規(guī)鉆井的基礎(chǔ)上加裝射流沖擊器，在常規(guī)旋轉(zhuǎn)破巖的同時(shí)，給鉆頭施加高頻沖擊力，從而實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)與沖擊聯(lián)合破巖。尤其是對(duì)于硬脆性地層，當(dāng)沖擊功達(dá)到一定值后即可產(chǎn)生“體積破碎”，提高破巖效率，同時(shí)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(jìn)尺長的優(yōu)勢(shì)，減少起下鉆次數(shù)，縮短鉆井周期，從而降低鉆井成本。鉆進(jìn)過程中，射流沖擊器可以將鉆井液的能量轉(zhuǎn)化為低幅、高頻動(dòng)載沖擊，該沖擊的周向分力提供脈沖扭矩，與鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)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(yīng)力集中，在剪切破巖的同時(shí)產(chǎn)生沖擊，壓碎破巖。而且，在鉆進(jìn)過程中高頻、有規(guī)律的沖擊動(dòng)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(dòng)，進(jìn)而延長鉆頭的使用壽命，提高單只鉆頭的進(jìn)尺[6-10]。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

?228.6 mm射流沖擊器的總體設(shè)計(jì)方案：優(yōu)選工具材料，優(yōu)化核心部件結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化傳遞機(jī)構(gòu)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(yùn)動(dòng)副采用金屬環(huán)槽密封，優(yōu)選運(yùn)動(dòng)副表面處理技術(shù)；為滿足不同層段的巖性要求，其性能參數(shù)要可調(diào)，以確保不影響鉆頭使用壽命；進(jìn)行強(qiáng)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(jī)構(gòu)、動(dòng)力機(jī)構(gòu)和能量傳遞機(jī)構(gòu)等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示（左端為上部）。

圖1 射流沖擊器結(jié)構(gòu)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(shí)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(cè)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(jī)構(gòu)），基于射流附壁原理，鉆井液流動(dòng)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(dòng)力機(jī)構(gòu)）的上、下腔。如果鉆井液首先從上腔流入，則從下腔排出，推動(dòng)活塞帶動(dòng)沖錘向下高速運(yùn)動(dòng)（沖程），直到?jīng)_錘沖擊到砧子（傳遞機(jī)構(gòu)），砧子將沖擊產(chǎn)生的能量以應(yīng)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(shí)，鉆井液在控制機(jī)構(gòu)的作用下，完成流動(dòng)方向的切換，改變流動(dòng)方向，即鉆井液從下腔流入，從上腔排出，推動(dòng)活塞帶動(dòng)沖錘向上運(yùn)動(dòng)（回程），直到活塞運(yùn)動(dòng)到上死點(diǎn)，完成一次回程?；爻掏瓿珊?，進(jìn)入下一輪的沖擊和回程，如此循環(huán)往復(fù)，產(chǎn)生高頻連續(xù)沖擊。砧子與八方滑動(dòng)配合，可以同時(shí)傳遞軸向沖擊能量和周向扭矩，軸向傳遞高頻動(dòng)載沖擊，徑向帶動(dòng)鉆頭回轉(zhuǎn)切削復(fù)合破巖，從而提高破巖效率。

2 沖擊器性能臺(tái)架試驗(yàn)

通過臺(tái)架試驗(yàn)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(jié)構(gòu)參數(shù)（行程和沖錘質(zhì)量）及水力參數(shù)（排量）之間的關(guān)系，進(jìn)而為射流沖擊器的結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)優(yōu)化提供試驗(yàn)依據(jù)。臺(tái)架試驗(yàn)選取不同行程、不同沖錘質(zhì)量和不同水力參數(shù)，通過系列試驗(yàn)，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(duì)性能參數(shù)的影響

當(dāng)行程為55.0 mm、沖錘質(zhì)量為85 kg、分流直徑為15.0 mm時(shí)，通過試驗(yàn)，分析排量對(duì)?228.6 mm射流沖擊器性能參數(shù)的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 排量對(duì)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(shí)，?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(duì)性能參數(shù)的影響

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

表2 行程對(duì)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(shí)，?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(zhì)量對(duì)性能參數(shù)的影響

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

表3 沖錘質(zhì)量對(duì)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(shí)，?228.6 mm射流沖擊器的沖擊力、單次沖擊功隨沖錘質(zhì)量增大呈近線性增大，頻率呈近線性降低。

2.4 主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

?228.6 mm射流沖擊器的型號(hào)為YSC-228。依據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合其性能參數(shù)與巖石抗鉆特性參數(shù)的匹配關(guān)系，設(shè)計(jì)了其主要技術(shù)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(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

影響旋沖鉆井提速效果的主要因素有鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量和沖擊功。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，通常不改變常規(guī)鉆井參數(shù)（鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量），因此旋沖鉆井參數(shù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是沖擊功的優(yōu)化設(shè)計(jì)。鉆進(jìn)不同地層時(shí)，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(qiáng)度與沖擊器性能參數(shù)的匹配關(guān)系，確定合理的沖擊器結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，以滿足破巖所需的沖擊功[11-14]。

利用測(cè)井資料求取試驗(yàn)井段幾種典型巖石（泥巖、砂巖和頁巖）的抗壓強(qiáng)度，構(gòu)建了幾種巖石抗壓強(qiáng)度與沖擊功的匹配關(guān)系，結(jié)果見圖2。

圖2 泥巖、砂巖、頁巖抗壓強(qiáng)度與沖擊功的關(guān)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(shí)的參數(shù)設(shè)計(jì)

?228.6 mm射流沖擊器在與牙輪鉆頭配合使用時(shí)，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(yīng)小于80 kN，通常設(shè)為40 kN，即安全系數(shù)取2.0，以確保鉆頭不會(huì)受損。

3.3 配合PDC鉆頭時(shí)的參數(shù)設(shè)計(jì)

?228.6 mm射流沖擊器與PDC鉆頭配合使用時(shí)，依據(jù)PDC鉆頭額定抗沖擊功設(shè)計(jì)，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(hào)鉆頭額定抗沖擊功為2 940 J，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沖擊器設(shè)計(jì)的最大沖擊功，進(jìn)一步了證明沖擊器不會(huì)損害鉆頭。實(shí)際應(yīng)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(chǎng)試驗(yàn)

涪陵頁巖氣田志留系（嘉陵江組、飛仙關(guān)組）、二疊系（長興組、龍?zhí)督M、茅口組）地層巖石可鉆性級(jí)值為4～7級(jí)，抗壓強(qiáng)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(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。焦頁109-1HF井為水平井，設(shè)計(jì)井深6 140.00 m，試驗(yàn)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(zhì)泥巖、灰色灰?guī)r和生屑灰?guī)r?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)不改變常規(guī)鉆井參數(shù)，鉆壓60～80 kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速90 r/min，排量55 L/s。針對(duì)試驗(yàn)井段巖石抗壓強(qiáng)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(yàn)井段與鄰井對(duì)應(yīng)井段機(jī)械鉆速對(duì)比情況如表4所示。

表4 焦頁109-1HF井與鄰井機(jī)械鉆速對(duì)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(yàn)井段單只鉆頭進(jìn)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(jī)械鉆速分別提高122.8%和87.4%，與該平臺(tái)二開平均機(jī)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(jī)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(yàn)井段與同平臺(tái)鄰井同井段鉆井進(jìn)程對(duì)比情況如圖3所示。

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

圖3 試驗(yàn)井段與同平臺(tái)鄰井同井段鉆井進(jìn)程對(duì)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(jié)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(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，?228.6 mm射流沖擊器的沖擊功隨行程和沖錘質(zhì)量增大呈近線性增大，沖擊頻率隨行程和沖錘質(zhì)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(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，在保持現(xiàn)場(chǎng)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(jī)械鉆速，增加單只鉆頭進(jìn)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(jìn)一步合理放大沖擊能量，強(qiáng)化提速效果。