深井硬巖地層鉆井 高頻低幅扭轉振蕩耦合沖擊器研制與應用

賈紅軍，王 攀，馮偉雄，張俊杰，邱曉寧

(1.中國石油塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒 841000； 2.中國石油渤海鉆探工程有限公司，天津 300000)

0 引 言

深井及超深井鉆井過程中，鉆遇硬巖幾率較大，動力沿程損失大，液柱對井底的壓持效應明顯，鉆井速度慢，嚴重制約了油氣田開發進程[1-2]。沖擊器利用井底水力脈動，對鉆頭施加適當的周期性沖擊作用力，通過改善井底附近巖石或鉆頭的受力狀況來提高鉆頭的破巖鉆井效率，是已為實踐證明的有效技術手段[3-5]。目前，已存在單一功能的軸向振動沖擊工具和周向振動沖擊工具，但其核心部件易損壞，壽命短，提速效果仍待提升[6-9]。在前人研究基礎上，將脈沖射流和沖擊振動鉆井技術進行優勢互補，克服彼此的不足，研制了一種工作原理全新的鉆井沖擊器，即高頻低幅扭轉振蕩耦合沖擊器，有望成為深井硬巖地層提速的重要工具之一。

1 結構與工作原理

高頻低幅扭轉振蕩耦合沖擊器安裝在鉆頭與鉆鋌之間，主要包括鉆鋌短接、分流器、中心管、液動錘、啟動器和沖擊傳動短接等(圖1)。鉆鋌短接的下部與沖擊傳動短接連接，鉆鋌短接與沖擊傳動短接之間安裝分流器、啟動器和脈沖振蕩腔；分流器為漏斗形部件，分流器下端口與啟動器的入口相通，連接方式為螺紋連接；啟動器與沖擊傳動短接通過螺紋連接在一起，啟動器中有液動錘，這些結構共同構成了3個流體通道，即中心管節流通道、液動錘驅動通道和啟動器換向驅動通道；脈沖振蕩腔由安裝在中心管中的匯流噴嘴和啟動器外殼下接頭共同構成。其工作原理為：鉆井液流體進入高頻低幅扭轉振蕩耦合沖擊器后，與液動錘和啟動器協同作用產生扭轉沖擊，并通過沖擊傳動短接傳遞給鉆頭。同時鉆井液經過下部脈沖振蕩腔，產生脈沖射流作用于鉆頭，使鉆頭具有軸向振動，鉆頭在扭轉振蕩耦合沖擊器作用下既有了扭轉振動，又有了軸向振動。

圖1 高頻低幅扭轉振蕩耦合沖擊器結構

2 有限元分析

2.1 結構靜力學強度分析

應用Solidworks軟件的Simulation插件對所設計的沖擊器進行靜力學強度分析，包括應力、位移和應變分析等(圖2)，對易發生斷裂失效的不安全區域，提出結構優化設計方案。

模擬井下實際工況：井深為1 500 m，地溫梯度為0.032 ℃/m，地表溫度為20 ℃，鉆井液密度為1.0 g/cm3。模擬實際工作載荷：鉆壓為80 kN，扭矩為2 500 N，內壓為16 MPa，外壓為15 MPa。

由圖2a、b可知：應力最集中的地方和應變最大的地方都在傳動短接和砧子相連接的部位，此處的最大應力為293 MPa，而材料屈服極限為530 MPa，安全系數僅為1.81；為防止生產事故的發生，需將傳動短接和砧子相連接的部位厚度加大，增大其承載性能，提高整體強度和剛度，避免在使用過程中發生斷裂失效。由圖2c可知，最大位移為0.023 5 mm，位移變形較小，說明當前結構尺寸設計是安全的。

圖2 高頻低幅扭轉振蕩耦合沖擊器靜力學強度分析

2.2 內部流道結構分析

使用Fluent有限元軟件對流體在沖擊器內部流道中的運動及壓力狀態進行模擬仿真(圖3、4)。模擬參數：鉆井液密度為1.0 g/cm3，泵的排量為32 L/s，入口和出口鉆鋌的直徑為76 mm，泵的壓力為10 MPa。

圖3 沖擊器內部流道壓力損耗情況

圖4 沖擊器內部流道的流體流速分布

由圖3可知，到達沖擊器入口的壓力為7.0 MPa，由于沖擊器中心節流噴嘴的節流效應，出口壓力降低為4.7 MPa，壓力總消耗達2.3 MPa。由圖4可知，沖擊器由內向外流體流速逐漸降低，沖擊器中心節流噴嘴截面積最小，此處鉆井液流速最大為44.1 m/s，鉆井液對工具的沖蝕也最為明顯，因此，需強化此處的耐沖蝕性能。

2.3 自激振腔結構分析

軸向沖擊振動部分采用自激振蕩原理實現軸向沖擊，沖擊能量來源于自激振蕩脈沖射流。為確定自激振蕩腔的最佳參數，利用Comsol有限元分析軟件對其進行數值模擬。如圖5所示，脈沖射流噴嘴的結構參數包括上噴嘴直徑d1，下噴嘴直徑d2，振蕩腔長度L，振蕩腔直徑D，下噴嘴錐角α。

圖5 自激振蕩腔結構簡圖

為研究射流元件的結構特性及其尺寸變化對自激振蕩脈沖射流性質的影響，射流元件各結構參數皆為可變參數[10-12]。選用L9(34)正交實驗[13-15]，以空化負壓為目標參數，對射流元件的結構參數組合進行優選(表1)。結果表明，各參數對自激振蕩脈沖射流性質的影響規律基本一致，影響由大到小依次為上下噴嘴直徑比d1/d2、腔長腔徑比L/D、下噴嘴錐角α。在正交實驗的基礎上優選出自激振蕩射流發生器最佳的結構參數組合為：d1/d2=0.75，L/D=0.8，α=130 °。

基于各種仿真校核軟件的計算結果，加工了一套全尺寸高頻低幅扭轉振蕩耦合沖擊器。本體外徑為182 mm，適用于Φ215.9 mm井眼，工具長度為760 mm，中心最小節流面積等效直徑為8 cm。相關室內實驗結果表明，高頻低幅扭轉振蕩耦合沖擊器的縱向振動作用響應明顯，工具原理可行，且工具結構安全性滿足現場應用要求。

表1 射流元件幾何結構正交實驗數據

3 現場試驗

為驗證高頻低幅扭轉振蕩耦合沖擊器的有效性，進行了3口井5井次試驗，累計進尺648 m，平均機械鉆速為1.85～9.97 m/h，是同區塊鄰井使用常規鉆井方式平均機械鉆速的1.67～1.91倍。以B區塊K井泥質粉砂巖(4 530～4 612 m)、泥質灰巖(4 801～4 909 m)井段為例(表2)，4 530～4 612 m井段采用60～100 kN鉆壓鉆進，進尺82 m，機械鉆速為1.85 m/h，同鄰井同地層常規鉆井方式對比，機械鉆速提高50.4%。4 801～4 909 m井段采用60～120 kN鉆壓鉆進，進尺108 m，機械鉆速為2.30 m/h，同鄰井同地層常規鉆井方式對比，機械鉆速提高86.9%。

表2 高頻低幅扭轉振蕩耦合沖擊器現場應用情況

機械比能理論是目前評判鉆頭工作狀況的最為常用方法之一，在理想機械鉆速條件下消耗的比能越小，則表示采用的鉆井方式或施加的鉆井參數越合理，鉆頭與地層越匹配[16-19]。為評估高頻低幅扭轉振蕩耦合沖擊器在試驗井工作期間的鉆頭工作效率，對B區塊K井工程錄井參數(鉆壓、扭矩、轉速、鉆速及排量等)進行統計分析，按文獻[20]所述模型計算K井4 500～5 000 m井段的機械比能(圖6)。

由圖6可知：在4 530～4 612 m井段和4 801～4 909 m井段，高頻低幅扭轉振蕩耦合沖擊器扭矩波動平穩，波動幅度低于5%，鉆頭吃入地層能力好，機械比能平均值為28 MPa，現場鉆頭取出后新度均達到95%以上。在同等鉆井參數條件下，采用常規鐘擺鉆具鉆進井段(4 000～4 529、4 612～4 800、4 910～5 000 m)扭矩為4.3～8.7 kN·m，波動較大，即鉆頭處出現劇烈的黏滑振動，機械比能在8～107 MPa之間變化，平均值達到52 MPa，為高頻低幅扭轉振蕩耦合沖擊器試驗井段的1.86倍，起出鉆頭后有崩齒現象，新度僅為80%～85%。高頻低幅扭轉振蕩耦合沖擊器能夠明顯改善鉆頭在井底的工作狀況，提升鉆頭的工作效率。

圖6 B區塊K井4 000～5 000 m機械比能與扭矩變化情況

整體分析，研制的高頻低幅扭轉振蕩耦合沖擊器在試驗井應用提速效果均較為顯著，工具的工作壽命超過150 h，完全能夠與鉆頭壽命相匹配。與鄰井同層位鉆井效果對比分析可知，該裝置可提高機械鉆速，對鉆頭的保護效果也較為顯著。此外，工具結構簡單、工作安全可靠、安裝使用方便，不影響現有的鉆具結構，不會對鉆井施工造成負面影響，是深部硬質地層鉆井提速的有效手段。通過不斷優化升級與現場試驗，高頻低幅扭轉振蕩耦合沖擊提速工具的壽命、穩定性、提速效果等性能顯著，已具備了產業化推廣應用的基礎，但工具的多樣化、系列化、標準化及規范化有待進一步健全和完善。下步將開展高頻低幅扭轉振蕩耦合沖擊器的工具產業化研究，形成系列化、標準化、規范化的鉆井提速提效工具技術，實現全井型、全井段提速目標。

4 結論與建議

(1) 設計了一套適用于深井堅硬巖層的高頻低幅扭轉振蕩耦合沖擊器。利用有限元分析軟件對沖擊器進行了仿真分析，包括應力與扭曲分析、沖擊器流道、自激振蕩腔等，并提出結構優化設計方案。

(2) 高頻低幅扭轉振蕩耦合沖擊器通過現場試驗，提速效果明顯，且能夠明顯改善鉆頭在井底的工作狀況，提升鉆頭的工作效率。

(3) 研制的高頻低幅扭轉振蕩耦合沖擊器可消除鉆頭在深井、超深井等難鉆地層的鉆頭吃入差、卡滑問題，增強鉆頭破巖能力，有望成為深部硬質地層鉆井提速的有效手段。下步將繼續開展工具的多樣化、系列化、標準化及規范化研究，實現全井型、全井段提速目標。