王甲昌， 張海平， 張仁龍， 玄令超

(中國石化石油工程技術研究院，北京 100101)

0 引言

國內外的理論研究和試驗均證明，旋沖鉆井技術可以大幅度提高硬地層鉆井效率[1-4]，降低鉆井成本，但目前國內外沖擊鉆井工具普遍存在壽命低、技術不成熟等問題。旋沖螺桿鉆具作為國內最新研制的一種新型沖擊鉆井工具，集合了沖擊鉆井和螺桿鉆井的各自優(yōu)勢，能夠適用于直井、定向井以及水平井鉆井，可以有效解決硬地層提速、定向鉆進托壓[5]等鉆井難題。旋沖螺桿鉆具在臨盤油田直井和定向井的試驗應用，提高了試驗井段鉆進速度，降低了定向鉆進摩阻，取得了良好的提速提效效果，顯示了該工具良好的應用前景。

1 旋沖螺桿鉆具結構原理

1.1 主要結構

旋沖螺桿鉆具主要由旁通閥及馬達動力總成、馬達驅動軸總成、沖擊發(fā)生機構組成(如圖1所示)。該工具上部與鉆鋌或鉆桿連接，下部與鉆頭連接。

旁通閥及馬達總成為常規(guī)螺桿鉆具的上部主要部件，馬達驅動軸總成由常規(guī)螺桿鉆具部件改制而成，由上述部件組成的特制螺桿鉆具為鉆頭和沖擊發(fā)生機構提供轉速和輸出扭矩。旋沖螺桿鉆具馬達

圖1旋沖螺桿鉆具結構

Fig.1Structrue of rotary-percussive PDM

驅動軸總成的傳動軸(見圖2)由常規(guī)螺桿鉆具驅動軸總成改制而成，其輸出主軸與沖擊發(fā)生機構主軸通過花鍵聯(lián)接；馬達驅動軸總成外殼可以根據現(xiàn)場需要選擇直外殼或彎外殼，以滿足直井或定向井鉆進需求[6-7]。沖擊發(fā)生機構內部設計有一對嚙合的凸輪機構，上凸輪體固定在工具外殼上，下凸輪體與工具輸出軸通過螺紋連接為一體，可以實現(xiàn)既驅動鉆頭旋轉，又對鉆頭產生軸向沖擊(如圖3所示)。

圖2旋沖螺桿鉆具傳動軸結構

Fig.2Structure of the drive shaft of the rotary-percussive PDM

1.2 工作原理

旋沖螺桿鉆具既可用于復合鉆進，也可以用于滑動鉆進。鉆進時鉆井液驅動特制螺桿鉆具輸出扭矩和轉速，通過特制螺桿輸出主軸驅動沖擊發(fā)生機構下凸輪體及輸出軸總成和鉆頭同步轉動，同時依靠沖擊發(fā)生機構上、下凸輪體的嚙合驅動工具外殼及上部鉆具產生軸向往復運動，實現(xiàn)鉆頭高速旋轉條件下的沖擊破巖(見圖3)。

圖3 旋沖螺桿鉆具工作原理示意

如圖4所示，鉆進過程中，假定輸出軸開始轉動時下凸輪與上凸輪齒面嚙合，下凸輪將驅動上凸輪上行，上凸輪則驅動沖擊發(fā)生機構外殼體、特制螺桿鉆具及與螺桿上部相連接的鉆具同步上行；到達上止點后，在鉆壓的作用下，上凸輪與特制螺桿鉆具及與螺桿上部相連接的鉆具將下行對鉆頭產生軸向沖擊；如此往復，實現(xiàn)鉆頭高轉速下的高頻旋沖鉆進，提高破巖效率及鉆進速度。為了提高沖擊壽命，需避免凸輪組嚙合齒面受到軸向沖擊，因此將工具的沖擊面設計在特制螺桿傳動軸主軸與沖擊發(fā)生機構輸出軸的連接花鍵軸肩處，為此需合理選擇、優(yōu)化花鍵聯(lián)接長度，使輸出軸與螺桿傳動軸的花鍵軸向滑動距離L小于凸輪嚙合面的螺旋升程S。當工具提離井底循環(huán)時上、下凸輪體不再嚙合，停止沖擊，以延長工具的沖擊壽命；工具在沖擊作用失效后(上、下凸輪體嚙合齒磨損)，可相當于常規(guī)螺桿鉆具繼續(xù)使用。

由于該工具為純機械裝置組成，在對鉆頭產生沖擊的同時，還可以驅動井底鉆具產生軸向良性振動，且對MWD/LWD沒有影響。應用于大摩阻定向井段滑動鉆進時，工具產生的軸向振動將鉆具與井眼之間的靜摩擦轉變?yōu)閯幽Σ羀8-10]，降低鉆具摩阻，既可以有效傳遞鉆壓，保護鉆具及鉆頭，又可以在大斜度井或水平井中替代水力振蕩器+導向馬達鉆具組合[11-12]，提高定向鉆進效率。

圖4旋沖螺桿鉆具沖擊過程

Fig.4Impact process of the rotary-percussive PDM

2 工具的沖擊性能分析

工具沖擊原理表明，其沖擊功和沖擊力的大小與鉆壓正相關，鉆壓愈大，沖擊功和沖擊力越大?，F(xiàn)場可以根據實際工況選擇不同參數(shù)的螺桿馬達、鉆進參數(shù)，以適應不同鉆頭、不同地層的破巖需要。

通過理論計算分析，當旋沖螺桿鉆具上部鉆具長度超過300 m時，鉆柱長度對沖擊功的影響可以忽略，凸輪機構推動鉆柱上移所需要的推力基本等于鉆壓值，工具沖擊功W的值也基本等于鉆壓與沖程的乘積，即：

W=Tgh

式中：W——沖擊功，J；T——鉆壓，N；h——沖程，m。

實際鉆井中，可以通過調整鉆壓隨時改變沖擊功的大小，可以實現(xiàn)旋沖鉆井及時根據地層巖性的變化調整沖擊功大小。

基于沖擊破巖理論研究成果，對于?215.9 mm井眼，中硬地層沖擊破巖的沖擊功一般為300～450 J。本工具沖程為10 mm，按實際鉆壓一般取值40～60 kN，此時工具沖擊功W為400～600 J，可以滿足中硬地層沖擊破巖需要。

為了評價PDC鉆頭與旋沖螺桿鉆具之間匹配的可靠性，在模擬試驗井測量了旋沖螺桿鉆具工作時對鉆頭的沖擊力數(shù)值。圖5是旋沖螺桿鉆具在鉆壓50 kN、某一排量條件下的沖擊力數(shù)據采集曲線圖，可以看出旋沖螺桿鉆具的沖擊力曲線為正弦曲線，亦即在實鉆中鉆頭承受的是按正弦曲線周期性變化的鉆壓，這種周期性變化的鉆壓對于減少鉆頭周向粘滑振動、保護鉆頭是有益的[13]。

圖5沖擊力采集曲線

Fig.5Sampling curve of impact forces

圖6是排量為7、10 L/s下最大沖擊力與鉆壓的關系曲線圖，可以看出旋沖螺桿鉆具的最大沖擊力與鉆壓成線性關系，鉆壓越大沖擊力越大，但與排量關系不明顯，且由圖5和圖6可看出最大沖擊力比鉆壓高出15～20 kN。為了保護PDC復合片,建議旋沖螺桿鉆具匹配PDC鉆頭鉆進時鉆壓適當降低。

工具的沖擊頻率與馬達轉速成正比，馬達轉一圈工具會產生3次軸向沖擊，因此工具沖擊頻率=馬達轉速×3/60。由于工具馬達具有硬特性，即馬達轉速在負載不超過滯動扭矩的情況下，受負載影響不大，隨著負載的增加，轉速下降很小[14-15]。因此，同一排量下，隨著鉆壓的增加，沖擊頻率基本不變；隨著排量的增加，馬達轉速增加[16]，沖擊頻率也增加。

圖6 不同排量下最大沖擊力與鉆壓的關系曲線

3 現(xiàn)場試驗

使用旋沖螺桿鉆具鉆井時，馬達驅動沖擊發(fā)生機構產生沖擊運動，需要消耗一定的輸出扭矩(低于1000 N·m)，與同規(guī)格的螺桿鉆具相比，在鉆井液性能、鉆壓、排量等參數(shù)相同的情況下，泵壓增加值一般不超過0.5 MPa。由于使用旋沖螺桿鉆具會增加對鉆頭的沖擊力，同時可改善鉆具組合的鉆壓傳遞，因此，建議鉆壓值比常規(guī)螺桿鉆具鉆井鉆壓值??；旋沖螺桿鉆具對鉆頭、排量和鉆井液性能的要求與常規(guī)螺桿鉆具相同。在對原理樣機室內試驗驗證的基礎上，研制出旋沖螺桿鉆具工程樣機，先后在臨盤油田2口井進行了試驗應用，分別驗證了工具安全性、工作可靠性及適用性，顯示了其在直井和定向井中良好的提速效果和降摩阻效果，試驗取得了圓滿成功。

3.1 臨969井試驗

臨969井位于濟陽坳陷惠民凹陷臨南洼陷臨969井區(qū)沙三上段構造圈閉高部位，是一口直井、評價井。本井試驗采用一根不帶扶正器、直外殼的?178 mm旋沖螺桿鉆具，鉆具組合為?215.9 mm M5567 PDC鉆頭+?178 mm旋沖螺桿鉆具+411X4A10(回壓凡爾)+4A11X410(座鍵)+?178 mm無磁鉆鋌×1根+?214 mm扶正器+?178 mm鉆鋌×9根+411X4A10+?165 mm鉆鋌×6根+4A11X410+?127 mm鉆桿+方鉆桿，鉆壓30～50 kN，轉盤轉速80 r/min。

本次試驗鉆進井段為596～2546 m，地層為明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營組。在試驗初期，鉆臺上可以觀察到鉆具產生明顯的縱向振動，且隨著時間推移，井深越來越深，這種縱向振動越來越?。汇@進至井深1800 m左右，由于井深太深，傳導至井口的振動衰減越來越大，且凸輪的磨損也使工具振幅逐漸減小，井口鉆柱縱向振動現(xiàn)象逐漸消失。鉆至井深2546 m，考慮到下部地層傾角大，當前鉆具組合控制井斜難度越來越大，決定終止試驗，起鉆。本趟鉆工具井下工作時間103 h，其中純鉆時65 h，循環(huán)時間38 h，總進尺1950 m，平均機械鉆速30 m/h。

由于本區(qū)塊目前主要以斜井為主，直井段井深約2000 m，為分析本工具提速效果，與鄰井臨45-斜230井的二開上部同井段進行了機械鉆速對比分析，對比情況見表1。由表1可見，臨969井采用旋沖螺桿鉆具鉆井與鄰井臨45-斜230井同比提高22.1%。盡管試驗井段地層可鉆性較好，提速潛力小，但使用本工具鉆進后仍然顯示出了沖擊破巖的良好提速效果，機械鉆速提速達到20%以上。

表1 臨969井旋沖螺桿鉆具試驗井段與鄰井同井段鉆速對比

3.2 盤40-斜511井試驗

盤40-斜511井是勝利油田一口二開定向井，該井二開初始井深301 m，設計造斜點1673.31 m，定向段為1673.31～2273.67 m，井斜角48.92°。本井二開即使用一根1.5°旋沖螺桿鉆具鉆進，鉆具組合為?215.9 mm PDC鉆頭+?178 mm旋沖螺桿鉆具(彎角1.5°)+411X4A10(回壓凡爾)+4A11X410(座鍵)+?165 mm無磁鉆鋌×1根+4A11X410+?127 mm加重鉆桿×24根+?127 mm鉆桿+方鉆桿，鉆進井段301～3043 m，最大井斜49.2°，鉆壓30～60 kN，轉盤轉速50～60 r/min。

本井使用旋沖螺桿鉆具累計鉆進總進尺2742 m，累計進尺工作時間155 h，其中純鉆時106 h，平均機械鉆速25.87 m，與本區(qū)塊鄰井盤40-斜412井二開定向復合鉆進井段同比提高25.4%，對比情況見表2。

表2 盤40-斜511井旋沖螺桿鉆具試驗井段與鄰井同井段鉆速對比

本井在試驗中還顯示出良好的降摩阻效果，試驗井段定向滑動鉆進較本區(qū)塊同類型定向井不僅鉆進速度快，而且工具面穩(wěn)定，有效消除或減輕了鉆具托壓現(xiàn)象，大幅提高了定向效率。為了更合理地評價使用旋沖螺桿鉆具復合鉆進和定向鉆進提速效果，對比分析了本井與鄰井盤40-斜511井工況條件基本相同的2200 m以深穩(wěn)斜井段鉆速，對比情況見表3。由表3可以看出，本井應用旋沖螺桿鉆具復合鉆進較鄰井盤40-斜511井復合鉆進鉆速同比提高41.8%，滑動鉆進鉆速同比提高51.1%。

表3 盤40-斜511井與盤40-斜412井下部穩(wěn)斜段鉆速對比

4 結論及建議

(1)旋沖螺桿鉆具可以實現(xiàn)雙驅復合鉆進條件下的新型沖擊破巖方式，具有螺桿復合鉆進和高頻沖擊等雙重功能，結構簡單、技術優(yōu)勢明顯。

(2)旋沖螺桿鉆具動力輸出特性參數(shù)與同型號馬達的螺桿鉆具基本相當，沖擊力與鉆壓正相關，沖擊頻率與馬達轉速成正比關系，整體性能滿足現(xiàn)場復合、定向鉆進工況要求。

(3)現(xiàn)場試驗顯示旋沖螺桿鉆具具有較好的提速效果，復合鉆進機械鉆速同比提高了22.1%～41.8%，滑動定向機械鉆速同比提高了50%以上，對加快油田勘探開發(fā)速度、降低鉆井成本有積極的意義。

(4)旋沖螺桿鉆具應用于定向井施工，可以降低鉆具摩阻，有效消除或緩解鉆具托壓現(xiàn)象，提高定向施工效率，大大拓寬了其應用范圍，具有良好的應用前景。