苗芷芃，王洪濤，李俊勝，張興龍，萬(wàn)教育，徐華冬，張瑞平

連續(xù)管鉆井震擊工具的研制及室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)

苗芷芃1，2，王洪濤3，李俊勝3，張興龍3，萬(wàn)教育3，徐華冬3，張瑞平3

（1. 西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院， 陜西 西安 710065； 2. 西安市致密油（頁(yè)巖油）開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710065； 3. 西部鉆探定向井技術(shù)服務(wù)公司，新疆 烏魯木齊 830026）

為解決在連續(xù)管鉆井過(guò)程中，由于受到軸向加壓，導(dǎo)致在水平段發(fā)生摩擦自鎖以及常規(guī)連續(xù)管鉆井震擊工具只有軸向的震擊而無(wú)法旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致頻繁起下鉆，使連續(xù)管過(guò)早的產(chǎn)生疲勞損壞等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種連續(xù)管震擊工具，并對(duì)連續(xù)管震擊器的震擊機(jī)構(gòu)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)。研究表明：這種連續(xù)管震擊工具不僅能夠提高連續(xù)管鉆井時(shí)的鉆進(jìn)效率，同時(shí)能夠在定向時(shí)通過(guò)不斷旋轉(zhuǎn)震擊作用減少底部鉆具的摩阻，為定向器轉(zhuǎn)位提供更好的工作條件。

連續(xù)管；鉆井；震擊工具；室內(nèi)試驗(yàn)

連續(xù)管鉆井技術(shù)因具有高效率、低成本、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，其現(xiàn)實(shí)需求越來(lái)越顯著，在國(guó)內(nèi)外得到了較為廣泛的應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，是許多油田開(kāi)發(fā)中后期長(zhǎng)停井、低產(chǎn)低效井挖潛增儲(chǔ)的主要手段。連續(xù)管震擊工具作為連續(xù)管作業(yè)管串的標(biāo)配工具，在連續(xù)管沖砂、打撈、定向鉆井、深井、復(fù)雜井等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多。由于國(guó)內(nèi)連續(xù)管震擊工具研究起步較晚，所研制的大多數(shù)震擊工具只有軸向震擊，而不能旋轉(zhuǎn)，這會(huì)導(dǎo)致壓差卡鉆和底部鉆具組合難以打撈、頻繁起下鉆作業(yè)使得過(guò)早疲勞損壞等問(wèn)題，且在連續(xù)管鉆井過(guò)程中，受到軸向加壓的作用，導(dǎo)致連續(xù)管極易發(fā)生屈曲失穩(wěn)，在水平段內(nèi)發(fā)生摩擦自鎖，降低軸向力傳遞效率，嚴(yán)重影響作業(yè)效率。為此，設(shè)計(jì)出了一種新型的連續(xù)管震擊器，并驗(yàn)證了所研制的震擊工具原理的可行性。

1 連續(xù)管震擊器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)前的主流震擊器包括有閥式和無(wú)閥式兩大類，而其中有閥式又包括有雙作用、反作用以及正作用3類，無(wú)閥式則包括有射吸式以及射流式兩類。對(duì)于閥式來(lái)說(shuō)，其構(gòu)件偏多，并且其中的彈簧容易發(fā)生損壞，一旦出現(xiàn)損壞，就不能夠繼續(xù)進(jìn)行震擊，而彈簧的剛度則決定震擊的強(qiáng)度。對(duì)于射流式來(lái)說(shuō)，其中的射流元件需要較高的制造工藝，并且流過(guò)鉆井液之后極易產(chǎn)生形變，后續(xù)無(wú)法再進(jìn)行使用，沖擊難以達(dá)到要求或者無(wú)法運(yùn)行。相比于閥式和射流式，射吸式具備眾多優(yōu)勢(shì)，主要包括構(gòu)成簡(jiǎn)潔、無(wú)須采用彈簧或射流原件、可靠性高，所以本次設(shè)計(jì)選擇使用射吸式?jīng)_擊器。

連續(xù)管鉆井震擊工具結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)包括梭子總成、沖擊獲能機(jī)構(gòu)及沖擊轉(zhuǎn)換分配機(jī)構(gòu)3大部分。其中梭子總成的作用是截取鉆井液能量并轉(zhuǎn)換為梭子的快速往覆運(yùn)動(dòng)；沖擊獲能機(jī)構(gòu)的作用是與梭子總成一起獲得軸向的沖擊能量；沖擊轉(zhuǎn)換分配機(jī)構(gòu)是在下沖擊過(guò)程中將軸向沖擊能量部分轉(zhuǎn)換為周向旋轉(zhuǎn)能量，并使工具下端在沖擊結(jié)束后不隨工具內(nèi)部一起產(chǎn)生復(fù)位旋轉(zhuǎn)。

1—上接頭；2—射吸噴嘴；3—梭子架；4—閥體；5—閥基 ；6—閥； 7—梭子掛；8—啟沖噴嘴；9—壓縮彈簧；10—沖擊砧；11—外筒； 12—旋沖套；13—圓柱銷；14—離合器套；15—單向軸承；16—下接頭。

1.2 工作原理

連續(xù)管震擊器的工作主要分為兩大部分，如圖2所示。

圖2 連續(xù)管震擊器工作原理示意圖

一部分發(fā)生在工具上部通過(guò)射吸作用產(chǎn)生往復(fù)的軸向震擊，同時(shí)不斷產(chǎn)生水擊作用；另一部分發(fā)生在工具下部，將每次的軸向震擊都可轉(zhuǎn)換為單一方向的旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)作用同時(shí)作用在井下，起到減阻提速的效果。

2 連續(xù)管震擊器室內(nèi)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證研制的連續(xù)管震擊器的工作原理，并對(duì)其性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)裝配后的連續(xù)管震擊器室進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)。 試驗(yàn)分為兩大部分，首先對(duì)連續(xù)管震擊器進(jìn)行耐壓試驗(yàn)和靜壓試驗(yàn)，用來(lái)測(cè)試工具的密封性及各個(gè)連接部位的強(qiáng)度。然后對(duì)連續(xù)管震擊器進(jìn)行參數(shù)試驗(yàn)，測(cè)試連續(xù)管震擊器是否能夠正常工作，并測(cè)試連續(xù)管震擊器的各項(xiàng)工作參數(shù)之間的聯(lián)系。

2.1 連續(xù)管震擊器耐壓試驗(yàn)

2.1.1 耐壓試驗(yàn)?zāi)康?/p>

本次耐壓試驗(yàn)的目的是測(cè)試研制的連續(xù)管震擊器所能夠承受的靜壓大小，驗(yàn)證了在一定的靜液壓力下，連續(xù)管震擊器是否會(huì)出現(xiàn)漏壓的情況，并以此來(lái)判斷連續(xù)管的各個(gè)扣型、密封部位的設(shè)計(jì)合理性。

2.1.2 耐壓試驗(yàn)步驟

1）將裝配好的連續(xù)管震擊器安裝在靜壓試驗(yàn)臺(tái)架上并固定；

2）將密封裝置與連續(xù)管震擊器下部連接；

3）將泵的出口與連續(xù)管震擊器入口處相連接；

4）先將泵用低排量啟動(dòng)，依次檢查各個(gè)管線和泵的密封性，然后檢查壓力表是否正確讀數(shù)；

5）逐步提升泵排量，直至壓力表指示到10 MPa；

6）達(dá)到10 MPa后，靜壓試驗(yàn)泵自動(dòng)關(guān)閉，同時(shí)關(guān)閉回壓閥，工具開(kāi)始憋壓10 min，期間開(kāi)始觀察是否有壓力漏失；

7）完成試驗(yàn)后，將設(shè)備及工具依次拆卸，對(duì)工具內(nèi)部的密封部位和密封工件進(jìn)行檢查。

2.1.3 耐壓試驗(yàn)結(jié)果

耐壓試驗(yàn)完成后，通過(guò)壓力表讀數(shù)和觀察連續(xù)管震擊器外觀，發(fā)現(xiàn)并無(wú)漏壓、漏液現(xiàn)象出現(xiàn)，說(shuō)明連續(xù)管震擊器的密封部件、扣型結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)合理。

2.2 連續(xù)管震擊器參數(shù)試驗(yàn)

2.2.1 參數(shù)試驗(yàn)?zāi)康?/p>

參數(shù)試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證研制的連續(xù)管震擊器的工作原理，對(duì)連續(xù)管震擊器在不同排量條件下的性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，并確定連續(xù)管震擊器能否穩(wěn)定運(yùn)行，之后對(duì)獲得的參數(shù)處理，分析震擊器相關(guān)性能參數(shù)同排量關(guān)聯(lián)性及性能參數(shù)同結(jié)構(gòu)間的關(guān)聯(lián)性。

2.2.2 參數(shù)試驗(yàn)步驟

1）將裝配好的連續(xù)管震擊器固定懸掛在井下工具試驗(yàn)臺(tái)架上；

2）連接加速度傳感器、壓力傳感器以及數(shù)據(jù)采集模塊等；

3）將泵的出口連接在連續(xù)管震擊器的入口，并在連續(xù)管震擊器出口處安裝液體循環(huán)裝置；

4）先將泵用低排量啟動(dòng)，依次檢查各個(gè)管線和泵的密封性，然后檢查壓力表是否正確讀數(shù)；

5）加大排量到連續(xù)管震擊器開(kāi)始工作，然后梯度增加入口排量至10 L·s-1，并記錄各排量時(shí)的數(shù)據(jù)；

6）完成試驗(yàn)后，將設(shè)備及工具依次拆卸。

2.2.3 參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)中分別測(cè)試了采用不同直徑的噴嘴時(shí)，連續(xù)管震擊器的震擊頻率、轉(zhuǎn)速以及壓降與入口排量之間的關(guān)系。這里由于是多個(gè)噴嘴并聯(lián)如圖，因此安裝不同噴嘴時(shí)的當(dāng)量直徑為：

—噴嘴總數(shù)。

根據(jù)公式（1）可求得當(dāng)選取直徑分別為4、5、6 mm的噴嘴時(shí)，對(duì)應(yīng)的當(dāng)量直徑為13.8、17.8、 20.8 mm。

參數(shù)試驗(yàn)過(guò)程中分別測(cè)試了噴嘴直徑為4、5、6 mm時(shí)排量和頻率、轉(zhuǎn)速、壓降之間的關(guān)系，如圖3至圖5所示。

圖3 連續(xù)管震擊器頻率與排量之間的關(guān)系

圖4 連續(xù)管震擊器轉(zhuǎn)速與排量之間的關(guān)系

圖5 連續(xù)管震擊器壓降與排量之間的關(guān)系

室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果顯示，在節(jié)流壓降的驅(qū)動(dòng)下，連續(xù)管震擊器可以在不斷發(fā)生軸向水擊的同時(shí)，產(chǎn)生不連續(xù)的周向的旋轉(zhuǎn)。工具在不間斷運(yùn)行10 h后，無(wú)明顯異常，能夠正常工作，驗(yàn)證了工具的工作原理及相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)合理。連續(xù)管震擊器中的頻率、轉(zhuǎn)速、壓降均和他的工作排量及噴嘴當(dāng)量直徑相關(guān)。頻率、轉(zhuǎn)速、壓降均隨著排量增加而逐漸增大，同時(shí)隨著噴嘴的當(dāng)量直徑變大而減小。因此連續(xù)管震擊器的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)噴嘴的直徑進(jìn)行優(yōu)選。

3 結(jié) 論

1）連續(xù)管震擊器的主要原理是通過(guò)高速的流體在射流周圍產(chǎn)生的低壓區(qū)，驅(qū)動(dòng)閥體在工具內(nèi)部進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，再利用這種運(yùn)動(dòng)不斷產(chǎn)生水擊，從而達(dá)到震擊效果。震擊同時(shí)可以將軸向的震擊轉(zhuǎn)化為周旋的單向旋轉(zhuǎn)，為連續(xù)管鉆井提供周向的振動(dòng)和作用力。

2）連續(xù)管震擊器在靜壓耐壓實(shí)驗(yàn)中，可以承受10 MPa的靜壓且沒(méi)有出現(xiàn)漏壓漏液的情況。

3）連續(xù)管震擊器在動(dòng)壓參數(shù)試驗(yàn)中，能夠按照設(shè)計(jì)正常發(fā)生水擊震擊作用，同時(shí)伴有不連續(xù)的周向旋轉(zhuǎn)；測(cè)得動(dòng)壓下連續(xù)管震擊器的頻率、轉(zhuǎn)速、壓降與排量成正比，與噴嘴當(dāng)量直徑成反比。

［1］苗芷芃，夏宏南，童啟金，等.連續(xù)管鉆井震擊工具的設(shè)計(jì)及研究[J].石油機(jī)械，2019，47（5）：56-60.

［2］王攀，王進(jìn)全，欒蘇，等.連續(xù)管震擊工具技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展建議[J].石油機(jī)械，2012，40（11）：108-111.

［3］郭瑞華，黃杰，姚傳高，等.連續(xù)管磨鉆工藝的研究與應(yīng)用[J].石油機(jī)械，2013，41（8）：87-89.

Development and Laboratory Test Evaluation of Jar Tool for Coiled Tubing Drilling

1,2,3,3,3,3,3,3

（1. School of Petroleum Engineering, Xi 'an Petroleum University, Xi’an Shaanxi 710065, China;2. Xi’an Key Laboratory of Tight Oil (Shale oil) Development, Xi’an Shaanxi 710065, China;3. Western Drilling Directional well Technical Services Co., Ltd., Urumqi Xinjiang 830026, China）

In order to solve the problems that in the coiled pipe drilling, friction self-locking occurs in the horizontal section due to axial compression, and conventional continuous pipe drilling jar tool is unable to rotate due to axial shock, which leads to frequent tripping operation and premature fatigue damage of coiled pipe, a kind of jar tool for coiled tubing drilling was designed, and the jar mechanism of coiled pipe jar toolwas evaluated by laboratory test. The research results showed that the coiled pipe jarring tool cound not only improve the drilling efficiency of continuous pipe drilling, but also reduce the friction of bottom-hole by rotating the jarring action during orientation, thus providing better working conditions for the orienting device.

Coiled tube; Drilling; Jar tools; Laboratory test

2020-11-25

苗芷芃（1988-），男，陜西省西安市人，中級(jí)工程師，博士， 2019年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)油氣井工程專業(yè)，研究方向：油氣井工程技術(shù)及井下工具。

TE921+.2

A

1004-0935（2021）04-0566-03