JZZY-1型井下鉆柱減振增壓裝置結構優化及現場試驗

張 浩

（中國石化西南石油工程有限公司臨盤鉆井分公司，山東臨邑 251500）

JZZY-1型井下鉆柱減振增壓裝置結構優化及現場試驗

張 浩

（中國石化西南石油工程有限公司臨盤鉆井分公司，山東臨邑 251500）

現場試驗結果表明，利用鉆柱的縱向振動可以實現井下鉆井液增壓以達到超高壓射流輔助破巖的目的。井下鉆柱減振增壓裝置能夠大幅度提高鉆井速度。為進一步提升井下鉆柱減振增壓裝置的工作性能，對其結構進行了優化，并研制了井下鉆柱減振增壓裝置用超高壓鉆頭流道系統。優化后的裝置整體結構大大簡化，每個零部件的加工、安裝、拆卸和維修都比較容易；研制的超高壓鉆頭流道系統無需生產專用鉆頭，與普通鉆頭組裝后便可配合井下鉆柱減振增壓裝置使用。在勝利油田臨盤地區的2口井現場試驗評價表明，改進后的井下鉆柱減振增壓裝置配合超高壓鉆頭流道系統結構可靠，工作穩定，工作壽命能夠滿足現場應用的要求。

鉆柱振動；井下鉆柱減振增壓裝置；超高壓；現場試驗；鉆速

隨著我國油田勘探開發向縱深發展，如何有效地提高深部地層機械鉆速成為亟待解決的問題［1］。油氣鉆井工程實踐表明，提高井底鉆頭噴嘴射流壓力，可以大幅度提高鉆井速度［2-3］。為實現這一目的，中國石油大學（華東）研制了JZZY-1型井下鉆柱減振增壓裝置，該裝置可以有效地將鉆柱振動的機械能轉化為鉆井液的液壓能，既能減小鉆柱振動，延長鉆柱和鉆頭的使用壽命，又能對井下鉆井液進行增壓，實現井底射流破巖和輔助破巖以提高機械鉆速［4-5］。通過多口井的現場試驗，該裝置配合超高壓鉆頭一起使用可以大幅度提高深井鉆井速度且使用壽命能夠滿足現場的需要［6］。但通過現場試驗發現該裝置還存在以下問題［7-8］：①中心軸上需要承受扭矩及波動的鉆壓，容易疲勞；②中心軸上的花鍵浸泡于鉆井液中，容易被鉆井液腐蝕或沖蝕，并且中心軸較長，易于破壞，一旦產生疲勞破壞或者沖蝕，更換部件成本較高；③上部轉換接頭與彈簧上封堵接頭難以拆卸，強制拆卸會導致彈簧上封堵接頭渡鉻層損傷；④增壓缸安裝過程中需要與花鍵流道對正，較難安裝；⑤彈簧外筒及彈簧下封堵接頭上的密封強度較低，維修及更換較為困難；⑥與井下增壓裝置配合使用的超高壓鉆頭為特制鉆頭，需要在加工鉆頭時，將超高壓鉆井液流道埋入鉆頭胎體內，既增加了鉆井成本，也不利于井下增壓裝置在不同地區、不同地層的推廣應用。為有效解決上述問題，對井下鉆柱減振增壓裝置進行了進一步的結構優化設計，并研發了超高壓鉆頭流道系統，對結構優化后的井下鉆柱減振增壓裝置與超高壓鉆頭流道系統在勝利油田臨盤地區的2口井進行了現場試驗評價。

1 優化后裝置的結構、工作原理及優勢

優化設計后的裝置如圖1所示。

圖1 新型井下鉆柱減振增壓裝置結構示意圖

優化后的裝置主要由鉆柱受力傳遞總成、傳扭承壓總成、彈性復位元件總成、增壓缸體、超高壓鉆井液傳輸總成及鉆頭組成。

鉆柱受力傳遞總成由上部轉換接頭、花鍵心軸、花鍵限位螺母、分流傳壓接頭、鉆井液過濾器、柱塞、入口單向閥相連成一體組成；傳扭承壓總成由密封壓套、彈簧腔上部密封總成、花鍵外筒、彈簧保護筒、彈簧下封堵接頭、彈簧腔下部密封總成、下部密封壓套、增壓總成外筒、支撐過流體、增壓裝置下接頭、轉換接頭通過連接組成；增壓缸體由增壓缸、超高壓密封總成組成；彈性復位元件為彈簧，液壓彈簧及其他可實現彈性復位的元件；超高壓鉆井液傳輸總成由高壓流道、金屬超高壓鉆井液流道、超高壓鉆井液流道延長管、超高壓軟管及超高壓鉆井液噴嘴組成；鉆頭為普通鉆頭。

增壓缸體安裝于傳扭承壓總成內，兩者相對靜止。扭矩通過鉆柱受力傳遞總成中花鍵心軸上的花鍵與傳扭承壓總成中花鍵外筒的配合傳遞給傳扭承壓總成，從而帶動鉆頭旋轉破巖。當鉆進過程中鉆柱發生縱向振動時，鉆壓的波動導致鉆柱受力傳遞總成相對于傳扭承壓總成往復運動。鉆壓增大時，鉆柱受力傳遞總成相對于傳扭承壓總成向下運動，入口單向閥關閉，彈簧及增壓缸體內的鉆井液共同承受施加反作用力來阻止該運動，導致彈簧被壓縮，增壓缸體內的鉆井液壓力增大，從而實現了部分鉆井液的增壓，增壓后的鉆井液通過超高壓鉆井液傳輸總成到鉆頭，由鉆頭上的超高壓鉆井液噴嘴噴出輔助破巖；鉆壓減小時，被壓縮的彈簧伸展，鉆柱受力傳遞總成相對于傳扭承壓總成向上運動，增壓缸體內壓力降低，入口單向閥開啟，吸入常壓鉆井液為下一增壓過程提供準備。

鉆井液的流程：鉆井液流過上部轉換接頭、花鍵心軸的中空后，在分流傳壓接頭分為2部分，一部分透過鉆井液過濾器，通過柱塞及入口單向閥進入增壓缸被增壓；另一部分通過由增壓總成外筒與柱塞的環空，增壓總成外筒與增壓缸的環空，支撐過流體的流道，高壓流道與增壓裝置下接頭組成的環空、防扭過流結構的過流孔、金屬超高壓鉆井液流道及超高壓鉆井液流道延長管與轉換接頭內孔間的環形空間、硬管扶正器的過流孔、超高壓軟管與鉆頭體內腔間的環形空間到達井底，通過鉆頭上的普通噴嘴噴出發揮鉆井液的正常功用。

增壓后的鉆井液流經由高壓流道、金屬超高壓鉆井液流道、超高壓鉆井液流道延長管、超高壓軟管及超高壓鉆井液噴嘴組成的超高壓鉆井液傳輸總成到達井底并實現噴射來輔助鉆頭機械破巖。

本設計的優勢：（1） 花鍵位于花鍵心軸的頂部，使得扭矩在系統頂部就傳到外筒，減小了花鍵心軸下部負荷，提高了花鍵心軸的總體使用壽命；（2） 花鍵位于由密封壓套、彈簧腔上部密封總成、花鍵外筒、彈簧保護筒、彈簧下封堵接頭、彈簧腔下部密封總成組成的密封腔體內，該腔體內充有潤滑油，使得花鍵運動流暢，且不受鉆井液的腐蝕及沖蝕，同時起到潤滑彈簧的目的；（3）花鍵心軸與分流傳壓接頭螺紋連接，一旦出現鉆井液腐蝕或沖蝕現象，更換容易，且加工的成本及加工難度大幅度降低；（4） 彈簧腔下部密封總成為組合密封，更換及安裝容易實現；（5）花鍵外筒上移，增壓缸通過增壓總成外筒上的臺階面壓緊于增壓總成外筒內，安裝中不再涉及流道對正問題。

2 超高壓鉆頭系統結構及優勢

井下鉆柱減振增壓裝置產生的超高壓射流主要起到輔助破巖提速的作用，只有在保證原有鉆頭破巖能力的基礎上增加輔助破巖能力才能提高鉆井速度。井下鉆柱減振增壓裝置所連接鉆頭與地層的匹配性至關重要，學者們提出了幾種結構來獲得這種超高壓雙流道鉆頭，從原理上講，這些鉆頭可實現將井下增壓裝置輸出的超高壓鉆井液和常壓鉆井液分別傳輸到井底并使其噴射的目的，但設計中卻并未考慮以下問題［9］：（1）需要生產專用鉆頭，專用鉆頭需要在鉆頭胎體內埋入超高壓鉆井液專用流道，這無疑增加了鉆井作業的成本，影響了井下增壓裝置在不同地區、不同地層的推廣應用；（2） 安裝過程中存在2個流道不能夠同時連接的可能，由于超高壓流體過流管道無承壓及承拉裝置，在和井下增壓裝置裝卸過程中，會產生因軸向受力過大或軸線不對中引起的超高壓流道連通失敗情況；（3）連接過程可能會對超高壓流道與鉆頭體的連接造成破壞，與井下增壓裝置上扣連接過程中，上述幾種鉆頭超高壓流道沒有防止旋轉機構，超高壓流道上的扭矩作用于與鉆頭體的連接部位，極易引起該部位的損壞。以此裝置研制方設計了新的超高壓鉆頭系統，具體如圖2所示。

圖2 超高壓鉆頭系統結構簡圖

該系統由轉換接頭、防扭扶正結構、超高壓鉆井液流道及鉆頭4部分組成，其中轉換接頭用于連接井下鉆柱減振增壓裝置與鉆頭，防扭扶正結構用于居中固定超高壓鉆井液流道，承受在與井下增壓裝置安裝過程中超高壓鉆井液流道所受的軸向力及扭矩，超高壓鉆井液流道則將從增壓裝置輸出的超高壓鉆井液輸送到井底。防扭扶正結構由扶正過流套筒、花鍵防旋體、防退螺母、壓緊螺母等構成；超高壓鉆井液流道由超高壓過流硬管、超高壓軟管、超高壓鉆井液噴嘴通過螺紋連接為一個整體。

井下增壓裝置輸出的超高壓鉆井液由超高壓流道將輸送到井底，實現超高壓射流輔助破巖或直接破巖的目的［10-11］，而普通鉆井液則通過超高壓流道與轉換接頭的環形空間、防扭扶正結構的過流孔以及超高壓流道與鉆頭腔體間的環形空間通過鉆頭上的普通噴嘴噴出到達井底，發揮其正常工用。

本系統與現有技術相比具有的優勢是：（1）適用范圍廣，其鉆頭體為普通鉆頭，僅需要將系統中除了鉆頭體的其他組件按照該系統的構造方法進行構造，即可實現普通鉆頭到超高壓雙流道鉆頭的轉化，有利于井下增壓裝置的推廣應用；（2）該結構僅需要調整超高壓粗軟管、超高壓細軟管長度即可實現不同廠家普通鉆頭構造超高壓鉆頭的目的。超高壓鉆井液噴嘴僅是普通噴嘴的稍作改造，該噴嘴加工工藝容易實現，可有效降低鉆頭構造成本；（3）結構簡單、性能穩定，使用過程不會為鉆井作業帶來其他方面的風險。

3 現場試驗及結果分析

3.1 街502井

2012年7月，改進后的井下鉆柱減振增壓裝置與超高壓鉆頭系統在街502井三開?228.6 mm井段進行現場試驗。試驗井段：3 074～3 077 m。試驗地層：沙河街組沙三上段，地層巖性為灰色砂巖與深灰色泥巖不等厚互層。鉆進參數：鉆壓240～60 kN；扭矩 7～8 kN·m；排量 32 L/min；泵壓 12～13 MPa；轉盤轉速80～100 r/min。鉆頭水眼參數：?16 mm×2+?14 mm×2+?2 mm×1。鉆具組合：?215.9 mm新型超高壓鉆頭+ ?178 mm井下鉆柱減振增壓裝置+ ?177.8 mm短鉆鋌+ ?177.8 mm鉆鋌1根+?213.0 mm扶正器1個+ ?177.8 mm鉆鋌1根+回壓閥+ ?165 mm無磁鉆鋌×3柱+?127 mm鉆桿。試驗情況：井下減振增壓裝置于井下工作28 h，純鉆進時間7 h，共進尺3 m，平均機械鉆速0.43 m/h。

在街502井使用井下鉆柱減振增壓裝置鉆進井段的機械鉆速與該井相鄰井段相比較慢，但鉆進過程中，各項鉆進參數均正常。起鉆后發現裝置結構完整，未見損傷，并且鉆頭完好無損，但鉆頭超高壓鉆井液噴嘴處出現局部泥包現象。為進一步分析原因，對井下鉆柱減振增壓裝置與超高壓鉆頭流道系統進行了拆卸檢驗，并進行了傳扭傳壓測試，通過檢驗測試發現該套工具流道順暢、傳扭、傳壓正常，內部各零部件均完好，說明了井下鉆柱減振增壓裝置與超高壓鉆頭流道系統在井下工作的結構可靠性，從而排除了井下鉆柱減振增壓裝置對機械鉆速的影響。經工具研制方與施工方組織相關工作人員分析發現，鉆頭泥包現象與配合井下減振增壓裝置所使用鉆頭的水眼分布有關，該鉆頭為五刀翼鉆頭，外輪廓分隔為5個相對封閉的區間，各區間內分別只有1個負責清巖的常規噴嘴。井下減振增壓裝置的超高壓鉆井液噴嘴占據了其中1個常規噴嘴位置，但超高壓噴嘴直徑為2 mm，噴射排量為1.5～2 L/s，超高壓鉆井液噴嘴高速噴射出的鉆井液高速射向井底，以實現超高壓射流輔助破巖，而起不到對該區間清巖的作用。因此，在鉆進過程中，鉆頭超高壓鉆井液噴嘴處兩刀翼間的巖屑難以排除，造成鉆頭局部泥包，影響了機械鉆速。工具研制方認為，井下鉆柱減振增壓裝置配合水眼分布與之相匹配的普通鉆頭進行使用，即鉆頭在超高壓鉆井液噴嘴臨近處有負責清巖的常規噴嘴，便可在不影響清巖效果的前提下，實現超高壓射流輔助破巖的目的，從而提高機械鉆速。

3.2 街503井

為了進一步試驗工具的可靠性及其提速效果，2012年11月，改進后的井下鉆柱減振增壓裝置配合超高壓鉆頭系統，在街503井三開?228.6 mm井段進行現場試驗。試驗井段：3 136～3 431 m、3 853～4 047 m。試驗地層：沙河街組沙二段與沙三段，地層巖性為棕色泥巖夾灰色砂巖、厚層灰色粉細砂巖與薄層灰色泥巖互層、灰色粉砂巖與深灰色泥巖不等厚互層。鉆進參數：鉆壓40～80 kN；扭矩7～8 kN·m；排量 32 L/min；泵壓 14～15 MPa；轉盤轉速125～130 r/min。鉆頭水眼參數：?12.5 mm×4+ ?10 mm×2+ ?2 mm×1。鉆具組合：?215.9 mm新型超高壓鉆頭+ ?178 mm井下鉆柱減振增壓裝置+ ?178 mm鉆鋌3根+無磁鉆鋌1根+ ?165 mm鉆鋌6根+ ?127.0 mm鉆桿。試驗情況：井下鉆柱減振增壓裝置在街503井共進行2井次現場試驗，于井下工作250 h，純鉆進時間98.2 h，共進尺491 m，平均機械鉆速5 m/h。出井后觀察發現：裝置結構完整、未見損傷；鉆頭磨損較小，損壞較輕。

由于街503井與附近鄰井距離較遠，地層差異相對較大，其機械鉆速與該井并不具對比性，所以將街503井試驗井段與其處于同一層段的相鄰井段進行機械鉆速對比。具體對比結果如表1所示。

對比井段 沙二段 2 736～3 132 8.2 11試驗井段 3 136～3 200 9.1試驗井段 沙三上段 3 201～3 431 5.3 15對比井段 3 432～3 690 4.6對比井段 沙三中段 3 691～3 843 4.6 20試驗井段 3 853～3 945 5.5試驗井段 沙三下段 3 946～4 047 3.4 36對比井段 4 056～4 420 2.5

井下鉆柱減振增壓裝置配合超高壓鉆頭流道系統在街503井的使用情況如表1所示，其中試驗井段為使用井下鉆柱減振增壓裝置鉆進的井段，對比井段為采用“螺桿鉆具”復合鉆進井段或常規鉆具鉆進井段。在鉆進參數一致，地層基本近似的情況下，與處于同一層段的相鄰井段進行了機械鉆速對比，試驗井段的機械鉆速提高11%～36%，平均機械鉆速提高21%。需要說明的是沙二段的對比井段采用“螺桿鉆具”復合鉆進方式，使用井下鉆柱減振增壓裝置鉆進的沙二段機械鉆速較之提高了11%。

通過對街502井的現場試驗情況分析，井下鉆柱減振增壓裝置配合水眼分布與之相匹配的普通鉆頭進行使用，便可在不影響鉆頭清巖效果的情況下，實現超高壓射流輔助破巖，從而提高機械鉆速。從街503井的現場試驗情況可知，通過同層段機械鉆速對比，使用井下鉆柱減振增壓裝置鉆進井段的機械鉆速比常規復合方式鉆井提高了11%，比常規鉆具組合鉆井提高了15%～36%。

4 結論

（1） 針對JZZY-1型井下鉆柱減振增壓裝置以往現場試驗情況，對其進行了結構優化，并對改進后的裝置進行現場試驗，試驗結果表明，改進后的井下鉆柱減振增壓裝置結構可靠、工作穩定，工作壽命能夠滿足現場應用的要求。

（2） 研制了井下鉆柱減振增壓裝置用超高壓鉆頭流道系統，該系統可與普通鉆頭組裝為配合井下增壓裝置用的超高壓鉆頭，無需特殊加工超高壓鉆頭，有利于井下鉆柱減振增壓裝置在不同地區、不同地層的推廣應用。

（3）通過對現場試驗結果分析，井下鉆柱減振增壓裝置配合水眼分布合適的普通鉆頭，可在不影響清巖效果前提下，實現超高壓射流輔助破巖，提高機械鉆速。通過對試驗井同層段機械鉆速對比，其平均機械鉆速較“螺桿鉆具”復合鉆井高11%，較常規鉆具結構鉆井高15%～36%，有較好提速效果，可以節省鉆井成本。

（4）深井提速技術是目前深井鉆探中較難解決的難題之一，原因在于井下能量來源及井下工作環境的限制，利用鉆柱振動的能量來實現井下增壓輔助破巖從而提高鉆井速度是提高深井鉆速的一個全新思路，該技術的成功應用為深部地層安全、高效鉆井提供了又一技術手段。

致謝：感謝中國石油大學（華東）提供試驗工具，并衷心感謝管志川教授的現場應用指導。

［1］陳庭根，管志川.鉆井工程理論與技術［M］. 東營：中國石油大學出版社，2006：150-203.

［2］張文華，汪志明，張永忠. 高壓射流沖擊破碎巖石的有限元計算［J］.石油鉆探技術，2006，34（1）：10-12.

［3］王太平，程廣存，李衛剛，等. 國內外超高壓噴射鉆井技術研究探討［J］.石油鉆探技術，2003，31（2）：6-8.

［4］劉永旺. 井下減振增壓裝置設計研究［D］.東營：中國石油大學（華東）石油工程學院，2007.

［5］魏文忠. 底部鉆柱振動特性及減振增壓裝置設計研究［D］.東營：中國石油大學（華東）石油工程學院，2007.

［6］管志川，劉永旺，魏文忠，等. 井下鉆柱減振增壓裝置的結構原理及現場試驗 ［J］.石油鉆探技術， 2012， 40（2）：08-13.

［7］管志川，魏文忠，劉永旺.井下鉆柱減振增壓裝置：中國 2010 2 0125587.6［P］. 2010-11-10。

［8］管志川，劉永旺，魏文忠，等.井下增壓提速系統：中國201220294882.3 ［P］. 2012-11-01.

［9］管志川，劉永旺，張洪寧. 井下增壓器用超高壓鉆頭系統：中國2011 2 0353036.X［P］. 2011-09-20.

［10］徐義，劉永旺，徐依吉 等. 不同噴嘴組合超高壓射流破巖鉆進特性分析［J］.計算物理，2011，28（5）：686-692.

［11］Zhang Yuying, Liu Yongwang, Xu Yiji et al. Drilling characteristics of combinations of different high pressure jet nozzles［J］. Journa of hydrodynamics, Ser. B, 2011,23（3）：384-390.

［12］Yongwang Liu, Zhichuan Guan. Discussion on the Energy Sources of Down-hole Accelerate ROP Tool in the Process of Drilling Deep or Ultra-deep Well ［A］.The International Conference on Remote Sensing,Environment and Transportation Engineering （RSETE 2012） ［C］, June 1st to 3rd, 2012 in Nanjing, China.886-890.

［13］袁建民，趙保忠.超高壓射流鉆頭破巖實驗研究［J］.石油鉆采工藝，2007，29（4）：33-35.

［14］易燦，李根生.噴嘴結構對高壓射流特性影響研究［J］.石油鉆采工藝，2005，27（1）：16-19.

（修改稿收到日期 2013-04-10）

The latest research progress of the technology of JZZY-1 downhole drill string absorption & hydraulic supercharging device to improve the drilling speed

Zhang Hao
（Linpan Drilling Company,Sinopec Xinan Oilf i eld Service Corporation,Linyi251500,China）

The fi eld test results show that the downhole drill string absorption & hydraulic supercharging device based on the research on the drill string vibration can assist breaking downhole rocks and increase rate of penetration by ultra-high pressure water jet. In order to improve its working performance, the structure was optimized and the Ultrahigh pressure bit runner system was invented. After optimization, Processing, installation, disassembly and maintenance of this device are more convenient. And the Ultrahigh pressure bit runner system assembly with common bit could work with the downhole drill string absorption & hydraulic supercharging device, which was proved signif i cantly increasing drilling speed by the test evaluation of 2 wells in Shengli oilf i eld.

drill string vibration; downhole drill string absorption & hydraulic supercharging device; Ultrahigh pressure; fi led test;drilling speed

張浩. JZZY-1型井下鉆柱減振增壓裝置結構優化及現場試驗［J］.石油鉆采工藝，2013，35 （3）：25-29.

TE921

A

1000 – 7393（ 2013 ） 03 – 0025 – 05

張浩，1964年生。1988年畢業于西南石油學院鉆井專業，2004年獲得石油大學（華東）油氣井工程專業碩士學位，現為中國石化集團西南石油工程公司臨盤鉆井分公司經理，一直從事鉆井工藝技術的研究、應用與管理工作，高級工程師。電話：0534-5051668。

〔編輯

付麗霞〕