?228.6 mm射流沖擊器研制及硬地層提速試驗

索忠偉

（中國石化石油工程技術研究院，北京 100101）

涪陵頁巖氣田二開?311.1 mm直井段鉆遇的龍潭組、茅口組地層以灰巖為主，夾碳質泥巖、硅質泥巖，局部含黃鐵礦，軟硬地層交錯，可鉆性差，通常需要2趟鉆才能鉆完該井段[1-4]。使用PDC鉆頭鉆進軟硬交錯地層時，易造成PDC齒剪崩，影響鉆頭使用壽命，且機械鉆速通常為7.00～10.00 m/h，仍有很大的提速空間；使用牙輪鉆頭鉆進時進尺少、鉆速低，平均進尺100.00 m左右，機械鉆速不到5 m/h。因此，需要探索適合涪陵頁巖氣田二開井段的鉆井提速技術，以解決該井段硬地層機械鉆速低、鉆頭使用壽命短和進尺少的問題。

旋沖鉆井技術用于油氣鉆井提速，已得到國內外廣泛認同，并日趨成熟[5]。目前，?177.8 mm射流沖擊器已成功推廣應用，主要適用于?215.9～?241.3 mm井段的鉆井提速，但無法滿足?311.1 mm直井段的排量要求，因此，針對?311.1 mm直井段硬地層機械鉆速低、鉆頭使用壽命短等問題，進行了與其相適應的?228.6 mm射流沖擊器的研制。筆者分析了目標層段的技術需求及射流沖擊器的優勢，進行了結構參數設計；開展了臺架性能試驗，得出了行程、沖錘質量及排量對射流沖擊器單次沖擊功、沖擊力、沖擊頻率的影響規律；根據臺架試驗結果，優化了射流沖擊器的結構性能參數，并在焦頁109-1HF井進行了現場試驗，取得了顯著提速效果。

1 射流沖擊器的優勢及結構設計

1.1 射流沖擊器的優勢

涪陵頁巖氣田二開?311.1 mm直井段鉆井僅靠研發新型鉆頭或僅靠優化鉆井參數已不能滿足提速要求，需要研究“新型高效破巖鉆頭+協同破巖工具+強化鉆井參數”的復合鉆井提速技術。旋沖鉆井技術是一種復合鉆井提速技術，是在常規鉆井的基礎上加裝射流沖擊器，在常規旋轉破巖的同時，給鉆頭施加高頻沖擊力，從而實現旋轉與沖擊聯合破巖。尤其是對于硬脆性地層，當沖擊功達到一定值后即可產生“體積破碎”，提高破巖效率，同時延長鉆頭使用壽命，降低井下故障的發生概率，提高鉆井速度。

射流沖擊器與PDC鉆頭配合使用，能有效發揮PDC鉆頭鉆速高、進尺長的優勢，減少起下鉆次數，縮短鉆井周期，從而降低鉆井成本。鉆進過程中，射流沖擊器可以將鉆井液的能量轉化為低幅、高頻動載沖擊，該沖擊的周向分力提供脈沖扭矩，與鉆機旋轉系統產生的穩態扭矩疊加并傳遞給鉆頭；其軸向分力能夠輔助鉆頭吃入巖層，并造成巖石應力集中，在剪切破巖的同時產生沖擊，壓碎破巖。而且，在鉆進過程中高頻、有規律的沖擊動載既能防止鉆頭憋卡或打滑，又有助于減少跳鉆等有害振動，進而延長鉆頭的使用壽命，提高單只鉆頭的進尺[6-10]。

1.2 結構設計及工作原理

?228.6 mm射流沖擊器的總體設計方案：優選工具材料，優化核心部件結構參數，優化傳遞機構參數，軸向、徑向靜密封選用耐高溫、耐高壓及耐疲勞的橡膠密封件；運動副采用金屬環槽密封，優選運動副表面處理技術；為滿足不同層段的巖性要求，其性能參數要可調，以確保不影響鉆頭使用壽命；進行強度校核，以確保射流沖擊器的安全性和可靠性。

該射流沖擊器主要由控制機構、動力機構和能量傳遞機構等部分組成，其結構如圖1所示（左端為上部）。

圖1 射流沖擊器結構示意Fig. 1 Schematic diagram of the hydro-efflux hammer

?228.6 mm射流沖擊器既可以直接與鉆頭連接使用，也可放置在螺桿鉆具和MWD之間。

?228.6 mm射流沖擊器的工作原理是：鉆井液循環時經過射流沖擊器上接頭、分流裝置，一部分鉆井液經分流裝置兩側的分流孔直接流到井底，不參與做功；另一部分鉆井液流過射流元件（控制機構），基于射流附壁原理，鉆井液流動方向發生有規律的高頻切換，使鉆井液交替作用于缸體（動力機構）的上、下腔。如果鉆井液首先從上腔流入，則從下腔排出，推動活塞帶動沖錘向下高速運動（沖程），直到沖錘沖擊到砧子（傳遞機構），砧子將沖擊產生的能量以應力波的形式傳遞給鉆頭，輔助鉆頭高效破巖，完成一次沖擊。同時，鉆井液在控制機構的作用下，完成流動方向的切換，改變流動方向，即鉆井液從下腔流入，從上腔排出，推動活塞帶動沖錘向上運動（回程），直到活塞運動到上死點，完成一次回程。回程完成后，進入下一輪的沖擊和回程，如此循環往復，產生高頻連續沖擊。砧子與八方滑動配合，可以同時傳遞軸向沖擊能量和周向扭矩，軸向傳遞高頻動載沖擊，徑向帶動鉆頭回轉切削復合破巖，從而提高破巖效率。

2 沖擊器性能臺架試驗

通過臺架試驗分析射流沖擊器的性能參數（沖擊功、沖擊力和沖擊頻率）與結構參數（行程和沖錘質量）及水力參數（排量）之間的關系，進而為射流沖擊器的結構及性能參數優化提供試驗依據。臺架試驗選取不同行程、不同沖錘質量和不同水力參數，通過系列試驗，分析?228.6 mm射流沖擊器不同條件下沖擊功、沖擊力及沖擊頻率的變化規律。

2.1 排量對性能參數的影響

當行程為55.0 mm、沖錘質量為85 kg、分流直徑為15.0 mm時，通過試驗，分析排量對?228.6 mm射流沖擊器性能參數的影響規律，試驗結果見表1。

表1 排量對射流沖擊器性能參數的影響Table 1 Effect of flowrate on performance parameters of hydroefflux hammer

從表1可以看出，其他條件不變時，?228.6 mm射流沖擊器的沖擊力、單次沖擊功、沖擊頻率隨排量增大呈近線性增大。

2.2 行程對性能參數的影響

當排量為50 L/s、沖錘質量為85 kg、分流孔直徑為15.0 mm時，通過試驗，分析行程對?228.6 mm射流沖擊器性能參數的影響規律，試驗結果見表2。

表2 行程對射流沖擊器性能參數的影響Table 2 Effect of stroke on performance parameters of hydro-efflux hammer

從表2可以看出，其他條件不變時，?228.6 mm射流沖擊器的沖擊力、單次沖擊功隨行程增大呈近線性增大，頻率呈近線性降低。

2.3 沖錘質量對性能參數的影響

當排量為50 L/s、行程為55.0 mm、分流孔直徑為15. 0 mm時，通過試驗，分析沖錘質量對?228.6 mm射流沖擊器性能參數的影響規律，結果見表3。

表3 沖錘質量對射流沖擊器性能參數的影響Table 3 Effect of hammer mass on performance parameters of hydro-efflux hammer

從表3可以看出，其他條件不變時，?228.6 mm射流沖擊器的沖擊力、單次沖擊功隨沖錘質量增大呈近線性增大，頻率呈近線性降低。

2.4 主要技術參數設計

?228.6 mm射流沖擊器的型號為YSC-228。依據臺架試驗結果，結合其性能參數與巖石抗鉆特性參數的匹配關系，設計了其主要技術參數：長度2 793.00 mm，沖擊功 120～660 J，沖擊頻率 6～20 Hz，壓降 1.0～3.8 Pa；上、下接頭的扣型均為API 630。

3 旋沖鉆井參數設計

3.1 設計依據

影響旋沖鉆井提速效果的主要因素有鉆壓、轉速、排量和沖擊功。現場應用中，通常不改變常規鉆井參數（鉆壓、轉速、排量），因此旋沖鉆井參數設計的關鍵是沖擊功的優化設計。鉆進不同地層時，破巖所需要的最優沖擊功不同，依據巖石可鉆性、硬度或抗壓強度與沖擊器性能參數的匹配關系，確定合理的沖擊器結構性能參數，以滿足破巖所需的沖擊功[11-14]。

利用測井資料求取試驗井段幾種典型巖石（泥巖、砂巖和頁巖）的抗壓強度，構建了幾種巖石抗壓強度與沖擊功的匹配關系，結果見圖2。

圖2 泥巖、砂巖、頁巖抗壓強度與沖擊功的關系Fig. 2 Relationships between the compressive strength of mudstone, sandstone and shale and impact power

3.2 配合牙輪鉆頭時的參數設計

?228.6 mm射流沖擊器在與牙輪鉆頭配合使用時，依據牙輪鉆頭的額定鉆壓，確定該沖擊器需要額外施加的鉆壓。例如：HJT637G型鉆頭的額定鉆壓為260 kN，常規鉆井鉆壓為180 kN，則?228.6 mm射流沖擊器需要額外施加的鉆壓應小于80 kN，通常設為40 kN，即安全系數取2.0，以確保鉆頭不會受損。

3.3 配合PDC鉆頭時的參數設計

?228.6 mm射流沖擊器與PDC鉆頭配合使用時，依據PDC鉆頭額定抗沖擊功設計，PDC鉆頭額定抗沖擊功為其所有單齒抗沖擊功的總和，其大小取決于單齒抗沖擊功及鉆頭冠部布齒數量。例如：FX65X3型鉆頭冠部共有49顆切削齒，單齒抗沖擊功為60 J，因此，理論上該型號鉆頭額定抗沖擊功為2 940 J，遠遠大于沖擊器設計的最大沖擊功，進一步了證明沖擊器不會損害鉆頭。實際應用中，考慮PDC齒的壽命，通常采用更高的安全系數，目前安全系數采用5～10，推薦沖擊功在600 J以內。

4 現場試驗

涪陵頁巖氣田志留系（嘉陵江組、飛仙關組）、二疊系（長興組、龍潭組、茅口組）地層巖石可鉆性級值為4～7級，抗壓強度為80～210 MPa。

?228.6 mm射流沖擊器在涪陵頁巖氣田焦頁109-1HF井進行了現場試驗。焦頁109-1HF井為水平井，設計井深6 140.00 m，試驗井段1 306.00～2 183.00 m，鉆遇地層為龍潭組、茅口組，地層巖性為碳質泥巖、灰色灰巖和生屑灰巖。現場試驗時不改變常規鉆井參數，鉆壓60～80 kN，轉盤轉速90 r/min，排量55 L/s。針對試驗井段巖石抗壓強度，優選了?228.6 mm射流沖擊器的性能參數：沖擊功325～415 J，沖擊力 50～60 kN，沖頻率 11～12 Hz。優選鉆具組合為：?311.1 mm PDC鉆頭+1.0°彎螺桿+穩定器+止回閥+?228.6 mm射流沖擊器+MWD短節+無磁鉆鋌+鉆鋌+鉆桿。

?228.6 mm射流沖擊器試驗井段與鄰井對應井段機械鉆速對比情況如表4所示。

表4 焦頁109-1HF井與鄰井機械鉆速對比Table 4 Comparison on the ROPs of Well Jiaoye 109-1HF and adjacent wells

由表4可知，?228.6 mm射流沖擊器試驗井段單只鉆頭進尺與鄰井焦頁109-3HF井、焦頁109-4HF井相比分別增加259.00和250.00 m，機械鉆速分別提高122.8%和87.4%，與該平臺二開平均機械鉆速相比提高104.9%。出井后PDC鉆頭未見明顯損壞，表明射流沖擊器有效提高了機械鉆速，而且有利于消除鉆頭的蹩卡及跳鉆現象，延長鉆頭使用壽命。

?228.6 mm射流沖擊器試驗井段與同平臺鄰井同井段鉆井進程對比情況如圖3所示。

由圖3可知，?228.6 mm射流沖擊器試驗井段與鄰井同井段相比，所用時間最短，縮短了鉆井周期，有利于降低鉆井成本，實現降本增效的目的。

圖3 試驗井段與同平臺鄰井同井段鉆井進程對比Fig. 3 Comparison on the drilling progression of the testing well section and the same well section in adjacent wells of the same platform

5 結論與建議

1）為了滿足涪陵頁巖氣田二開?311.1 mm直井段的提速需求，研制了適用于該尺寸井眼工況條件的?228.6 mm射流沖擊器。

2）臺架試驗結果表明，?228.6 mm射流沖擊器的沖擊功隨行程和沖錘質量增大呈近線性增大，沖擊頻率隨行程和沖錘質量增大呈近線性降低；二者均隨排量增大呈線性增大。

3）現場試驗結果表明，在保持現場鉆井參數不變的情況下，鉆具組合中增加?228.6 mm射流沖擊器可有效提高機械鉆速，增加單只鉆頭進尺。

4）建議開展?228.6 mm射流沖擊器性能參數與鉆頭抗沖擊特性匹配研究，進一步合理放大沖擊能量，強化提速效果。