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        多功能振蕩旋沖螺桿鉆具研制與應(yīng)用

        2022-02-09 08:09:04王建龍李亞鋒
        西部探礦工程 2022年12期
        關(guān)鍵詞:振動

        王建龍,柳 鶴,于 琛,鄭 鋒,李亞鋒,劉 爍

        (中國石油渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院,天津 300280)

        隨著油氣資源勘探開發(fā)力度不斷加大,深井、大位移井、水平井不斷增多,鉆井提速提效的需求更加迫切,尤其中深部地層機(jī)械鉆速低、定向效率低等問題凸顯[1-4]。中深部堅(jiān)硬、軟硬交錯等難鉆地層,機(jī)械鉆速低;?311.2mm 及以上大尺寸井眼,近鉆頭托壓嚴(yán)重,定向困難;長水平段軌跡控制難度大。這些難題長期制約鉆井提速。為了解決這些難題,國內(nèi)外相繼研發(fā)了旋沖螺桿、扭力沖擊器、液動沖擊器、水力振蕩器等提速工具。但是,扭力沖擊器、多維沖擊器、脈沖射流工具等不具備井底動力功能,少數(shù)具有沖擊振動類螺桿鉆具產(chǎn)品,不具備脈沖振蕩和脈沖射流功能,無法滿足中深部鉆井綜合提速需求[5-8]。為此,針對硬地層提速、近鉆頭托壓、過平衡鉆井巖屑壓持效應(yīng)顯著的難題,自主創(chuàng)新研制了集轉(zhuǎn)速扭矩、沖擊振動、脈沖射流三種功能于一體的多功能振蕩旋沖螺桿鉆具,解決了系列提速難題,滿足了中深部鉆井提速需求,助力提升油氣資源勘探開發(fā)效益。

        1 整體結(jié)構(gòu)及原理

        螺桿鉆具是最常見的井下動力鉆具,螺桿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以通過鉆井液排量進(jìn)行調(diào)節(jié),具有性能穩(wěn)定、工作壽命長的特點(diǎn)[9-11],通過傳動軸回轉(zhuǎn)給鉆頭輸出扭矩。在螺桿鉆具的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了基于螺桿動力的機(jī)械沖擊、脈沖振動、脈沖射流結(jié)構(gòu),集成在螺桿鉆具上,形成一種集轉(zhuǎn)速扭矩、沖擊振動、脈沖射流于一體的多功能振蕩旋沖螺桿鉆具。

        該工具主要由旁通閥總成、馬達(dá)總成、萬向軸總成、傳動軸總成、上脈沖振蕩機(jī)構(gòu)、下脈沖振蕩機(jī)構(gòu)和沖擊振動總成等7 部分組成(如圖1所示)。萬向軸總成主要作用是將馬達(dá)產(chǎn)生的扭矩和轉(zhuǎn)速向下傳遞給傳動軸,將馬達(dá)產(chǎn)生的行星運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)閭鲃虞S的定軸轉(zhuǎn)動。傳動軸總成可將扭矩和轉(zhuǎn)速直接傳給鉆頭,同時將上部動力總成和下部沖擊振動總成連接起來,直接驅(qū)動沖擊振動總成工作產(chǎn)生沖擊振動能量。沖擊振動總成由凸輪機(jī)構(gòu)和滾輪組成,利用傳動軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動,產(chǎn)生機(jī)械振動。

        圖1 多功能振蕩旋沖螺桿鉆具結(jié)構(gòu)示意圖

        該工具能夠?qū)崿F(xiàn)給鉆頭提供轉(zhuǎn)速扭矩、徑向擺動和軸向沖擊振動,同時產(chǎn)生脈沖射流。鉆井液流經(jīng)工具時,驅(qū)動馬達(dá)總成高速旋轉(zhuǎn),帶頭鉆頭高速旋轉(zhuǎn),給鉆頭提供轉(zhuǎn)速和扭矩;在馬達(dá)總成的帶動下,鉆井液流經(jīng)上、下脈沖振蕩機(jī)構(gòu)的流道產(chǎn)生周期性的截流變化,形成水擊脈沖效應(yīng),帶動附近的鉆具產(chǎn)生徑向擺動,減緩近鉆頭處定向托壓問題,同時脈沖效應(yīng)經(jīng)鉆頭作用在井底,提高鉆頭水眼射流沖擊力,提高井底巖屑清洗效果,減少巖屑壓持效應(yīng);在馬達(dá)總成的帶動下,沖擊振動總成產(chǎn)生軸向沖擊,直接作用在鉆頭上,提高近鉆頭破巖效率??傊ぞ吣軌虍a(chǎn)生徑向擺動,大大降低摩阻,緩解托壓,也能夠?yàn)殂@頭提供沖擊能量,提高破巖效率,還能為鉆頭提供脈沖射流,促進(jìn)井底清潔,從而達(dá)到鉆井提速的目的。

        目前,已研發(fā)形成了?127~?244mm四種規(guī)格的系列化工具,利用測試系統(tǒng)測試工具壓耗4.0~6.0MPa,工作頻率24.0~36.0Hz,振幅4.0~8.0mm,沖擊力5.0~25.0kN,耐溫150.0℃,具體性能參數(shù)如表1所示。

        表1 多功能振蕩旋沖螺桿鉆具性能參數(shù)表

        2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        上脈沖振蕩機(jī)構(gòu)、下脈沖振蕩機(jī)構(gòu)和沖擊振動機(jī)構(gòu)為多功能振蕩旋沖螺桿鉆具的核心機(jī)構(gòu),下面著重介紹3個機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)理念。

        2.1 上脈沖振蕩機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

        脈沖振動是依靠流體壓力的變化而產(chǎn)生的,而流體壓力的變化主要是依靠過流通道的變化實(shí)現(xiàn)的。多功能振蕩旋沖螺桿鉆具是流體驅(qū)動馬達(dá)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動,上脈沖振蕩機(jī)構(gòu)主要考慮利用馬達(dá)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動,帶動上脈沖振蕩機(jī)構(gòu)產(chǎn)生鉆井液過流通道的大小變化,進(jìn)而產(chǎn)生周期性壓力脈沖變化,帶動附近鉆具產(chǎn)生擺動。

        上脈沖振蕩機(jī)構(gòu)主要由固定環(huán)、節(jié)流環(huán)、撓軸組成,如圖2所示。撓軸在馬達(dá)的帶動下旋轉(zhuǎn),帶動節(jié)流環(huán)相對于固定環(huán)轉(zhuǎn)動,過流通道發(fā)生間歇性地打開和關(guān)閉,過流面積發(fā)生周期性變化,產(chǎn)生壓力脈沖,在工具內(nèi)部產(chǎn)生水擊振動,帶動工具產(chǎn)生擺動,達(dá)到降低摩阻、緩解近鉆頭托壓的作用。

        圖2 上脈沖振蕩機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

        2.2 下脈沖振蕩機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

        下脈沖振蕩機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路與上脈沖振蕩機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思路一致,只是其上下連接部件不同,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有所差異。

        下脈沖振蕩機(jī)構(gòu)主要由萬向軸、水槽、阻水筋、傳動軸組成,如圖3所示。馬達(dá)帶動萬向軸和水帽轉(zhuǎn)動,鉆井液通過萬向軸外部進(jìn)入水帽流道流向鉆頭,水帽對應(yīng)外殼內(nèi)壁鑲嵌有硬質(zhì)合金阻水筋,水帽流道不斷被阻水筋阻擋,產(chǎn)生局部水擊效應(yīng),形成水力脈沖引起工具振動。同時鉆井液通過水帽直接輸送給鉆頭,為鉆頭提供脈沖射流,促進(jìn)井底清潔。水力脈沖頻率由水帽流道個數(shù)和阻水筋個數(shù)決定,頻率可調(diào)。

        圖3 下脈沖振蕩機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

        2.3 沖擊振動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

        軸向沖擊振動是利用上部鉆具施加的鉆壓進(jìn)行控制,沖擊振動機(jī)構(gòu)是考慮依靠馬達(dá)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為周向沖擊振動,設(shè)計(jì)利用凸輪的結(jié)構(gòu),改變馬達(dá)傳動軸總成的軸向運(yùn)動位移的變化,在上部鉆具施加鉆壓的作用下產(chǎn)生軸向沖擊振動。

        沖擊振動機(jī)構(gòu)主要由凸輪、滾輪、沖擊部件和上下傳動軸組成,如圖4所示。上下傳動軸在馬達(dá)和萬向軸的帶動下旋轉(zhuǎn),凸輪跟隨傳動軸旋轉(zhuǎn),滾輪受外管約束不動,二者發(fā)生相對運(yùn)動,滾輪沿凹凸軌道運(yùn)動,產(chǎn)生軸向沖擊振動,提高鉆頭破巖效率。沖擊力和沖擊頻率可依靠凸輪滾輪個數(shù)進(jìn)行調(diào)整,同時也受馬達(dá)轉(zhuǎn)速影響。

        圖4 沖擊振動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

        3 工具性能測試系統(tǒng)開發(fā)

        多功能振蕩旋沖螺桿鉆具在井下作業(yè)時受力狀況復(fù)雜,且自身處于動態(tài)振動過程,僅靠地面靜態(tài)承壓實(shí)驗(yàn)、拉扭試驗(yàn)不足以滿足研發(fā)和測試需求。因此,綜合考慮測試平臺的采集功能、采樣頻率、測量精度等方面,開發(fā)了測試平臺,配套開發(fā)了多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

        測試系統(tǒng)主要由試驗(yàn)臺架、數(shù)據(jù)采集和存儲系統(tǒng)組成。其中,試驗(yàn)臺架由夾持裝置、泵站、電機(jī)、電動調(diào)節(jié)閥、截止閥、管路、法蘭及附近;數(shù)據(jù)采集和存儲系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、傳感器(壓力、位移、流量、加速度、沖擊器傳感器)、電源、工具箱組成。能夠?qū)崿F(xiàn)對沖擊振動類鉆井提速工具的排量、壓力、振動頻率、振幅、加速度等參數(shù)進(jìn)行測量。該套測試系統(tǒng)能夠采集16路信號,采樣頻率達(dá)到1000Hz,測量精度達(dá)到0.1%,具備實(shí)時采集和事后回放功能。如圖5所示。

        圖5 測試系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖

        4 現(xiàn)場試驗(yàn)

        多功能振蕩旋沖螺桿鉆具在山西、蘇里格、冀東、大港、四川等地區(qū)現(xiàn)場試驗(yàn)48口井,提速效果明顯,試驗(yàn)井段相比鄰井平均機(jī)械鉆速提高35.6%?,F(xiàn)場試驗(yàn)表明:工具性能可靠、耐高溫、使用壽命長,試驗(yàn)井段最高溫度125℃,最長入井工作時間達(dá)到200h,均因中完或者其他原因起鉆,起出工具仍可再次入井。

        4.1 長寧頁巖氣

        川渝頁巖氣上部?311.2mm 井眼定向托壓嚴(yán)重,滑動鉆進(jìn)機(jī)械鉆速僅為3.44m/h,鉆遇茅口組、棲霞組,含有黃鐵礦和燧石結(jié)核,硬度高研磨性強(qiáng),鉆頭磨損嚴(yán)重,機(jī)械鉆速較低,僅為1.5~2.2m/h,是提速提效的關(guān)鍵階段。

        ?244mm 多功能振蕩旋沖螺桿鉆具在川渝頁巖氣應(yīng)用了3 口井,平均機(jī)械鉆速和滑動鉆速分別提高43.1%和52.8%,鉆井周期明顯縮短,起下鉆次數(shù)和鉆頭數(shù)量明顯減少,如表2所示。與常規(guī)螺桿相比,采用小尺寸扶正器或無扶正器,仍能獲得較高造斜率。其中,A 井一趟鉆進(jìn)尺1540m,平均機(jī)械鉆速10.25m/h,滑動平均機(jī)械鉆速4.20m/h,創(chuàng)造了?311.2mm 井眼一趟鉆完鉆、單只鉆頭進(jìn)尺最多兩項(xiàng)記錄。

        表2 多功能振蕩旋沖螺桿鉆具在長寧頁巖氣應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)

        4.2 山西煤層氣

        山西煤層氣二開?215.9mm井眼紙坊組—石千峰組會鉆遇大段致密砂巖、泥巖、石板層等地層,硬度高、研磨性強(qiáng)導(dǎo)致機(jī)械鉆速低。?172mm多功能振蕩旋沖螺桿鉆具在山西煤層氣應(yīng)用8口井,機(jī)械鉆速提高20%~60%。其中,大吉19 井應(yīng)用兩趟鉆,總進(jìn)尺1284m,平均機(jī)械鉆速提高47.2%。

        4.3 冀東油田

        冀東油田高尚堡區(qū)塊三開215.9mm 井眼東營、沙河街組地層巖性主要以灰色泥巖、細(xì)砂巖并夾雜礫巖、玄武巖,巖石可鉆等級5~7 級,地層堅(jiān)硬且研磨性強(qiáng),機(jī)械鉆速較低,僅為3.0m/h。?172mm多功能振蕩旋沖螺桿鉆具在冀東油田應(yīng)用27 口井,平均機(jī)械鉆速提高了12.3%~96.62%。其中,南堡36-3005井兩趟鉆進(jìn)尺215.5m,平均機(jī)械鉆速5.25m/h,較鄰井井斜鉆速提高75.0%。

        5 結(jié)論與建議

        (1)多功能振蕩旋沖螺桿鉆具是基于馬達(dá)行星運(yùn)動的穩(wěn)定回轉(zhuǎn)控制動作設(shè)計(jì)而成,在常規(guī)螺桿鉆具的基礎(chǔ)上,增設(shè)上下脈沖振蕩機(jī)構(gòu)和沖擊振動機(jī)構(gòu),能夠?qū)崿F(xiàn)徑向擺動和軸向沖擊振動,同時產(chǎn)生脈沖射流。

        (2)配套開發(fā)性能參數(shù)測試系統(tǒng),檢測壓力、振幅、加速度、頻率、排量等時域變化,多通道高精度采集分析功能夠滿足工具性能測試需求。

        (3)現(xiàn)場48口井試驗(yàn)表明,多功能振蕩旋沖螺桿鉆具具有緩解近鉆頭托壓、提高近鉆頭破巖效率的功能,平均機(jī)械鉆速提高35.6%,該工具性能可靠、耐高溫、使用壽命長。

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