王春華, 紀(jì) 博, 李 博, 于小波, 李龍濤, 李相勇

(大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院, 黑龍江大慶 163413）

隨著大慶油田油氣勘探開發(fā)的不斷深入, 深層直井、深層水平井的鉆井?dāng)?shù)量逐年增加, 但大慶油田深部地層普遍存在巖石堅硬、研磨極值高[1], 導(dǎo)致單只鉆頭進(jìn)尺少、鉆頭壽命短、機(jī)械鉆速低, 其中營城組多為流紋巖、凝灰?guī)r, 其巖石質(zhì)地堅硬、研磨性極強(qiáng), 可鉆性級值可達(dá)10級, 該井段多采用牙輪鉆頭鉆井, 試驗應(yīng)用史密斯HCR607、瑞德TD51 AMKPR、江漢HJT537 GR、HJT547G、HJT617 GH、休斯MX-S44GDX、史密斯FG45YODPD等國內(nèi)外多家鉆頭廠的牙輪鉆頭, 但都存在單只鉆頭進(jìn)尺少、鉆速低等問題, 并且牙輪出井后發(fā)現(xiàn)牙齒斷裂、崩齒、磨損嚴(yán)重、掉輪等, 大幅增加了該層位的起鉆次數(shù)和鉆井周期。

常規(guī)的PDC鉆頭已不適合該層位鉆進(jìn), PDC復(fù)合片磨損極為嚴(yán)重, 無法滿足大慶油田深部地層的鉆井要求。

綜上, 針對深部難鉆地層的高效鉆進(jìn)問題, 國內(nèi)外各廠家、科研院所和高校都已開展了不同形式的提速工具, 如國外阿特拉公司的扭力沖擊器可通過鉆井液驅(qū)動內(nèi)部沖擊結(jié)構(gòu), 產(chǎn)生高頻周向沖擊輔助鉆頭破巖；大慶鉆探鉆井院研發(fā)液動旋沖工具, 同樣產(chǎn)生高頻周向沖擊輔助破巖等；但在硬脆性地層, 高頻的縱向上下的軸向沖擊, 更加有利于巖石的預(yù)破碎, 國外的NOV公司研制了液力錘工具, 但工具應(yīng)用壽命較低, 提速效果有限；為此大慶鉆探鉆井院開展了機(jī)械式?jīng)_擊鉆井工具的研制, 采用螺桿為動力源, 驅(qū)動高頻沖擊機(jī)構(gòu)軸向高頻沖擊振動, 輔助鉆頭沖擊破巖。

1 工具研制

1.1 工作原理

機(jī)械式?jīng)_擊鉆井工具通過螺桿動力機(jī)構(gòu)實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)動力的輸出, 通過高頻沖擊機(jī)構(gòu)將周向旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成軸向高頻、均勻穩(wěn)定的機(jī)械沖擊振動, 直接傳遞給鉆頭, 在鉆進(jìn)過程中, 為鉆頭提供額外的高頻沖擊, 輔助鉆頭破巖, 提高破巖效率, 以達(dá)到提高機(jī)械鉆速的目的[2]。

1.2 工具結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1所示, 機(jī)械式?jīng)_擊工具包括：動力機(jī)構(gòu)和沖擊機(jī)構(gòu)。該工具采用螺桿作為動力機(jī)構(gòu), 利用螺桿心軸和外殼的轉(zhuǎn)速差帶動沖擊機(jī)構(gòu)工作, 實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動到軸向沖擊的轉(zhuǎn)換。該方案沖擊機(jī)構(gòu)采用純機(jī)械結(jié)構(gòu), 由于螺桿提供的扭矩較大, 能夠克服相對運動的凸輪體間的摩擦阻力, 完成運動的轉(zhuǎn)換。

圖1 機(jī)械式?jīng)_擊鉆井工具結(jié)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)對鉆井液要求較低, 輸出扭矩較大, 并采用純機(jī)械結(jié)構(gòu), 無額外壓降, 在施工過程中, 可以以正常排量進(jìn)行鉆進(jìn), 不給現(xiàn)場設(shè)備造成額外負(fù)擔(dān), 比較適合深層水平井鉆井提速, 但螺桿易受深層地溫影響其壽命。

特殊設(shè)計了高頻沖擊機(jī)構(gòu), 接觸面采用圓柱滾動接觸, 相對常規(guī)滑動接觸方式, 摩擦力更低, 室內(nèi)試驗該機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動靈活, 能夠?qū)崿F(xiàn)高頻機(jī)械沖擊動作。

2 地面試驗

2.1 機(jī)械式?jīng)_擊鉆井工具地面試驗

工具組裝完成后, 上部安裝試壓接頭連接F500泵進(jìn)行單元測試, 如圖2所示。旁通閥關(guān)閉后, 逐漸增大排量, 工具開始旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生高頻軸向沖擊。排量為25L/s時, 壓力4MPa, 轉(zhuǎn)數(shù)為100轉(zhuǎn)。

圖2 機(jī)械式?jīng)_擊鉆井工具試驗

單元試驗完成后, 利用多功能試驗架進(jìn)行整機(jī)模擬試驗, 如圖3所示。排量25L/s時, 泵壓5MPa, 鉆壓2t, 沖擊頻率5～8Hz, 振幅5mm, 工具有明顯沖擊動作。工作20min后, 沖擊振幅變小。停泵后拆開工具, 發(fā)現(xiàn)沖擊機(jī)構(gòu)磨損較嚴(yán)重, 部分零件發(fā)生變形, 如圖4、圖5所示。

圖3 機(jī)械式?jīng)_擊鉆井工具試驗

圖4 試驗后磨損零件

圖5 試驗后變形零件

試驗后對沖擊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計, 改善零件受力情況, 并對易損和變形件進(jìn)行材料優(yōu)選, 加入減阻機(jī)構(gòu), 降低沖擊機(jī)構(gòu)內(nèi)部摩擦, 提高零件抗沖擊能力, 延長工具使用壽命。

2.2 改進(jìn)后機(jī)械式?jīng)_擊鉆井工具試驗測試

液動式?jīng)_擊工具組裝完成后, 用F500泵循環(huán)測試。見圖6。

圖6 改進(jìn)后機(jī)械式?jīng)_擊鉆井工具試驗

第一次試驗使用長動力節(jié), 20mm噴嘴, 工具無動作, 單獨測試動力機(jī)構(gòu)能正常工作, 試驗后拆工具發(fā)現(xiàn)動力節(jié)下部扶正軸承外環(huán)與沖擊機(jī)構(gòu)連接部位發(fā)生干涉, 導(dǎo)致工具卡死。改進(jìn)后, 進(jìn)行第二次試驗, 低排量時工具沖擊動作正常, 但高排量時工具會出現(xiàn)卡死現(xiàn)象, 分析原因為高排量下正壓力過大, 導(dǎo)致止推軸承不能正常轉(zhuǎn)動。后加工了24～30mm各種尺寸噴嘴, 逐個測試, 最終確定噴嘴尺寸為30mm。目前工具地面測試工作正常, 已達(dá)到上井試驗要求, 試驗參數(shù)如表1所示。

表1 改進(jìn)后機(jī)械式?jīng)_擊鉆井工具試驗參數(shù)

3 結(jié)論及建議

（1）機(jī)械式?jīng)_擊鉆井工具在原理上可行, 能實現(xiàn)穩(wěn)定的沖擊動作, 輔助鉆頭沖擊破巖；

（2）工具內(nèi)部采用滑動式高頻沖擊機(jī)構(gòu), 表面易磨損, 需要進(jìn)一步改進(jìn)接觸面結(jié)構(gòu)設(shè)計, 降低摩擦阻力, 提高表面硬度, 從而提高工具使用壽命。

（3）通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)和優(yōu)選材質(zhì)能夠有效提高機(jī)械式?jīng)_擊工具使用壽命, 準(zhǔn)備進(jìn)行現(xiàn)場試驗, 驗證工具使用效果和壽命。