機械式旋轉沖擊鉆井工具研制及試驗

王甲昌， 滕春鳴， 張海平， 張仁龍， 玄令超

(中國石化石油工程技術研究院)

0 引言

四川、新疆和江蘇等油氣資源勘探開發區塊是中石化重要的油氣生產基地，也是中石化打造上游長板的重要戰略基地[1]。以上地區的深部中硬以上地層巖石可鉆性差[2]，機械鉆速較低，目前鉆井速度還不能滿足勘探開發的要求。國內外的理論研究和試驗表明，旋沖鉆井技術[3-5]可大幅度提高硬地層鉆井效率，降低鉆井成本。長壽命的高能沖擊器是實施和推廣旋沖鉆井工藝的前提。Hammer motor旋沖鉆具是近年來出現的一個新型軸向沖擊鉆井工具[6]，該工具在鉆頭和螺桿之間安裝一個液力錘，取得了良好的提速效果，目前其技術尚未成熟，工具井下工作穩定性與現場要求還有一定差距。

筆者探索研制一種螺桿作為驅動力的機械式旋轉沖擊鉆井工具[7]，結合沖擊鉆井和螺桿鉆井各自優勢，設計了一種新型沖擊鉆井提速工具，該工具在驅動鉆頭高速旋轉時對鉆頭施加高頻沖擊，實現了高頻旋轉沖擊鉆井，現場試驗取得了較好的效果。

1 機械式旋轉沖擊鉆井工具結構設計

機械式旋轉沖擊鉆井工具由旁通閥總成、馬達動力總成、馬達驅動軸總成、傳動軸總成和沖擊發生機構總成組成[8]，見圖1。動力總成為鉆頭提供轉速和輸出扭矩。

圖1 機械式旋轉沖擊鉆井工具

圖2 沖擊發生機構工作原理示意圖

機械式旋轉沖擊鉆井工具的沖擊發生機構通過固定于外殼的上起振體與下起振體(與輸出軸為一體)嚙合在一起，可以將馬達驅動軸的旋轉運動轉化為工具外殼的軸向往復運動，工具外殼下行時對鉆頭產生沖擊(見圖2)；馬達驅動軸與下起振體輸出軸通過花鍵聯接，將馬達旋轉動力傳遞給鉆頭。工具沖擊力與所加鉆壓相關，提離井底即停止沖擊，具有螺桿鉆具與液動錘的雙重功能，在高頻旋轉的同時對鉆頭施加高頻沖擊力，沖擊與旋轉聯合作用破巖。該工具沖擊頻率高，沖擊功可調范圍大，適用地層、鉆頭范圍廣，具有良好的提速前景。

該工具具有如下技術特點：①工具由傳統螺桿作為動力，可用于直井，而使用彎螺桿作為旋轉動力，則可用于定向井；②工具在井底產生并向鉆頭傳遞轉速、扭矩及高頻沖擊力，具有沖擊破巖和剪切破巖雙重的破巖效果，可大幅度提高機械鉆速；③工具由純機械裝置組成，使井底鉆具產生良性振動，克服摩阻，有效傳遞鉆壓，保護鉆具及鉆頭，可配合各種鉆頭, 延長鉆頭壽命；④工具在沖擊作用失效后，可作為螺桿鉆具繼續使用。

2 地面性能實驗

2.1 動力輸出特性參數測試

為了驗證機械式旋轉沖擊鉆井工具結構設計的合理性，同時測試其輸出性能參數，分別開展了地面動力輸出特性參數和沖擊性能參數測試。圖3為試驗測試連接示意圖。

圖3 試驗測試連接示意圖

無負載小排量開泵，觀察馬達正常啟動后，逐漸將排量提高至30 L/s，加載扭矩至8 kN·m，同時數據采集系統開始采集實驗數據，測定工具工程樣機的轉速、扭矩、馬達壓降等馬達特性參數[9]。

實驗測定，當排量為30 L/s、工具的馬達負載壓力降為4～5 MPa時，其輸出轉速為 136～133 r/min，負載扭矩為6.4～7.6 kN·m，馬達輸出性能參數滿足設計要求，其馬達工作正常，驗證了螺桿鉆具與沖擊發生機構聯接方式、裝配精度滿足旋轉動力輸出要求，符合工具設計要求(見圖4)。

圖4 機械式旋轉沖擊鉆井工具馬達動力特性曲線

由于沖擊發生機構內部流道產生一部分壓耗，工具空載壓耗為 4.2 MPa，僅略高于螺桿鉆具在排量30 L/s時的空載壓耗3.0 MPa，工具的整體動力輸出特性參數滿足現場復合鉆進工況要求。

2.2 沖擊性能測試

在模擬試驗井裝置上對機械式旋轉沖擊鉆井工具進行地面沖擊性能測試[10]。按照圖5所示，將實驗裝置進行連接。按照鉆具組合(旋轉接頭+旋轉沖擊鉆井工具+鉆桿+減震器+鉆桿+實驗臺架頂驅)，結合井筒深度(20 m)和臺架調整范圍，準備合適長度的短鉆桿及轉換接頭等，下鉆至試驗井筒底部，然后開泵循環，并逐漸加鉆壓，并進行數據采集，測定不同鉆壓下工具沖擊性能參數。

圖5 實驗裝置布局及連接示意圖

機械式旋轉沖擊鉆井工具在鉆壓50 kN、某一排量條件下的沖擊力數據如圖6所示。

2.2.1 沖擊力與鉆壓、排量關系分析

通過對不同鉆壓、不同排量條件下的沖擊性能參數進行分析，機械式旋轉沖擊鉆井工具的最大沖擊力與鉆壓成線性關系，鉆壓越大沖擊力越大，但與排量關系不明顯，且明顯看出最大沖擊力比鉆壓高15～20 kN，如圖7所示。對沖擊力采集曲線分析還可以看出，機械式旋轉沖擊鉆井工具的沖擊力曲線為正弦曲線，亦即在實鉆中鉆頭承受的是按正弦曲線周期性變化的鉆壓。

圖6 沖擊力采集曲線

圖7 不同排量下最大沖擊力與鉆壓的關系曲線圖

2.2.2 沖擊頻率與鉆壓、排量關系分析

工具的沖擊頻率與馬達轉速成正比，其關系為：沖擊頻率=馬達轉速×3/60。由圖4馬達特性曲線知道，工具馬達具有硬特性，即馬達轉速在負載不超過滯動扭矩的情況下，受負載影響不大，隨著負載的增加，轉速下降很小。因此，同一排量下，隨著鉆壓的增加，沖擊頻率基本不變；隨著排量的增加，馬達轉速增加，沖擊頻率也增加。

3 現場試驗

目前已研發出機械式旋轉沖擊鉆井工具工程樣機，先后在四川、勝利油田、江蘇油田、鄂爾多斯等多個區塊的直井、定向井、水平井試驗應用，累計總進尺9 350.00 m，單套工具最長連續使用時間182.7 h(因鉆至完鉆井深起鉆，其中純鉆時間122.0 h)，在工具壽命與常規螺桿鉆具基本相當的情況下，取得了良好的提速效果。

許36A井是江蘇油田一口“直-增-穩-降-穩”五段制定向井，最大井斜47.5°，下部穩斜井段(3 112.00～3 985.00 m，井斜角11°)鉆進摩阻很大，上提摩阻高達360～490 kN，下放摩阻高達240～280 kN，加鉆壓困難，機械鉆速較慢；其古生界志留系高家邊組可鉆性差，地層可鉆性級值約為5～7級，施工難度大。

?178 mm機械式旋轉沖擊鉆井工具在許36A井三開高家邊組3 310.00～3 663.00 m井段進行了現場試驗，因更換直螺桿鉆具組合起鉆。本趟鉆鉆具組合為：?215.9 mm PDC鉆頭+?178.0 mm機械式旋轉沖擊鉆井工具(1.25°)+?165.0 mm浮閥+?159.0 mm鉆鋌×4根+411×410+?127.0 mm加重鉆桿×18根+?127.0 mm鉆桿+方鉆桿，鉆壓60～70 kN，轉盤轉速50 r/min。

機械式旋轉沖擊鉆井工具井下工作時間78.6 h，其中純鉆時37.9 h，總進尺353.00 m，平均機械鉆速9.30 m/h。由于江蘇油田鉆探至古生界油井稀少，且多為多年前的施工，為了便于分析機械式旋沖鉆具應用效果，特選取試驗井段上下鄰井段同地層(古生界志留系高家邊組)復合鉆進數據進行對比分析。本井從井深3 146.00 m開始進入古生界志留系高家邊組，試驗井段及對比的上下鄰井段地層巖性均為灰黑色泥巖、灰色泥巖、淺灰色頁巖，且均為復合鉆進，可比性強，試驗井段及上下鄰井段鉆速對比情況表1。由表1可以看出，機械式旋轉沖擊鉆具試驗應用井段較同地層上下鄰井段鉆時明顯變快，機械鉆速分別提高360%和235%，顯示出硬地層良好的提速和降摩阻效果。

表1 許36A井機械式旋轉沖擊鉆井工具試驗井段與上下鄰井段鉆速對比

工具出井后，現場測量沖擊行程為4 mm(工具設計沖擊行程8 mm)，與工具解體后測量的起振體磨損量基本吻合，顯示出工具沖擊壽命基本能夠與常規螺桿使用要求120 h相匹配。另外本次試驗使用的七刀翼江漢利華F1653JH PDC鉆頭(見表1)出井新度達75%，僅有八顆齒存在不同程度的磨損或斷損，該鉆頭在下部鄰井段(3 663.00～3 843.00 m)配合直螺桿二次入井，繼續使用至完鉆井深3 843.00 mm；試驗井段的上鄰井段使用國外T1376BPDC鉆頭(見表1)，出井后切削齒掉1顆，其他全部的牙齒都存在較嚴重的磨損和斷損。對比沖擊鉆進與常規鉆進用后的鉆頭磨損情況及鉆時，可以看出，使用機械式旋轉沖擊鉆井工具不僅可以大幅提高機械鉆速，還能夠消除鉆頭粘滑現象、鉆壓傳遞平穩而保護鉆頭，進而提高鉆頭使用壽命。

4 結論與建議

1)研制了一種機械式旋轉沖擊鉆井工具，形成了旋轉沖擊破巖方式，該工具具有螺桿復合鉆進和高頻沖擊等雙重功能，結構簡單、技術優勢明顯。

2)對工程樣機進行了動力輸出特性參數測試和沖擊性能測試，得到了沖擊力和沖擊頻率與鉆壓、排量的關系，試驗結果表明，工具的整體動力輸出特性參數滿足現場復合鉆進工況要求。

3)機械式旋轉沖擊鉆井工具應用于定向井施工，可以降低鉆具摩阻，提高定向施工效率，具有良好的應用前景。

4)現場試驗該工具具有較好的提速效果，其中許36A井同井相同地層機械鉆速提高了2倍以上，對加快油田勘探開發速度、降低鉆井成本有積極的意義。