沖擊頻率可調的鉆井提速工具結構設計與試驗

2024-02-22 05:19:34張鵬翔孫耀寧許晨星宋西巖

石油機械 2024年2期

田雨張昕，張鵬翔孫耀寧許晨星宋西巖

(1.新疆大學機械工程學院 2.中國石油集團西部鉆探工程有限公司工程技術研究院 3.中國石油集團西部鉆探工程有限公司吐哈鉆井公司)

0 引言

近年來，我國常規(guī)油氣資源進入自然遞減階段，上產難度大，同時，中國的油氣需求也在不斷增長。因此，深部油氣資源已經成為我國能源接替的一個重要領域。而深部地層地質情況復雜，地層壓實程度高，傳統(tǒng)的鉆井方式存在破巖效率低，鉆井難度大、風險高、施工周期長等問題，難以應對超深井作業(yè)任務，因此迫切需求深部地層提速技術[1-2]。

為了提高深部地層的鉆井速度，國內外學者研制了各類鉆井提速工具，主要分為機械式和液動式2種。機械式沖擊鉆井工具是將鉆壓轉換為沖擊力，具有較強的沖擊載荷，能很好地解決硬地層鉆進時鉆齒無法有效吃入地層和機械鉆速偏低等問題。國民油井公司研制的Fluid Hammer鉆井工具[3]具有較高的沖擊載荷并直接作用于鉆頭，提速效果明顯。張海平研制的機械式旋轉沖擊鉆井工具[4]，具有螺桿復合鉆進和高頻沖擊鉆進雙重功能，能顯著提高硬地層的鉆進速度。機械式鉆井工具雖然能夠提高硬地層的鉆進速度，但隨著井深的增加鉆具振動強烈、能耗高，容易產生疲勞損傷，對鉆井設備要求高[5-7]。液動沖擊鉆井工具以鉆井液為驅動力和循環(huán)介質，推動沖擊錘對錘座施加沖擊力，它是在沖擊力、旋轉及射流的基礎上聯(lián)合破碎巖石[8-12]。BBJ工具公司與加拿大Suncor能源公司對液動式沖擊鉆井工具進行了研究，提出了一種新型液動沖擊器，并進行了現(xiàn)場試驗，結果表明，該液動沖擊器能夠提供軸向沖擊力并向鉆頭傳遞鉆壓，提高機械鉆速30%～50%，且對鉆頭壽命沒有影響。大港油田研制的DGSC型液動沖擊鉆具在玉門油田L114井進行了試驗，結果表明，與沒有使用沖擊器相比，機械鉆速提高43%以上[13]。液動沖擊鉆井工具在硬巖鉆進速度、井斜控制、鉆頭壽命等方面有著顯著的優(yōu)勢，在礦山、采石、地質勘探、水文水井、石油鉆井、地熱鉆井、工程施工及工程勘察等領域被廣泛應用。目前提出的液動式沖擊鉆井提速工具，雖然能顯著地提高機械鉆速，但沖擊頻率單一，無法滿足不同層位的鉆井提速需求。為此，本文研究出一種可以調節(jié)頻率的沖擊鉆井工具，通過使用ABAUQS有限元分析軟件，結合實際的鉆進參數(shù)，建立了PDC單齒破巖的有限元模型，分析不同沖擊頻率對破巖效率的影響，以此找到工具最優(yōu)設計參數(shù)。

1 工具設計

1.1 工具結構及原理

研究的頻率可調的液動式鉆井提速工具沖擊結構如圖1所示，主要由軸承、下軸體、活塞襯、沖錘、節(jié)流噴嘴組成，上部連接鉆鋌，下部連接鉆頭。

1—軸承；2—活塞襯；3—沖錘；4—節(jié)流噴嘴；5—下軸體。

工作原理：鉆井液經螺桿進入下軸體內孔后，下軸體上端對稱口與活塞襯上端口連通，在沖錘上端腔體上形成高壓區(qū)；與此同時，沖錘下端腔體與活塞襯環(huán)空通過下軸體下端的排液斜孔與節(jié)流閥后端的流體連通，形成低壓區(qū)。沖錘在流體壓力差的作用下快速下行，與沖錘發(fā)生碰撞產生軸向沖擊作用。與此同時，下軸體在上部螺桿馬達傳動軸的帶動下轉動，當碰撞完成后，沖錘下端腔體與下軸體下端的對稱孔、活塞襯上下端孔連通，形成高壓區(qū)，而沖錘上端腔體則與活塞襯環(huán)空通過下軸體下端的排液斜孔與節(jié)流閥后端的流體連通，形成低壓區(qū)。沖錘在流體壓力差的作用下快速上行回位，從而完成一次軸向沖擊，如此反復，形成循環(huán)往復的碰撞沖擊。碰撞產生的沖擊力通過下軸體直接傳遞于鉆頭，相當于給鉆頭施加一個軸向的高頻沖擊力，輔助鉆頭高效破巖。并且，可以通過改變工具下軸體上下端對稱孔的數(shù)量，改變機構的沖擊頻率，以更好地適用于各種地層。

1.2 軸向沖擊力計算

1.2.1 沖擊工具流道結構分析

根據(jù)工具結構，對其內部流場進行分析，結構如圖2所示。當鉆井液經螺桿進入沖擊工具下軸體時將會分為2部分，一部分鉆井液通過下軸體對稱孔進入空腔，推動沖錘軸向運動；剩余鉆井液從下軸體內部經節(jié)流噴嘴流出，然后同空腔流出的鉆井液會合后流入鉆頭座中心孔。圖2中pH1為高壓腔內壓力，pL1為低壓腔內壓力，Qr1為工具入口流量，Q1為中心管內剩余鉆井液流量。

圖2 工具內部流道示意圖Fig.2 Schematic diagram for internal flow channel of the tool

1.2.2 沖錘運動分析

根據(jù)以上對工具內部流道分析，當鉆井液經螺桿進入到下軸體時，由于下軸體內部節(jié)流噴嘴的作用，系統(tǒng)將會在沖錘兩端產生壓差Δpc。設沖錘運動t時刻，沖錘運動速度為vc，運動位移為Xc。

沖錘兩端壓差為[14]：

(1)

中心管剩余鉆井液流經節(jié)流噴嘴時產生的壓降Δpp1為：

(2)

鉆井液從通孔流出產生的壓降Δpk1為：

(3)

鉆井液進入空腔時瞬時流量qc1為：

qc1=vcAc

(4)

沖錘受力Fc為：

Fc=ΔpcAc+mcg

(5)

沖錘加速度ac為：

ac=Fc/mc

(6)

Δt時間后，沖錘速度：

vc(t+Δt)=vc+acΔt

(7)

式中：u1為入口流速，m/s；ur1為下軸體剩余鉆井液流經節(jié)流噴嘴后的流速，m/s；k為局部壓降系數(shù)；mc為沖錘質量，kg；Ac為沖錘橫截面積，m2；ρ為鉆井液密度，kg/m3；ξ1為節(jié)流噴嘴壓耗系數(shù)；Ap1為節(jié)流噴嘴橫截面積，m2；ξ2為通孔處的壓耗系數(shù)；Ak1為通孔橫截面積，m2。

根據(jù)以上分析得出計算結果，如圖3所示。其中，沖程階段為沖錘沖擊錘座階段，回程階段為沖錘上行回位階段。

圖3 沖錘運動加速度隨時間變化曲線Fig.3 Variation of impact hammer movement acceleration over time

從圖3可以看出，沖錘運動加速度隨著時間的延長而減小，在5 ms左右，加速度減小至0，沖錘沖擊錘座前先做加速度不斷減小的變加速運動，后做勻速運動。根據(jù)計算得出，沖錘在勻速運動階段速度為2.42 m/s。

1.2.3 沖錘動力學仿真

經過沖錘運動分析，沖錘在前后壓差的作用下實現(xiàn)軸向往復沖擊運動，經下軸體與鉆頭將沖擊能量以應力波的形式傳遞給巖石表面，實現(xiàn)高效穩(wěn)定鉆進。沖錘材料、錘座材料分別采用35CrMo和20Ni4Mo，2種材料密度均為7.85 g/cm3，屈服強度分別為835、1 220 MPa。碰撞模型如圖4所示。使用多體動力學分析軟件ANSYS，將錘座設置為底部固定，沖錘設置為移動副，創(chuàng)建沖錘與錘座的接觸力約束，沖錘運動速度設置為2.42 m/s，使沖錘沿著軸線方向沖擊錘座，通過ANSYS后處理方式計算出碰撞過程中產生的沖擊力。圖5所示為錘座所受沖擊力隨沖擊碰撞接觸時間的變化曲線。由圖5可知，碰撞產生的最大沖擊力為43.52 kN。

圖5 碰撞沖擊力隨時間變化曲線Fig.5 Variation of collision contact force over time

1.3 沖擊頻率

螺桿馬達傳動軸帶動下軸體轉動，實現(xiàn)沖擊腔高低壓區(qū)轉換，使沖錘上下沖擊。螺桿馬達每轉排量為q，螺桿馬達的轉速設為n，則有：

n=60Q/q

(8)

沖擊頻率為：

f=nK/60

(9)

式中：Q為螺桿馬達流量，mL/min；q為每轉排量，mL/r；n為螺桿馬達轉速，r/min；K為下軸體上下端對稱孔的數(shù)量。

2 數(shù)值模擬與分析

2.1 數(shù)值模型

沖擊破巖就是在常規(guī)鉆壓作用的同時，在鉆頭的上方施加一定頻率的沖擊力進行輔助破巖的一種鉆井方式[15-18]。這里旨在研究PDC單齒切削巖石時，沖擊頻率對破巖效率的影響以及優(yōu)化沖擊系統(tǒng)參數(shù)設計。為此，利用ABAQUS有限元軟件建立巖石-PDC單齒的數(shù)值模型來研究相關問題。巖石模型尺寸與PDC單齒尺寸分別為?200 mm×80 mm、?13.44 mm×8 mm，PDC單齒傾角為20°。模型如圖6所示。

圖6 單齒破巖模型Fig.6 Single cutter rock-breaking model

2.2 材料及邊界條件

PDC切削齒材料為硬質合金，設置為剛體，密度14 950 kg/m3，彈性模量600 GPa，泊松比0.08。

在新疆油田石西區(qū)塊三疊系至二疊系中地層為白堿灘組、克拉瑪依組、百口泉組、烏爾禾組和夏子街組，巖性主要以灰色泥巖、灰色粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、含礫細砂巖為主。二疊系以下石炭系巖性多為灰色安山巖和褐灰色玄武巖。因此選用花崗巖和砂巖作為巖石模型。花崗巖物理參數(shù)為：抗壓強度126.519 MPa，抗拉強度6.678 MPa，密度2 730 kg/m3，彈性模量31 783 MPa，泊松比0.118，內聚力13.7 MPa，內摩擦角為45.29°；砂巖物理參數(shù)為：抗壓強度50.565 MPa，抗拉強度2.863 MPa，密度2 320 kg/m3，彈性模量5 220 MPa，泊松比0.111，內聚力11.69 MPa，內摩擦角35.45°。將巖石與PDC單齒設置為不同的部分，并在巖石預切削部分對網(wǎng)格進行加密。此外，將巖石底部作為固定邊界，并在四周施加適當圍壓條件。

依據(jù)所求得的沖擊力，賦予單齒沖擊力約為1 200 N，對PDC單齒施加2 000 N的鉆壓，切削速度為0.76 m/s。

2.3 單齒破巖效率分析

通過模擬不同地層條件下沖擊頻率對破巖效率的影響，得到最優(yōu)破巖參數(shù)。根據(jù)模擬結果，以機械鉆速、主應力作為不同沖擊頻率下巖石破碎效率的評價指標。

針對花崗巖等硬地層，仿真結果(見圖7a)表明：當沖擊頻率大于12 Hz時，機械鉆速最低為6.78 m/h，隨著沖擊頻率的增加，機械鉆速呈上升趨勢；當沖擊頻率為18 Hz時，機械鉆速達到最高，值為6.81 m/h；當沖擊頻率超過18 Hz，機械鉆速呈現(xiàn)下降趨勢。針對砂巖等中硬地層，仿真結果(見圖7b)表明：沖擊頻率為10 Hz時，機械鉆速最低為7.47 m/h，隨著沖擊頻率的增加，機械鉆速整體呈上升趨勢；當沖擊頻率達到臨界值16 Hz時，機械鉆速最高為7.57 m/h；當沖擊頻率超過臨界值以后，機械鉆速將會降低。這是由于轉速一定時，切削齒作用在巖石單元的時間一定，當沖擊頻率過小時，無法使巖石充分破碎，沖擊破碎區(qū)域無法有效地覆蓋井底巖石范圍。當沖擊頻率變大，正常情況下可以加快切削速度，但若沖擊頻率太高，載荷作用于巖石表面的時間將會變短，導致沖擊能量不能及時分配，破巖效率將會降低，從而減弱切削效果。由此可見，提高沖擊頻率能提高破巖效率，但存在一個最優(yōu)值，要根據(jù)具體的地層確定最佳沖擊頻率。

圖7 機械鉆速隨沖擊頻率的變化曲線Fig.7 Variation of ROP with impact frequency

保持邊界條件不變，以巖石所受最大主應力為參考值，對不同沖擊頻率的破巖過程進行模擬，得到不同沖擊頻率下巖石所受最大主應力的計算結果，如圖8和圖9所示。

圖8 不同沖擊頻率下花崗巖內部最大主應力Fig.8 Maximum principal stress inside granite under different impact frequencies

圖9 不同沖擊頻率下砂巖內部最大主應力Fig.9 Maximum principal stress inside sandstone under different impact frequencies

通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，隨著鉆頭的鉆進，在切削齒破碎巖石產生凹槽的部分，巖石內部的最大主應力呈現(xiàn)出了拉應力和壓應力交替出現(xiàn)的情況。這是由于切削齒在沖擊載荷作用下破碎巖石的過程中，存在對巖石的多次加載與卸載過程，因而拉應力和壓應力交替出現(xiàn)。由巖石力學可知，巖石的抗壓強度遠大于抗拉強度，因此在沖擊載荷作用下拉應力和壓應力交替出現(xiàn)使得切削齒破巖的效率更高。

仿真結果如圖10所示。由圖10可知，針對花崗巖，當沖擊頻率為12 Hz時，巖石內部所受到的最大主應力最小為48.34 MPa；超過12 Hz時，最大主應力隨著沖擊頻率的增加而增大；當頻率為18 Hz時，巖石內部所受到的最大主應力出現(xiàn)極值，為49.68 MPa，巖石易于破碎；當沖擊頻率超過18 Hz，最大主應力減小。針對砂巖，當沖擊頻率為10 Hz時，巖石內部所受到的最大主應力最小為27.45 MPa；當沖擊頻率大于10 Hz時，巖石內部所受到的最大主應力整體呈現(xiàn)上升趨勢；當沖擊頻率為16 Hz時，主應力達到峰值，值為27.71 MPa；當沖擊頻率超過16 Hz時，最大主應力減小。

圖10 最大主應力隨沖擊頻率的變化曲線Fig.10 Variation of maximum principal stress with impact frequency

結合上文花崗巖和砂巖在不同沖擊頻率下所對應機械鉆速的分析結果，針對花崗巖等硬地層，所對應的工具最佳沖擊頻率為18 Hz；針對砂巖等中硬地層，所對應的工具最佳沖擊頻率為16 Hz。

綜合以上分析，對于沖擊破巖的鉆井方式而言，應將沖擊頻率保持在合理的范圍內，以達到一個最佳的破巖效果。

3 現(xiàn)場試驗情況

3.1 中硬地層試驗

3.1.1 中硬地層試驗應用

該工具下軸體與沖錘上開有過流孔，通過過流孔之間的配合，部分鉆井液流入下軸體與沖錘之間環(huán)形空間，驅動沖錘往復運動，產生軸向沖擊，向上的沖擊被減振墊片吸收，向下的沖擊力直接作用在鉆頭上，形成軸向沖擊，并可以通過改變過流孔的數(shù)量來實現(xiàn)沖擊頻率的改變。因此，依據(jù)上述數(shù)值模擬結果，該工具選擇適合的沖擊頻率，于2022年5月5—9日在新疆油田中拐區(qū)塊X1井進行試驗。該井為直井，設計井深4 320 m。X1井三開直井段鉆遇克拉瑪依組、百口泉組、上烏爾禾組、佳木河組。根據(jù)鄰井地層資料可知，百口泉組至烏爾禾組主要為褐色灰褐色泥巖、粉砂質泥巖、含礫泥巖夾薄層砂巖及砂礫巖，互層頻繁；佳木河組巖性主要以砂礫巖為主，地層研磨性及沖擊性較強，鉆頭易磨損，機械鉆速低，鉆井周期長，嚴重制約了該區(qū)塊的勘探開發(fā)進程。

3.1.2 鉆具組合及鉆進參數(shù)

(1)試驗井段：3 717～3 956 m。

(2)鉆具組合：?215.9 mm PDC鉆頭+頻率可調的鉆井提速工具(沖擊頻率16 Hz)+411×4A0接頭+?165.0 mm止回閥+定向接頭+?159.0 mm無磁+?214.0 mm扶正器+?158.8 mm鉆鋌24根+4A1×410接頭+?127.0 mm加重鉆桿12根+411×NC52內接頭+?127.0 mm鉆桿。

(3)現(xiàn)場鉆井作業(yè)具體參數(shù)為：鉆壓50～100 kN，排量30 L/s，轉盤轉速70～80 r/min，泵壓19～20 MPa。

3.1.3 試驗情況分析

針對該地層，調試工具，使得工具以最佳的沖擊頻率入井。入井后該工具進尺239 m，純鉆時間為43.5 h，平均機械鉆速5.47 m/h，試驗結束后工具外觀完好。與鄰井X2井螺桿鉆具在相同型號鉆頭單趟進尺156 m對比，結果表明，使用該工具單趟進尺提高53%，機械鉆速提升27.0%，減少1趟起下鉆，有效節(jié)約了工期。鉆進效果對比如表1所示。

表1 鄰井機械鉆速對比情況Table 1 ROPs in test well and adjacent well

3.2 硬地層試驗

3.2.1 硬地層試驗應用

依據(jù)數(shù)值模擬結果，該工具選擇合適的沖擊頻率，于2022年10月20—23日在新疆油田石西區(qū)塊X3井進行試驗，該井為直井，設計井深5 340 m。X3井三開直井段所鉆地層為石炭系，巖性多為灰色安山巖和褐色玄武巖，可鉆性較差，機械鉆速低，鉆井周期長。

3.2.2 鉆具組合及鉆進參數(shù)

(1)試驗井段：5 173～5 340 m。

(2)鉆具組合：?215.9 mm PDC鉆頭+頻率可調的鉆井提速工具(沖擊頻率18 Hz)+411×4A0+70 MPa止回閥+?159.0 mm鉆鋌1根+穩(wěn)定器+?159.0 mm鉆鋌22根+4A1×NC52內接頭+?127.0 mm鉆桿105根+NC52外螺紋×DS55內接頭+?139.7 mm鉆桿。

(3)現(xiàn)場鉆井具體作業(yè)參數(shù)為：鉆壓30～80 kN，排量21 L/s，轉盤轉速50～60 r/min，泵壓14 MPa。

3.2.3 試驗情況分析

該趟鉆總進尺167 m，純鉆時間32.9 h，平均機械鉆速5.08 m/h。較鄰井X4井機械鉆速提高103.2%。鉆進效果對比如表2所示。