沖擊鉆井工具的研制與應用

李相勇

（大慶鉆探鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶163413）

沖擊鉆井工具的研制與應用

李相勇*

（大慶鉆探鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶163413）

大慶油田深井數量逐年增多，深部地層研磨極值高，機械鉆速低，造成鉆井周期和成本增加。研制了一種利用高壓液流提供縱向振動的井下工具——沖擊鉆井工具。對沖擊鉆井工具的結構、原理、技術特點等方面進行了詳細的闡述。現場試驗驗證沖擊鉆井工具使用效果良好。

鉆井；沖擊鉆井工具；縱向振動；輔助破巖

隨著油田深部油氣藏勘探和開發的深入，深井鉆井數量逐年增多。鉆井深度不斷增加，鉆遇地層日益復雜，大慶油田深部地層普遍存在巖石堅硬、研磨極值高、單只鉆頭進尺少、鉆頭壽命短、機械鉆速低等特點。而沖擊鉆井工具能夠為鉆頭提供額外的高頻沖擊，輔助鉆頭破巖，提高破巖效率，大幅提高深層鉆井機械鉆速，縮短鉆井周期，降低鉆井成本，具有較好的市場應用前景。

1　國內外技術現狀

國外美國NOV公司自主研發了fuildhammer工具已在四川、甘肅、青海、新疆等地區有大量的應用，均取得了良好的效果。該工具能夠產生軸向高頻沖擊，在保證井身質量的同時提高機械鉆速。2013年5月該工具在大慶徐深9-平4井應用，前期鉆速較快，但后期鉆速明顯降低，分析原因為工具壽命存在一定問題。

西南石油大學和地質礦產部勘探技術研究所分別研制出此類工具，均可實現軸向沖擊，但壓耗較高，并且均存在壽命問題。

2　技術分析

2.1結構組成

如圖1所示，沖擊鉆井工具由動力機構、沖擊工具上本體和沖擊工具下本體3大部分構成。

2.2工作原理

動力機構內部的轉子在鉆井液驅動下高速旋轉，轉子下端連接沖擊心軸，動力機構轉子連接沖擊機構，并帶動沖擊機構旋轉，產生高頻的機械沖擊傳遞給沖擊工具下本體，沖擊工具下本體連接鉆頭，使高頻機械沖擊傳遞給鉆頭輔助鉆頭破巖，實現沖擊鉆井提速的目的。

圖1　沖擊鉆井工具總裝圖1.動力機構；2.沖擊工具上本體；3.沖擊工具下本體

3　關鍵技術及制造難點

3.1高頻動力傳遞與轉換技術

利用動力機構提供旋轉動力，通過沖擊機構將周向轉動轉化為高頻縱向沖擊，并有效傳遞給鉆頭。針對該項關鍵技術，設計了螺旋面旋轉沖擊機構，如圖2、圖3所示，該機構主要由固定凸輪體和錘座組成，凸輪體固定在沖擊工具上本體上，周向上與動力機構外殼體保持一致；錘座固定在沖擊工具下本體上，且錘座內部設計有花鍵機構與沖擊心軸連接，當動力機構心軸旋轉帶動沖擊心軸旋轉，使凸輪體與錘座相對轉動。

圖2凸輪體　

圖3錘座

3.2表面抗磨損抗沖擊技術

工具受鉆井液沖蝕和高頻的機械沖擊及摩擦，影響工具使用壽命，需要提高內部機構表面的抗磨損和抗沖擊能力。針對沖擊機構磨損問題，進行了材料優選，采用抗沖擊性強、耐磨性高的錳鋼，并進行表面高頻淬火，增加表面硬度，改善表層組織結構，進一步提高了工具壽命。

4　室內試驗

沖擊鉆井工具輸入端連接高壓管線連接，輸出端連接回水管線，通過F1300泥漿泵進行循環，試驗介質為清水，此時構成一個連接沖擊鉆井工具的循環系統。在沖擊鉆井工具下本體處安裝頻率測試儀，開泵循環，工具有明顯縱向振動，同時排量在30L/s時，振動頻率為35Hz，泵壓為1.0MPa。

5　現場應用

2015年11月研制的沖擊鉆井工具在汪深1-4井開展了現場試驗，應用層位為泉頭組泉二段至登婁庫登四段，單趟鉆進尺349m，平均機械鉆速4.53m/h，累計工作時間102h，與上一趟鉆牙輪鉆頭鉆進相比機械鉆速提高了127%，進尺提高190%。與臨井汪深1-1井同層位平均機械鉆速提高144%，平均單只鉆頭進尺提高223%；對比效果顯著；同時該工具現場應用壓耗較低，排量34L/s時壓耗僅為1MPa；井斜控制較好，入井井斜為0.8°，使用后井斜變為0.2°。現場試驗表明：使用沖擊鉆井工具后機械鉆速明顯提升。

6　結論

（1）自主研發出能夠沖擊破巖、提高機械鉆速且安全可靠的沖擊鉆井工具，以滿足深井提速和降低鉆井成本的需求；

（2）獨特的螺旋面傳動機構實現了沖擊載荷的平穩輸出；

（3）現場試驗效果明顯，現場適用性強，壽命高于國外同類產品，提速效果顯著。

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TE21

A

1004-5716（2016）04-0053-02

2015-12-31

2015-12-31

李相勇（1983-），男（漢族），山東平度人，工程師，現從事鉆井、完井新工具研發技術工作。