聶 俊

(1.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 鉆采工程技術(shù)研究院，西安 710021；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 西安 710021)

隨著油田開發(fā)規(guī)模不斷擴(kuò)大，各種先進(jìn)鉆井工藝及工具不斷發(fā)展，油田開采已經(jīng)進(jìn)入技術(shù)研發(fā)引領(lǐng)增產(chǎn)增效的新階段。深井、水平井、大位移井在各大油田鉆井比例逐步增加，地層結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。在這些特殊井型中由于井壁的 “托壓”或者下部鉆具的粘卡及“蛙動(dòng)”現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，導(dǎo)致鉆壓不夠、機(jī)械鉆速慢、井下事故頻發(fā)、無(wú)法正常鉆進(jìn)。此時(shí)僅靠鉆鋌加鉆壓的剛性加壓方式存在諸多缺點(diǎn)，例如送鉆不均、跳鉆、鉆柱彎曲、鉆壓不足、托壓等，而液力加壓器的出現(xiàn)比較好地解決了這一問題。液力加壓器是將泥漿泵驅(qū)動(dòng)鉆井液循環(huán)的液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能進(jìn)而提供鉆壓的專用鉆井工具[1-3]。

1 技術(shù)分析

1.1 存在問題

隨著鉆井深度的增加，井下結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，常規(guī)密封結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足高溫的需求，密封失效問題突出[4]。例如長(zhǎng)伸縮距液力加壓器，長(zhǎng)行程伸縮筒在伸出后，下推力和井底反作用力使液缸筒與伸縮筒同軸度變差，高壓鉆井液攜帶小粒徑巖屑滲入密封結(jié)構(gòu)內(nèi)，在巖屑和鉆井液的雙重侵蝕下形成研磨效應(yīng)，導(dǎo)致密封失效[5]。在深井、長(zhǎng)水平段水平井、大位移井鉆井中，通過增加泵壓提高加鉆壓能力有限，多級(jí)液力加壓器的使用在一定程度上改善了“托壓現(xiàn)象”及加鉆壓能力不足問題[6]，但多級(jí)液力加壓器會(huì)增加工具總長(zhǎng)度，易導(dǎo)致柔性彎曲的發(fā)生，所以在實(shí)際鉆井作業(yè)中會(huì)優(yōu)先考慮井下安全，而加鉆壓能力不足情況依然存在。現(xiàn)有液力加壓器在深井、小井眼井、大位移井鉆井中仍會(huì)出現(xiàn)假鉆壓現(xiàn)象[7-8]。由于井底巖性不均，鉆頭在井底切削時(shí)的破巖方式、高壓射流形態(tài)、縱向振動(dòng)綜合導(dǎo)致機(jī)械鉆速提升不明顯，影響了該工具的大面積推廣應(yīng)用。

1.2 解決方案

通過分析以往液力加壓器應(yīng)用過程中存在的缺陷，主要從密封結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、加鉆壓方式思路進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，形成該液力加壓器。解決破巖效率不足、密封易失效、伸縮筒伸出故障、工作可靠性差等問題，實(shí)現(xiàn)破巖效率的提升和密封的可靠，延長(zhǎng)工具使用壽命。

該新型液力加壓器主要由上接頭、閥體、液缸筒、傳動(dòng)筒、伸縮筒、中心筒、密封短節(jié)等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。下鉆時(shí)，泥漿泵通過鉆桿對(duì)加壓器供液，高壓鉆井液從上部鉆具流入，推動(dòng)液力加壓器單向閥體內(nèi)的閥球進(jìn)入液缸筒、伸縮筒、中心筒內(nèi)部，由于液缸筒壁阻尼孔將阻尼腔與環(huán)空連通、鉆頭噴嘴的節(jié)流作用，在液缸筒、中心筒內(nèi)外形成壓差，高壓鉆井液從鉆頭噴嘴射出，伸縮筒推動(dòng)中心筒下移，到達(dá)伸縮筒行程下限，當(dāng)鉆頭與巖石接觸后，繼續(xù)下放鉆柱，由于地層反作用力，中心筒推動(dòng)伸縮筒上移，懸重突然減小，說(shuō)明中心筒上端的擋環(huán)與液缸筒下端壓并， 停止下放鉆柱。根據(jù)設(shè)計(jì)鉆壓，加大泥漿泵排量，液缸筒、中心筒內(nèi)外形成壓差，產(chǎn)生的推力作用在鉆頭上，推動(dòng)鉆頭下行，在旋轉(zhuǎn)和下推力共同作用下形成進(jìn)尺，當(dāng)懸重突然增加，泵壓減小，說(shuō)明到達(dá)伸縮筒行程下限，需要下放鉆柱，如此循環(huán)完成破巖與鉆進(jìn)。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 密封結(jié)構(gòu)

密封結(jié)構(gòu)中接觸應(yīng)力大小影響了液力加壓器的密封性能，主要從3個(gè)方便優(yōu)化了密封結(jié)構(gòu)。①改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后的密封結(jié)構(gòu)由O形密封圈和滑環(huán)組成(如圖2)，滑環(huán)由耐磨、耐高溫材料制成，有效防止O形密封圈的磨損；②在傳動(dòng)筒下端增加密封短節(jié)，密封短節(jié)上依次設(shè)置兩組密封結(jié)構(gòu)，一組為C滑環(huán)密封、另一組為齒型滑環(huán)密封，防止中心筒不停伸出縮回時(shí)泥沙進(jìn)入液力加壓器內(nèi)部，提高密封性能；③在中心筒花鍵上方設(shè)計(jì)浮動(dòng)式平衡環(huán)，在中心筒上行與下行過程中自由滑動(dòng)，通過平衡環(huán)起到支撐作用，防止中心筒過長(zhǎng)導(dǎo)致的柔性彎曲，使中心筒保持與傳動(dòng)筒同軸，保證密封效果，大幅減小密封件偏磨，提高工具使用可靠性，增加液力加壓器使用壽命。

1-活動(dòng)部分；2-滑環(huán)；3-O形密封圈；4-靜止部分。

2.2 潤(rùn)滑腔

液力加壓器通過中心筒與傳動(dòng)筒之間的花鍵傳遞轉(zhuǎn)矩[9]，正常鉆進(jìn)時(shí)中心筒花鍵在受到轉(zhuǎn)矩情況下上行或下行，花鍵磨損量增加，摩擦力增加，軸向推力無(wú)法直接作用于鉆頭上，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成傳動(dòng)筒與中心筒卡死。新型液力加壓器設(shè)計(jì)潤(rùn)滑腔(如圖3)，將花鍵與外界巖屑、鉆井液分隔，在浮動(dòng)式平衡環(huán)、傳動(dòng)筒、中心筒、密封短節(jié)內(nèi)部形成密閉潤(rùn)滑腔，中心筒上行、下行時(shí)浮動(dòng)式平衡環(huán)隨著浮動(dòng)，保證花鍵一直處于潤(rùn)滑狀態(tài)，減小摩擦的同時(shí)，提高其工作的穩(wěn)定性。

1-傳動(dòng)筒；2-中心筒；3-浮動(dòng)式平衡環(huán)；4-潤(rùn)滑腔；5-花鍵；6-注油孔；7-密封缸。

2.3 加鉆壓方式

普通液力加壓器靠高壓鉆井液產(chǎn)生的壓差推動(dòng)鉆頭形成鉆壓，在深井、水平井、大位移井鉆井中會(huì)出現(xiàn)鉆壓不足，假鉆壓現(xiàn)象，使鉆頭在井底不均勻切削，并產(chǎn)生縱向振動(dòng)。新型液力加壓器由于設(shè)計(jì)了單向球閥，當(dāng)中心筒、伸縮筒由于地層反作用力向上移動(dòng)時(shí)，筒體內(nèi)的鉆井液突然被壓縮，壓力瞬間升高，產(chǎn)生憋壓。這部分能量會(huì)在中心筒和伸縮筒向下移動(dòng)時(shí)被釋放，作用于伸縮筒和中心筒，產(chǎn)生雙重加鉆壓的效果，一定程度解決了鉆壓不足的問題[10]。

2.4 破巖方式

單向閥體的設(shè)計(jì)[10]，改變了鉆井液通過鉆頭水眼后的噴射狀態(tài)，由于伸縮筒、中心筒體內(nèi)部鉆井液不斷憋壓及放壓，高壓鉆井液在鉆頭噴嘴處形成了脈沖射流效果，而且這種效果隨著井底巖性的不均度、切削難度的增加而相應(yīng)提升，這種脈沖射流射入井底處?kù)o止的泥漿中，減少了井底巖石碎屑的壓持效應(yīng)，有效解決了在破巖時(shí)由于功率不足造成破巖緩慢的問題，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械鉆速的提升。

3 壓差計(jì)算

建立新型液力加壓器雙重加鉆壓簡(jiǎn)易分析模型(如圖4)，可對(duì)鉆井液在伸縮筒內(nèi)部產(chǎn)生的壓差進(jìn)行計(jì)算。

圖4 壓差計(jì)算模型

鉆頭鉆遇井底凸起地層時(shí)，伸縮筒上行，伸縮筒內(nèi)部鉆井液壓力瞬間升高，如果此時(shí)高壓鉆井液通過傳動(dòng)筒壁阻尼孔的流量為Q0、通過鉆頭水眼的流量為Q1，那么就有[11-13]：

(1)

(2)

由式(1)～(2)可以得到：

(3)

式中:Δp1為伸縮筒與傳動(dòng)筒構(gòu)成的阻尼腔內(nèi)外壓差，MPa；Δp2為伸縮筒與單向球閥構(gòu)成的儲(chǔ)能腔體內(nèi)外壓差，MPa；C為阻尼孔流量系數(shù)；C＇為鉆頭噴嘴的流量系數(shù)；v為伸縮筒上行的瞬時(shí)速度，m/s；A0為阻尼腔截面積，m2；A1為阻尼孔當(dāng)量面積，m2；A2為鉆頭噴嘴當(dāng)量面積，m2；A3為伸縮筒截面積，m2。

從以上計(jì)算可以得到儲(chǔ)能腔與阻尼腔內(nèi)部壓差大小成正比關(guān)系，在進(jìn)行液力加壓器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該綜合考慮。既要保證阻尼孔對(duì)下部鉆具及鉆頭的減振作用，吸收鉆柱振動(dòng)和鉆頭沖擊，鉆井液能順利從阻尼腔流進(jìn)及流出，同時(shí)儲(chǔ)能腔內(nèi)部應(yīng)該有較好的憋壓能力，保證雙重加鉆壓效果，提效提速。在新型液力加壓器外徑限制的情況下，阻尼孔、鉆頭噴嘴的當(dāng)量面積固定時(shí)，可通過減小阻尼腔截面積或者增加伸縮筒截面積來(lái)提高儲(chǔ)能腔的憋壓能力，在保證新型液力加壓器的剛度前提下實(shí)現(xiàn)更好的雙重加鉆壓效果。

4 室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了對(duì)新型液力加壓器的鉆頭噴嘴、阻尼孔參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定最佳伸縮筒截面積，提高雙重加鉆壓能力及破巖效率，設(shè)計(jì)如圖5所示的室內(nèi)試驗(yàn)方案。

1-鉆壓傳感器；2-套管；3-混凝土塊；4-螺桿鉆具；5-加速度傳感器；6-新型液力加壓器；7-流量傳感器；8-反作用力傳感器。

新型液力加壓器下部接螺桿鉆具、牙輪鉆頭，混凝土塊嵌入套管內(nèi)，引導(dǎo)下部鉆具組合正常下行，模擬實(shí)際井筒內(nèi)正常鉆進(jìn)過程[14-15]。在下部鉆具上安裝加速度、推力、流量和反作用力傳感器，在破巖鉆進(jìn)中，通過各傳感器記錄關(guān)鍵參數(shù)，可對(duì)新型液力加壓器的雙重加鉆壓特性、減振特性等進(jìn)行分析試驗(yàn)。利用計(jì)算機(jī)軟件擬合試驗(yàn)過程，在伸縮筒截面積取不同值時(shí)，得到如圖6的流量與反作用力之間的關(guān)系圖。反作用力與鉆壓大小相關(guān)，所以在工藝允許范圍內(nèi)，盡可能增加伸縮筒截面積，保證其剛度的同時(shí)，提高雙重加鉆壓效果。但取值過大雖然能提高儲(chǔ)能腔的憋壓能力，但對(duì)底部鉆具振動(dòng)的抑制作用差，不能起到較好的阻尼效果，影響破巖效率和機(jī)械鉆速。

圖6 伸縮筒不同截面積下流量與反作用力的關(guān)系

5 結(jié)論

1) 新型液力加壓器加入密封短節(jié)、浮動(dòng)式平衡環(huán)，改善了密封效果，減小密封件偏磨，增加液力加壓器使用壽命。

2) 潤(rùn)滑腔的設(shè)計(jì)，減小摩擦的同時(shí)，可提高鉆具的穩(wěn)定性，減少伸縮筒卡住等故障的發(fā)生。

3) 雙重加鉆壓的方式可提供更大的鉆壓，利用高壓液體能量形成脈沖射流，改善鉆頭破巖效率，提升機(jī)械鉆速。

4) 通過對(duì)壓差的計(jì)算得出，適當(dāng)增加中心筒的截面積，可提高儲(chǔ)能腔的憋壓能力，增加雙重加鉆壓的效果。

5) 通過模擬試驗(yàn)，優(yōu)化鉆頭噴嘴、阻尼孔、伸縮筒截面積之間的關(guān)系，可獲得最佳雙重加鉆壓效果。