多功能振蕩旋沖螺桿鉆具研制與應(yīng)用

王建龍，柳 鶴，于 琛，鄭 鋒，李亞鋒，劉 爍

（中國石油渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，天津 300280）

隨著油氣資源勘探開發(fā)力度不斷加大，深井、大位移井、水平井不斷增多，鉆井提速提效的需求更加迫切，尤其中深部地層機(jī)械鉆速低、定向效率低等問題凸顯[1-4]。中深部堅(jiān)硬、軟硬交錯(cuò)等難鉆地層，機(jī)械鉆速低；?311.2mm 及以上大尺寸井眼，近鉆頭托壓嚴(yán)重，定向困難；長水平段軌跡控制難度大。這些難題長期制約鉆井提速。為了解決這些難題，國內(nèi)外相繼研發(fā)了旋沖螺桿、扭力沖擊器、液動(dòng)沖擊器、水力振蕩器等提速工具。但是，扭力沖擊器、多維沖擊器、脈沖射流工具等不具備井底動(dòng)力功能，少數(shù)具有沖擊振動(dòng)類螺桿鉆具產(chǎn)品，不具備脈沖振蕩和脈沖射流功能，無法滿足中深部鉆井綜合提速需求[5-8]。為此，針對(duì)硬地層提速、近鉆頭托壓、過平衡鉆井巖屑?jí)撼中?yīng)顯著的難題，自主創(chuàng)新研制了集轉(zhuǎn)速扭矩、沖擊振動(dòng)、脈沖射流三種功能于一體的多功能振蕩旋沖螺桿鉆具，解決了系列提速難題，滿足了中深部鉆井提速需求，助力提升油氣資源勘探開發(fā)效益。

1 整體結(jié)構(gòu)及原理

螺桿鉆具是最常見的井下動(dòng)力鉆具，螺桿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以通過鉆井液排量進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有性能穩(wěn)定、工作壽命長的特點(diǎn)[9-11]，通過傳動(dòng)軸回轉(zhuǎn)給鉆頭輸出扭矩。在螺桿鉆具的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于螺桿動(dòng)力的機(jī)械沖擊、脈沖振動(dòng)、脈沖射流結(jié)構(gòu)，集成在螺桿鉆具上，形成一種集轉(zhuǎn)速扭矩、沖擊振動(dòng)、脈沖射流于一體的多功能振蕩旋沖螺桿鉆具。

該工具主要由旁通閥總成、馬達(dá)總成、萬向軸總成、傳動(dòng)軸總成、上脈沖振蕩機(jī)構(gòu)、下脈沖振蕩機(jī)構(gòu)和沖擊振動(dòng)總成等7 部分組成（如圖1所示）。萬向軸總成主要作用是將馬達(dá)產(chǎn)生的扭矩和轉(zhuǎn)速向下傳遞給傳動(dòng)軸，將馬達(dá)產(chǎn)生的行星運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閭鲃?dòng)軸的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。傳動(dòng)軸總成可將扭矩和轉(zhuǎn)速直接傳給鉆頭，同時(shí)將上部動(dòng)力總成和下部沖擊振動(dòng)總成連接起來，直接驅(qū)動(dòng)沖擊振動(dòng)總成工作產(chǎn)生沖擊振動(dòng)能量。沖擊振動(dòng)總成由凸輪機(jī)構(gòu)和滾輪組成，利用傳動(dòng)軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。

圖1 多功能振蕩旋沖螺桿鉆具結(jié)構(gòu)示意圖

該工具能夠?qū)崿F(xiàn)給鉆頭提供轉(zhuǎn)速扭矩、徑向擺動(dòng)和軸向沖擊振動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生脈沖射流。鉆井液流經(jīng)工具時(shí)，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)總成高速旋轉(zhuǎn)，帶頭鉆頭高速旋轉(zhuǎn)，給鉆頭提供轉(zhuǎn)速和扭矩；在馬達(dá)總成的帶動(dòng)下，鉆井液流經(jīng)上、下脈沖振蕩機(jī)構(gòu)的流道產(chǎn)生周期性的截流變化，形成水擊脈沖效應(yīng)，帶動(dòng)附近的鉆具產(chǎn)生徑向擺動(dòng)，減緩近鉆頭處定向托壓問題，同時(shí)脈沖效應(yīng)經(jīng)鉆頭作用在井底，提高鉆頭水眼射流沖擊力，提高井底巖屑清洗效果，減少巖屑?jí)撼中?yīng)；在馬達(dá)總成的帶動(dòng)下，沖擊振動(dòng)總成產(chǎn)生軸向沖擊，直接作用在鉆頭上，提高近鉆頭破巖效率。總之，工具能夠產(chǎn)生徑向擺動(dòng)，大大降低摩阻，緩解托壓，也能夠?yàn)殂@頭提供沖擊能量，提高破巖效率，還能為鉆頭提供脈沖射流，促進(jìn)井底清潔，從而達(dá)到鉆井提速的目的。

目前，已研發(fā)形成了?127～?244mm四種規(guī)格的系列化工具，利用測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試工具壓耗4.0～6.0MPa，工作頻率24.0～36.0Hz，振幅4.0～8.0mm，沖擊力5.0～25.0kN，耐溫150.0℃，具體性能參數(shù)如表1所示。

表1 多功能振蕩旋沖螺桿鉆具性能參數(shù)表

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上脈沖振蕩機(jī)構(gòu)、下脈沖振蕩機(jī)構(gòu)和沖擊振動(dòng)機(jī)構(gòu)為多功能振蕩旋沖螺桿鉆具的核心機(jī)構(gòu)，下面著重介紹3個(gè)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)理念。

2.1 上脈沖振蕩機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

脈沖振動(dòng)是依靠流體壓力的變化而產(chǎn)生的，而流體壓力的變化主要是依靠過流通道的變化實(shí)現(xiàn)的。多功能振蕩旋沖螺桿鉆具是流體驅(qū)動(dòng)馬達(dá)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)，上脈沖振蕩機(jī)構(gòu)主要考慮利用馬達(dá)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)上脈沖振蕩機(jī)構(gòu)產(chǎn)生鉆井液過流通道的大小變化，進(jìn)而產(chǎn)生周期性壓力脈沖變化，帶動(dòng)附近鉆具產(chǎn)生擺動(dòng)。

上脈沖振蕩機(jī)構(gòu)主要由固定環(huán)、節(jié)流環(huán)、撓軸組成，如圖2所示。撓軸在馬達(dá)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)節(jié)流環(huán)相對(duì)于固定環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，過流通道發(fā)生間歇性地打開和關(guān)閉，過流面積發(fā)生周期性變化，產(chǎn)生壓力脈沖，在工具內(nèi)部產(chǎn)生水擊振動(dòng)，帶動(dòng)工具產(chǎn)生擺動(dòng)，達(dá)到降低摩阻、緩解近鉆頭托壓的作用。

圖2 上脈沖振蕩機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 下脈沖振蕩機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

下脈沖振蕩機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路與上脈沖振蕩機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思路一致，只是其上下連接部件不同，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有所差異。

下脈沖振蕩機(jī)構(gòu)主要由萬向軸、水槽、阻水筋、傳動(dòng)軸組成，如圖3所示。馬達(dá)帶動(dòng)萬向軸和水帽轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆井液通過萬向軸外部進(jìn)入水帽流道流向鉆頭，水帽對(duì)應(yīng)外殼內(nèi)壁鑲嵌有硬質(zhì)合金阻水筋，水帽流道不斷被阻水筋阻擋，產(chǎn)生局部水擊效應(yīng)，形成水力脈沖引起工具振動(dòng)。同時(shí)鉆井液通過水帽直接輸送給鉆頭，為鉆頭提供脈沖射流，促進(jìn)井底清潔。水力脈沖頻率由水帽流道個(gè)數(shù)和阻水筋個(gè)數(shù)決定，頻率可調(diào)。

圖3 下脈沖振蕩機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 沖擊振動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

軸向沖擊振動(dòng)是利用上部鉆具施加的鉆壓進(jìn)行控制，沖擊振動(dòng)機(jī)構(gòu)是考慮依靠馬達(dá)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為周向沖擊振動(dòng)，設(shè)計(jì)利用凸輪的結(jié)構(gòu)，改變馬達(dá)傳動(dòng)軸總成的軸向運(yùn)動(dòng)位移的變化，在上部鉆具施加鉆壓的作用下產(chǎn)生軸向沖擊振動(dòng)。

沖擊振動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由凸輪、滾輪、沖擊部件和上下傳動(dòng)軸組成，如圖4所示。上下傳動(dòng)軸在馬達(dá)和萬向軸的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，凸輪跟隨傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，滾輪受外管約束不動(dòng)，二者發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，滾輪沿凹凸軌道運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生軸向沖擊振動(dòng)，提高鉆頭破巖效率。沖擊力和沖擊頻率可依靠凸輪滾輪個(gè)數(shù)進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)也受馬達(dá)轉(zhuǎn)速影響。

圖4 沖擊振動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

3 工具性能測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)

多功能振蕩旋沖螺桿鉆具在井下作業(yè)時(shí)受力狀況復(fù)雜，且自身處于動(dòng)態(tài)振動(dòng)過程，僅靠地面靜態(tài)承壓實(shí)驗(yàn)、拉扭試驗(yàn)不足以滿足研發(fā)和測(cè)試需求。因此，綜合考慮測(cè)試平臺(tái)的采集功能、采樣頻率、測(cè)量精度等方面，開發(fā)了測(cè)試平臺(tái)，配套開發(fā)了多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

測(cè)試系統(tǒng)主要由試驗(yàn)臺(tái)架、數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)系統(tǒng)組成。其中，試驗(yàn)臺(tái)架由夾持裝置、泵站、電機(jī)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、截止閥、管路、法蘭及附近；數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、傳感器（壓力、位移、流量、加速度、沖擊器傳感器）、電源、工具箱組成。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)沖擊振動(dòng)類鉆井提速工具的排量、壓力、振動(dòng)頻率、振幅、加速度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。該套測(cè)試系統(tǒng)能夠采集16路信號(hào)，采樣頻率達(dá)到1000Hz，測(cè)量精度達(dá)到0.1%，具備實(shí)時(shí)采集和事后回放功能。如圖5所示。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

多功能振蕩旋沖螺桿鉆具在山西、蘇里格、冀東、大港、四川等地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)48口井，提速效果明顯，試驗(yàn)井段相比鄰井平均機(jī)械鉆速提高35.6%。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：工具性能可靠、耐高溫、使用壽命長，試驗(yàn)井段最高溫度125℃，最長入井工作時(shí)間達(dá)到200h，均因中完或者其他原因起鉆，起出工具仍可再次入井。

4.1 長寧頁巖氣

川渝頁巖氣上部?311.2mm 井眼定向托壓嚴(yán)重，滑動(dòng)鉆進(jìn)機(jī)械鉆速僅為3.44m/h，鉆遇茅口組、棲霞組，含有黃鐵礦和燧石結(jié)核，硬度高研磨性強(qiáng)，鉆頭磨損嚴(yán)重，機(jī)械鉆速較低，僅為1.5～2.2m/h，是提速提效的關(guān)鍵階段。

?244mm 多功能振蕩旋沖螺桿鉆具在川渝頁巖氣應(yīng)用了3 口井，平均機(jī)械鉆速和滑動(dòng)鉆速分別提高43.1%和52.8%，鉆井周期明顯縮短，起下鉆次數(shù)和鉆頭數(shù)量明顯減少，如表2所示。與常規(guī)螺桿相比，采用小尺寸扶正器或無扶正器，仍能獲得較高造斜率。其中，A 井一趟鉆進(jìn)尺1540m，平均機(jī)械鉆速10.25m/h，滑動(dòng)平均機(jī)械鉆速4.20m/h，創(chuàng)造了?311.2mm 井眼一趟鉆完鉆、單只鉆頭進(jìn)尺最多兩項(xiàng)記錄。

表2 多功能振蕩旋沖螺桿鉆具在長寧頁巖氣應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)

4.2 山西煤層氣

山西煤層氣二開?215.9mm井眼紙坊組—石千峰組會(huì)鉆遇大段致密砂巖、泥巖、石板層等地層，硬度高、研磨性強(qiáng)導(dǎo)致機(jī)械鉆速低。?172mm多功能振蕩旋沖螺桿鉆具在山西煤層氣應(yīng)用8口井，機(jī)械鉆速提高20%～60%。其中，大吉19 井應(yīng)用兩趟鉆，總進(jìn)尺1284m，平均機(jī)械鉆速提高47.2%。

4.3 冀東油田

冀東油田高尚堡區(qū)塊三開215.9mm 井眼東營、沙河街組地層巖性主要以灰色泥巖、細(xì)砂巖并夾雜礫巖、玄武巖，巖石可鉆等級(jí)5～7 級(jí)，地層堅(jiān)硬且研磨性強(qiáng)，機(jī)械鉆速較低，僅為3.0m/h。?172mm多功能振蕩旋沖螺桿鉆具在冀東油田應(yīng)用27 口井，平均機(jī)械鉆速提高了12.3%～96.62%。其中，南堡36-3005井兩趟鉆進(jìn)尺215.5m，平均機(jī)械鉆速5.25m/h，較鄰井井斜鉆速提高75.0%。

5 結(jié)論與建議

（1）多功能振蕩旋沖螺桿鉆具是基于馬達(dá)行星運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定回轉(zhuǎn)控制動(dòng)作設(shè)計(jì)而成，在常規(guī)螺桿鉆具的基礎(chǔ)上，增設(shè)上下脈沖振蕩機(jī)構(gòu)和沖擊振動(dòng)機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)徑向擺動(dòng)和軸向沖擊振動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生脈沖射流。

（2）配套開發(fā)性能參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，檢測(cè)壓力、振幅、加速度、頻率、排量等時(shí)域變化，多通道高精度采集分析功能夠滿足工具性能測(cè)試需求。

（3）現(xiàn)場(chǎng)48口井試驗(yàn)表明，多功能振蕩旋沖螺桿鉆具具有緩解近鉆頭托壓、提高近鉆頭破巖效率的功能，平均機(jī)械鉆速提高35.6%，該工具性能可靠、耐高溫、使用壽命長。