深部地層扭力沖擊器破巖提速效果評價及應用

李文龍 徐鯤 陶林 李莊威 林家昱

摘要：中深層是渤海油田進一步勘探開發的重點，但在鉆探過程中面臨各種各樣的挑戰，其地層抗壓強度高，破巖難度大，機械鉆速低，鉆井周期長等特點導致渤海中深層勘探經濟性差。為了解決中深層鉆具憋跳嚴重及機械鉆速慢的問題，渤海油田引入了扭力沖擊器提速工具，為定量認識提速機理，建立了扭力沖擊器的扭轉力學特性模型，通過Abaqus有限元軟件模擬了在扭沖條件下，PDC鉆頭的破巖過程，分析靜載與扭沖條件下的破巖比功。結果表明，安裝扭力沖擊器后的破巖效率可提高約36%。在渤海某探井實現了現場實施，機械鉆速提升了73%。研究成果對渤海油田中深層鉆進提速及參數優化有一定的參考意義。

關鍵詞：扭力沖擊器；深部地層；提速效率；破巖比功

中圖分類號：TE951

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.01.002

Evaluation of Rock Breaking Acceleration Effect of Torsional Impactor in Deep Formation

LI Wenlong，XU Kun，TAO Lin， LI Zhuangwei ， LIN Jiayu

（Tianjin Branch of CNOOC （China） Limited， Tianjin 300459， China）

Abstract：Middle-deep layers are the focus of further exploration and development of the Bohai oilfields， but they face various challenges in the drilling process， and their characteristics such as high formation compressive strength， difficult rock breaking， low mechanical drilling speed and long drilling cycle lead to poor economics in the middle and deep exploration of the Bohai Sea. In order to solve the problems of serious choking of medium and deep drilling tools and slow mechanical drilling speed， the torsion impactor speeding tool was introduced in the Bohai Oilfield， but there was still a lack of quantitative understanding of its speed-up mechanism. In order to quantitatively understand the mechanism of speeding up the tool， the torsion mechanics model of the torsion impactor was set up， and the rock-breaking process of the PDC drill bit under the torsion impulse conditions was simulated through the Abaqus finite element software to analyze the specific work of the rock-breaking under the conditions of static loading and torsion impulse. The results show that the rock-breaking efficiency can be increased by about 36% after the installation of the torque impactor. It has certain reference significance for the speed up and parameter optimization of medium and deep drilling in the Bohai Oilfield.

Key words：Torsional impactor; deep formation; acceleration effect; mechanical specific energy

隨著渤海油田淺層勘探開發的逐漸成熟，中深部地層成為進一步勘探開發的重點^［1-2］，而在鉆探的過程中面臨很多復雜的問題。其中最明顯的是鉆遇花崗巖、硬砂巖、礫巖等超硬巖層的幾率增加^［3］，深部地層抗壓強度高，破巖難度大，機械鉆速低^［4］；此外深層在鉆進時鉆頭粘滑效應顯著，鉆具蹩扭矩現象嚴重，甚至發生鉆具失效事故^［5］。而扭力沖擊器可以將鉆井液流動能量轉變成高頻、扭向和穩定的扭轉沖擊能量，并將其直接傳給PDC鉆頭，從而輔助起到提高機械鉆速^［6］、抑制鉆柱粘滑振動等作用，與沖擊旋轉鉆井和高壓射流鉆井相比，可顯著提高鉆井工具的使用壽命，降低鉆井成本^［7］。此外，還出現了扭力沖擊器+孕鑲鉆頭。近年來，渤海在深層鉆井時引入了扭力沖擊器，但是由于對扭力沖擊器的破巖沖擊特性不明，提速機理也不明確，在應用時缺乏科學的理論指導，無法最大化發揮其提速效果。

目前，除加拿大阿特拉公司研發的Torkbuster扭力沖擊器外^［8］，國內多家單位也在扭力沖擊器及其配套PDC鉆頭的設計研發有所突破^［9-13］。此外，對于扭力沖擊器的研究還主要集中于其在現場的應用情況分析^［14-19］，對于扭力沖擊器的破巖提速機理目前尚不清楚，缺乏定量認識，對于現場鉆井作業參數設置和鉆具優選缺乏一定的理論指導。為此建立了扭力沖擊器的扭轉力學特性模型，并通過Abaques有限元軟件模擬了在扭沖條件下，PDC鉆頭的破巖過程，分析了靜載與扭沖條件下的破巖比功，對扭力沖擊器的破巖機理進行了定量描述。對扭力沖擊器在渤海某探井應用時的最優排量進行了計算分析，現場應用表明提速效果高達73%，大幅提升了機械鉆速，對渤海油田中深層鉆進提速及參數優化有一定的參考意義。

1 扭沖提速工具工作原理

扭力沖擊器（如圖1）主要依靠渦輪結構、盤閥組結構、沖擊錘結構這三部分的相互配合來完成周向沖擊。鉆井液與渦輪定轉子相互作用將液體自身能量轉化為渦輪軸的機械能，由于渦輪軸、傳動軸、盤閥結構三者依次通過螺紋連接，旋轉的渦輪軸將帶動盤閥結構運動。因盤閥結構中部開有兩個圓孔，底部開有兩個對稱扇形孔，蓋板對稱開設4個扇形孔，沖擊座側壁對稱開有4個與蓋板扇形孔位置相對的側壁槽，一部分鉆井液將從盤閥扇形孔與蓋板扇形孔之間的過流面積流向一組沖擊座側壁槽，另一組沖擊座側壁槽則處于關閉，故而沖擊錘的兩側將形成高低壓腔，由于壓差的作用，沖擊錘撞擊沖擊座產生扭轉沖擊力，并通過花鍵傳遞給鉆頭。由于盤閥結構一直作周期性旋轉運動，兩組沖擊座側壁槽將交替處于打開關閉狀態，從而沖擊錘周期性撞擊沖擊座，鉆頭處在頂驅扭矩基礎上得到額外的周期性沖擊扭矩，大幅減少鉆頭的卡鉆、滑脫現象。

沖擊錘是扭力沖擊器的核心元件，沖擊錘的運動對整個工具的運動行為分析、碰撞頻率及碰撞扭矩有著關鍵作用。由于渦輪軸、傳動軸、盤閥結構依次通過螺紋連接，受鉆井液驅動的渦輪軸將帶動盤閥結構運轉，由于盤閥結構與蓋板結構的特點，一部分鉆井液將通過兩者之間的過流面積周期性進入不同的沖擊座側壁槽。當一組沖擊座側壁槽打開時，二組沖擊座側壁槽則處于關閉狀態，此時一組沖擊座側壁槽形成高壓腔，二組關閉的沖擊座側壁槽則形成低壓腔，由于壓差的原因，高壓腔內的鉆井液將驅動沖擊錘向低壓腔區轉動，進而撞擊沖擊座形成沖擊力，通過沖擊座與下接頭之間的花鍵傳遞給鉆頭；當二組沖擊座側壁槽打開時，一組沖擊座側壁槽則處于關閉狀態，打開的2組側壁槽形成高壓腔，關閉的一組側壁槽則形成低壓腔，同理形成沖擊力，并通過花鍵傳遞給鉆頭，周而復始。

2 扭沖工具沖擊特性研究

扭力沖擊器各截面壓強與流速傳遞關系：

流量壓強關系：

沖擊錘角速度：

扭轉沖擊周期：

扭轉沖擊扭矩：

基于扭沖工具工作特性理論分析模型，考慮鉆井液排量變化，獲得扭沖工具沖擊錘角速度、沖擊角位移與沖擊扭矩隨時間的變化規律，如圖2～4所示。

圖2～4依次表示扭力沖擊器入口流量分別Q=18、24、36 L/s時，沖擊角速度、角位移以及沖擊扭矩隨時間變化關系。假定扭力沖擊器逆時針為正方向。初始時刻，盤閥底部扇形孔與蓋板扇形通孔處于剛要重合的狀態，隨著盤閥結構的旋轉運動，兩者之間過流面積將逐漸增大，鉆井液將進入與其對應的沖擊座一組側壁梢，此時該組沖擊座側壁槽與外筒之間將形成高壓腔，而另一組側壁梢與外筒之間形成低壓腔，沖擊錘將在高壓鉆井液的作用下向低壓腔區轉動，直至正向碰撞沖擊座完成沖擊。由于沖擊錘的速度大于盤閥結構速度，因此當正向沖擊結束時，盤閥底部扇形孔與蓋板一組扇形孔還未完全結束重合，即過流面積仍舊大于0，此過程沖擊角速度在圖中表現為先正向逐漸增大到最大值，然后撞擊結束后減小為0，并保持一段時間。角位移在圖中表現為先正向逐漸增加到最大值，然后碰撞并保持該最大值一段時間，碰撞扭矩在圖中表現為先保持為0一段時間，接著瞬間增大到最大值，然后撞擊結束又立刻減小為0，并保持一段時間。當盤閥底部扇形孔與蓋板另一組扇形孔重合時，鉆井液將進入與其對應的沖擊座側壁槽，此時該組沖擊座與外筒之間將形成高壓腔，而原來的一組側壁槽與外筒之間形成低壓腔，沖擊錘將在高壓鉆井液的作用向低壓腔區轉動，直至反向碰撞沖擊座完成沖擊。同樣由于沖擊錘的速度大于盤閥結構速度，盤閥底部扇形孔與蓋板另一組扇形孔還未完全結束重合時，即過流面積仍舊大于0，此過程沖擊角速度在圖中表現為先反向逐漸增大到最大值，然后撞擊結束后減小為0，并保持一段時間。角位移在圖中表現為先反向減小到最小值，最后保持最小值－段吋間，碰撞扭矩在圖種表現為先保持為0一段時間，接著反向瞬間增大到最大值，然后撞擊結束立刻減小為0，并保持一段時間。接著盤閥結構繼續運動，直至完成半個周期，而沖擊錘角速度、角位移仍保持第二過程末狀態恒定一段時間。此時沖擊錘一個周期運動結束，并準備隨著盤閥結構的旋轉進入下一個周期，沖擊錘重復以上過程。可以看出，入口流量越大，沖擊錘碰撞沖擊座時所達到的最終角速度越大。

結果表明，入口流量越大，沖擊錘碰撞沖擊座時所達到的最終角速度和扭矩越大，達到最大角位移時所需時間越短。當鉆井液排量為18、24、30 L/s時，對應扭矩分別為325、345、365 N·m。

3 扭沖工具+PDC鉆頭破巖分析

采用Abaqus有限元軟件對扭沖工具+PDC鉆頭破巖過程進行模擬，考慮扭轉沖擊器施加的扭矩，開展靜載與扭轉沖擊條件下PDC整體鉆頭切削力對比分析，如圖5～7（鉆井液排量取30 L/s）。

結果表明，PDC整體鉆頭受力隨時間變化比較劇烈。在鉆進開始時刻，鉆頭開始與巖石接觸，此時PDC鉆頭切削力由0迅速增大至臨界值、靜載破巖時，PDC鉆頭切削力臨界載荷為66.2 kN，扭沖破巖時，PDC鉆頭切削力臨界載荷為75.0 kN。因此在鉆進過程中，使用扭轉沖擊器對鉆頭施加動載，可提高切削力，提高破巖效率。

基于有限元分析計算結果，考慮扭轉沖擊器施加的扭矩，開展靜載與扭沖破巖PDC整體鉆頭切削巖石破巖比功分析，對比兩種工況下破巖比功與破巖效率的區別，如圖8～10所示。

結果表明，在鉆進開始時刻，靜載破巖比功迅速增加至最大值433.6 mJ/mm³，動載破巖比功最大值為338.4 mJ/mm³，自0.4 s后，井底巖石的狀態穩定，巖石破巖比功也趨于穩定。與單齒破巖對比，整體鉆頭破巖比功最大值與最小值之間的差值變大，達到穩定階段的時間變長，且穩定狀態時的破巖比功變化幅度更大。靜載破巖比功在穩定狀態平均值為114.1 mJ/mm³，動載破巖比功在穩定狀態平均值為83.6 mJ/mm³，扭沖破巖效率提高約36%。說明扭力沖擊器工作狀態下，鉆頭使用較低的能量即可實現巖石的高效切削，從而實現提速的目的。

4 現場應用評價

4.1 案例參數

渤海某探井，在215.9 mm（8?英寸）井眼設計深度為3 600～4 000 m，井眼上段使用PDC鉆頭鉆進，底部鉆具組合為：215.9 mm （8?英寸）PDC-Bit+171.45 mm（6?英寸）垂直導向+171.45 （6?英寸）mm馬達（ 0°/212 mm）+165.1 mm（6?英寸）浮閥+165.1 mm（6?英寸）非磁鉆鋌+165.1 mm（6?英寸）隨鉆測量工具+165.1 mm（6?英寸）非磁鉆鋌+165.1 mm（6?英寸）鉆鋌+212.7 mm（8?英寸）扶正器+165.1 mm（6?英寸）鉆鋌×8+165.1 mm（6?英寸）（撓性接頭+震擊器）+127 mm（5英寸）加重鉆桿×1+165.1 mm（6?英寸）投入式止回閥+127 mm（5英寸）加重鉆桿×13，機械鉆速顯著降低，鉆進至3 692 m，平均機械鉆速僅2.97 m/h，地層巖性：灰巖、灰質泥巖、灰質灰巖互層，預測地層抗壓強度約160 MPa。后起鉆決定下入扭力沖擊器+PDC鉆頭繼續四開井眼鉆進。

4.2 現場應用結果

起鉆后組裝165.1 mm（6?英寸）扭力沖擊器并下入，底部鉆具組合為：215.9 mm （8?英寸）PDC+變扣（雙母）+165.1 mm （6?英寸）F/V（不帶孔）+165.1 mm（6?英寸）鉆鋌×2+165.1 mm（6?英寸）扭力沖擊器+212.7 mm（8?英寸）扶正器+165.1 mm（6?英寸）鉆鋌×15+165.1 mm（6?英寸）（撓性接頭+震擊器）+165.1 mm（6?英寸）投入式止回閥+127 mm（5英寸）加重鉆桿×14+變扣+139.7 mm（5?英寸）鉆桿。扭力沖擊器參數如表1。

現場應用效果對比，如圖11所示。

最終本趟次機械進尺為297 m，平均機械鉆速5.14 m，與預測機械鉆速誤差僅為5.3%。相較于只使用PDC鉆頭鉆進時機械鉆速提高了73%，大幅提高了本開次機械鉆速；同時，出井鉆頭顯示磨損輕微。說明扭力沖擊器的應用大幅提高了花崗巖硬度地層的鉆進效率，顯著提高了破巖效率，且可以在提速的同時，降低鉆頭磨損，延長鉆頭的使用壽命。

5 結論

1） 分析了扭力沖擊器的工作原理，建立了扭力沖擊器的運動模型，并基于扭沖工具工作特性理論分析模型，考慮鉆井液排量變化，獲得了扭沖工具沖擊錘角速度、沖擊角位移與沖擊扭矩隨時間的變化規律。

2） 考慮扭力沖擊器的扭沖作用，通過Abaqus有限元軟件模擬分析了靜載/動載條件下的巖石破碎規律，定量分析了使用扭力沖擊器對于破巖效率的提升；通過計算分析發現，使用扭力沖擊器后，扭沖破巖效率提高約36%。

3） 在渤海某探井進行了應用，通過優化排量參數，最終設計排量為30～32 L/min，機械鉆速提高了73%，同時鉆頭磨損輕微。

4） 研究成果對渤海油田中深部硬地層的鉆進提速設計及實施具有一定的參考意義。

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