沖擊工具性能影響因素分析及應用

孫明光， 索忠偉， 張洪寧， 張海平

(中國石化石油工程技術研究院)

隨著深部儲層的勘探開發，鉆遇的地層堅硬、研磨性強，破碎難度越來越大，使用螺桿和渦輪等井下動力鉆具，提速效果有限，亟需新的鉆井提速提效技術。而沖擊鉆作為一種成熟的鉆井技術，已被廣泛證明是在堅硬地層鉆進有效方法之一。近年來，基于粘滑振動理論，減輕或消除PDC鉆頭鉆進中粘滑振動，可明顯地提高機械鉆速，如扭力沖擊器、旋沖鉆具、自激震蕩旋沖鉆井工具及旋沖螺桿等[1-5]井下工具均具有效果。本文介紹了沖擊工具破巖機理，分析了液動射流式沖擊工具的性能參數的影響因素，以及與不同類型鉆頭配合使用的性能參數。國內外應用實例結果證明，與PDC鉆頭配合使用，沖擊工具可改進鉆頭井底破巖狀態，有效保護鉆頭，延長了鉆頭井底工作時間，提高了硬地層鉆井機械鉆速，增加了單只鉆頭進尺，降低了鉆井綜合成本。

1 沖擊工具破巖機理

沖擊工具通過鉆井液驅動，在鉆井過程中，當開泵循環，鉆頭接觸到井底并施加鉆壓時，沖擊工具開始工作，產生軸向高頻振動沖擊，沖擊能量傳遞到鉆頭，輔助鉆頭齒吃入巖層，并造成巖石應力集中，當沖擊工具的沖擊功增大到一定值后,可實現對巖石“體積破碎”，有助于在回轉切削破巖的同時，輔助沖擊破碎巖石，結合旋轉剪切聯合作用破碎巖石，提高破巖效率[6-9]，圖1為PDC齒受力分析圖，圖2為沖擊工具破巖機理示意圖。

圖1 PDC齒沖擊受力分析圖

圖2 沖擊工具破巖機理

一方面，高頻振動沖擊作用有利于改善鉆頭井下破巖環境，減少井下復雜時間。另一方面，鉆進過程中沖擊工具產生的高頻、有規律的沖擊振動作用，可減少或避免鉆頭泥包、蹩卡及粘滑現象，同時，沖擊工具高頻規律性沖擊，有助于消除軟硬交錯地層產生的有害振動，有利于保護井下鉆具，延長井下工具的使用壽命[10-12]。

2 沖擊工具性能影響因素分析

2.1 沖擊工具結構及工作原理

沖擊工具由發生裝置(控制機構)、執行機構、沖擊能量傳遞機構三部分組成，除活塞與沖錘外無其他運動零件，因而其工作可靠，使用壽命長。沖錘向下直接沖擊砧子時，能量利用率高。該類型沖擊工具工作不受圍壓影響，適用于高溫、高壓條件下的深井作業。

圖3 沖擊工具原理示意圖

沖擊工具是一種采用雙穩射流元件作為控制機構的井下動力鉆具，其工作原理如圖3所示。高壓鉆井液液流從射流元件1的噴嘴噴出，假如在附壁作用下先附壁于右側，液流便由E輸出，進入缸體2的上部，推動活塞3下行。此時，與活塞連接的沖錘4便沖擊砧子5，因砧子與鉆頭6相連，沖擊能量經砧子傳至鉆頭6上，完成一次沖擊作用?；钊麤_程末了，上缸液壓升高，反饋訊號回到F控制孔，促使射流由E切換到C輸出，液流經C進入缸體下缸，推動活塞上行，做返回動作。回程末了，反饋訊號又回到D，將射流切換到開始位置，液流又從E輸出，進入上缸，如此往返，實現沖擊作用。上、下缸的回水，則通過E、C輸出道而返到放空孔B、A，再經與放空孔連接的水路及砧子內的流道至鉆頭。

沖擊工具的特點是性能參數可調范圍大，可與不同類型鉆頭配合鉆進提速；沖擊頻率在10～25 Hz之間，不干擾井下儀器信號傳輸；沖擊能量向下傳遞不影響井下鉆具和儀器使用壽命；即使不工作，也可作為短鉆鋌使用，不需要起鉆[13]。

2.2 沖擊工具性能參數影響因素

沖擊工具通常采用調整行程、沖擊錘重量和分流孔直徑等參數調整性能參數。通過臺架試驗測試其性能參數，分析其結構參數對性能的影響。這些參數在入井前由擬用井段的鉆井參數和地層巖性特征來確定。以?228 mm液動射流式沖擊工具為例，在行程、沖擊錘重量和分流孔直徑等參數已確定的情況下，泵排量對其性能參數影響見表1。試驗表明，隨著行程、沖擊錘重量的增加，沖擊工具的沖擊功和沖擊力增加，沖擊頻率降低；隨著分流孔直徑減小，沖擊工具的沖擊功、沖擊力和沖擊頻率均增加。

表1 排量對沖擊工具性能參數的影響

由表1可以看出，?228 mm液動射流式沖擊工具的行程為35 mm，沖擊錘重為85 kg，分流孔直徑為15 mm，在泵排量分別為45 L/s、50 L/s、55 L/s、60 L/s時，給出了沖擊工具性能參數變化的測試結果。該結果揭示了排量對該工具性能參數的影響規律,即沖擊工具的沖擊功、沖擊力與沖擊頻率隨排量增大而增大。

3 沖擊工具現場應用

3.1 沖擊工具性能參數設計

通過對地層可鉆性、硬度或抗壓強度的測量及分析，依據沖擊工具性能參數與巖石抗鉆特性匹配關系，獲得破巖所需的沖擊功值，進而確定沖擊工具結構參數和水力參數。沖擊功是沖擊工具的重要參數之一，不同巖石破碎所需的沖擊功不同，可通過調節沖擊工具的行程、錘重和分流孔直徑等參數來滿足破碎巖石所需的沖擊功。基于不同PDC齒抗沖擊能力，當沖擊工具配合PDC鉆頭應用時，沖擊工具設計的沖擊功最大值應不超過PDC齒額定抗沖擊能力。

本文以實際應用為例，闡明沖擊工具與PDC鉆頭配合使用時沖擊功的設計依據。某井采用了沖擊工具與PDC鉆頭配套技術，PDC鉆頭(M746PX-C型)PDC齒共60顆，PDC單齒抗沖擊功為30 J，通常鉆頭冠部內錐部位PDC齒所受軸向力最大，向外逐漸減小。承受軸向力的鉆頭冠部齒共有49顆，理論上整體抗沖擊能力可到達1 470 J，遠遠大于沖擊工具設計的最大沖擊功335 J，冠部PDC單齒受到沖擊功平均為6.8 J，內錐齒承受載荷為平均載荷的1.8倍，受到的最大沖擊功為12.24 J，遠小于鉆頭PDC單齒抗沖擊能力。由內向外，PDC單齒承受沖擊載荷逐漸減小，因此不會產生沖擊過載造成的PDC齒損壞現象。由此可見，沖擊工具作用于鉆頭的最大沖擊功遠小于其額定沖擊功。因此，沖擊工具與鉆頭配合使用，不會產生崩齒和損壞現象。沖擊功確定后，沖擊力和沖擊頻率等其它參數也相應確定下來。

在容易井斜地層鉆進時，常規鉆壓常會造成井斜增加，因此通常采用較小鉆壓鉆進。但在硬地層鉆進時，鉆壓小不足以破碎巖石，而采用沖擊工具配合PDC鉆頭組合，利用其旋轉沖擊破巖機理，既可有效控制井斜，又能保持較高的機械鉆速。

3.2 應用實例

3.2.1 HY-611井應用

HY-611井是沙特某區的一口評價井，為四開設計的直井，設計井深5 880 m。在三開3 316～3 963 m井段，地層巖性以白云巖、灰巖和碳酸鹽巖為主，巖石抗壓強度在126～276 MPa之間，可鉆性差，研磨性高，是本井三開最難鉆進的地層，鄰井使用螺桿提速效果不明顯。

沖擊工具配合PDC鉆頭在該井段進行了現場應用。沖擊工具的軸向沖擊能量可直接作用在鉆頭上，有利于切削齒吃入巖層，避免打滑現象。同時，軸向有規律的高頻動載沖擊，有助于防止扭矩積聚，消除蹩卡現象，進而保護鉆頭，延長鉆頭使用壽命。

鉆具組合：?304.8 mm PDC(M746PX-C)+?228.6 mm浮閥+?228沖擊工具+?304.8 mm扶正器+?209.6 mm MWD+?210 mm過濾短接+?304.8 mm扶正器+?210 mm鉆鋌+?139.7 mm加重鉆桿。

鉆井參數：鉆壓80～150 kN，排量45～60 L/s，轉速100～150 r/min。

沖擊工具參數范圍：沖擊功226～335 J，沖擊力30～60 kN，沖擊頻率11～16 Hz。

該鉆具組合鉆至井深3 963.25 m，中完起鉆。PDC鉆頭起出后幾乎沒有磨損，新度可達98 %。沖擊工具在井下連續工作103.5 h，起鉆后檢查保持完好，仍可以工作。表2為使用沖擊工具井段與鄰井相應井段對比情況。

由表2可以看出，?228 mm沖擊工具機械鉆速與鄰井對比最低提速31.28%，最高提速61.79%，驗證了沖擊工具輔助PDC鉆頭鉆井提速效果。

表2 與鄰井機械鉆速對比

3.2.2 PX-4D井應用

PX-4D井為國內西南某區塊一口三開設計的定向開發井，垂深5 889.00 m /斜深6 545.00 m，在二開2 657.00～3 051.00 m井段地層為須家河組，巖性為深灰、黑色(炭質)頁巖、粉砂質頁巖與灰色粉砂巖、細粒巖屑砂巖略等厚互層，抗壓強度在106～249 MPa之間，巖石硬度高、可鉆性差，鄰井同井段使用螺桿+PDC鉆頭的機械鉆速在2 m/h 左右。本井將沖擊工具置于彎螺桿的上部，在發揮螺桿高轉速輔助PDC鉆頭切削地層的基礎上，對鉆頭施加軸向高頻動載沖擊，實現了旋轉沖擊聯合破巖。

沖擊工具性能參數：沖擊功226～348 J，沖擊力30～70 kN，沖擊頻率10～14 Hz。

鉆具組合：?333.4 mmPDC×0.4 m+?244.5 mm 0.75°單彎螺桿+?228 mm沖擊工具+?330 mm扶正器+?229 mm浮閥+?241.3 mm鉆鋌+?241.3 mm鉆鋌+?228.6 mm鉆鋌+?203.2 mm無磁鉆鋌+?203.2 mm鉆鋌+?178 mm旁通閥+?139.7 mm鉆桿。

鉆井參數：鉆壓100～120 kN，排量50～55 L/s，轉速90 r/min。

該鉆具組合鉆至井深3 051.00 m，中完起鉆。應用中鉆壓和立壓平穩，鉆頭未出現蹩卡及粘滑現象，螺桿也未發生制動現象，井斜有效控制在設計范圍內。沖擊工具連續工作110.5 h，其中純鉆時間92.50 h，循環時間18.00 h。沖擊工具在起鉆后檢查保持完好，仍可以繼續工作，PDC鉆頭起出后新度90%。

這趟鉆進尺為394 m，平均機械鉆速為4.30 m/h，較本井上一趟鉆的機械鉆速(3.30 m/h)提高了30.3%，較鄰井PX-3D井平均機械鉆速(2.50 m/h)同比提高了72%，較鄰井PX-1D井平均機械鉆速(2.20 m/h)同比提高了95.5%，結果見表3所示。

表3 PX-4D井與鄰井鉆速對比情況

從表3可見：沖擊工具+螺桿+PDC鉆頭組合在彭州須家河組硬地層鉆井，提速效果顯著。

應用結果表明，沖擊工具+螺桿+PDC鉆頭配合用于難鉆及研磨性地層，明顯地提升了PDC鉆頭高轉速下破巖效果，展現了鉆進進尺多的優勢。同時充分發揮了沖擊工具高頻動載破巖的技術特點，有效解決了鉆頭磨損加劇、鉆壓過大導致螺桿制動、井斜超標等問題，并取得了顯著的提速效果，證明了PDC鉆頭+螺桿+沖擊工具組合能提高機械鉆速和單趟鉆進尺，減少起下鉆次數，縮短鉆井周期，降低鉆井綜合成本。

4 結論與建議

1)沖擊工具產生的高頻動載沖擊作用于鉆頭上，改善了井底鉆頭破巖狀態，可提高鉆頭在井底破巖效率。

2)沖擊工具自身結構對性能參數影響較大，而泵排量是影響其性能參數的主要因素：沖擊工具的沖擊功、沖擊力與沖擊頻率隨排量增大而增大。

3)沖擊工具+螺桿+PDC鉆頭組合集成了振動沖擊和旋轉切削破巖的優勢，使用較小鉆壓就能達到較高的機械鉆速，能有效保護鉆頭，減少螺桿制動，在易斜地層也有利于控制井斜。

4)國內外現場應用表明,沖擊工具與PDC鉆頭配合使用在難鉆及研磨性地層鉆進，明顯增強了PDC鉆頭的破巖能力，平均機械鉆速同比鄰井有了明顯提高，建議進一步推廣應用。