機械式沖擊鉆井工具的研制與試驗

王春華, 紀 博, 李 博, 于小波, 李龍濤, 李相勇

(大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院, 黑龍江大慶 163413）

隨著大慶油田油氣勘探開發的不斷深入, 深層直井、深層水平井的鉆井數量逐年增加, 但大慶油田深部地層普遍存在巖石堅硬、研磨極值高[1], 導致單只鉆頭進尺少、鉆頭壽命短、機械鉆速低, 其中營城組多為流紋巖、凝灰巖, 其巖石質地堅硬、研磨性極強, 可鉆性級值可達10級, 該井段多采用牙輪鉆頭鉆井, 試驗應用史密斯HCR607、瑞德TD51 AMKPR、江漢HJT537 GR、HJT547G、HJT617 GH、休斯MX-S44GDX、史密斯FG45YODPD等國內外多家鉆頭廠的牙輪鉆頭, 但都存在單只鉆頭進尺少、鉆速低等問題, 并且牙輪出井后發現牙齒斷裂、崩齒、磨損嚴重、掉輪等, 大幅增加了該層位的起鉆次數和鉆井周期。

常規的PDC鉆頭已不適合該層位鉆進, PDC復合片磨損極為嚴重, 無法滿足大慶油田深部地層的鉆井要求。

綜上, 針對深部難鉆地層的高效鉆進問題, 國內外各廠家、科研院所和高校都已開展了不同形式的提速工具, 如國外阿特拉公司的扭力沖擊器可通過鉆井液驅動內部沖擊結構, 產生高頻周向沖擊輔助鉆頭破巖；大慶鉆探鉆井院研發液動旋沖工具, 同樣產生高頻周向沖擊輔助破巖等；但在硬脆性地層, 高頻的縱向上下的軸向沖擊, 更加有利于巖石的預破碎, 國外的NOV公司研制了液力錘工具, 但工具應用壽命較低, 提速效果有限；為此大慶鉆探鉆井院開展了機械式沖擊鉆井工具的研制, 采用螺桿為動力源, 驅動高頻沖擊機構軸向高頻沖擊振動, 輔助鉆頭沖擊破巖。

1 工具研制

1.1 工作原理

機械式沖擊鉆井工具通過螺桿動力機構實現旋轉動力的輸出, 通過高頻沖擊機構將周向旋轉運動轉換成軸向高頻、均勻穩定的機械沖擊振動, 直接傳遞給鉆頭, 在鉆進過程中, 為鉆頭提供額外的高頻沖擊, 輔助鉆頭破巖, 提高破巖效率, 以達到提高機械鉆速的目的[2]。

1.2 工具結構設計

如圖1所示, 機械式沖擊工具包括：動力機構和沖擊機構。該工具采用螺桿作為動力機構, 利用螺桿心軸和外殼的轉速差帶動沖擊機構工作, 實現旋轉運動到軸向沖擊的轉換。該方案沖擊機構采用純機械結構, 由于螺桿提供的扭矩較大, 能夠克服相對運動的凸輪體間的摩擦阻力, 完成運動的轉換。

圖1 機械式沖擊鉆井工具結構

該機構對鉆井液要求較低, 輸出扭矩較大, 并采用純機械結構, 無額外壓降, 在施工過程中, 可以以正常排量進行鉆進, 不給現場設備造成額外負擔, 比較適合深層水平井鉆井提速, 但螺桿易受深層地溫影響其壽命。

特殊設計了高頻沖擊機構, 接觸面采用圓柱滾動接觸, 相對常規滑動接觸方式, 摩擦力更低, 室內試驗該機構轉動靈活, 能夠實現高頻機械沖擊動作。

2 地面試驗

2.1 機械式沖擊鉆井工具地面試驗

工具組裝完成后, 上部安裝試壓接頭連接F500泵進行單元測試, 如圖2所示。旁通閥關閉后, 逐漸增大排量, 工具開始旋轉并產生高頻軸向沖擊。排量為25L/s時, 壓力4MPa, 轉數為100轉。

圖2 機械式沖擊鉆井工具試驗

單元試驗完成后, 利用多功能試驗架進行整機模擬試驗, 如圖3所示。排量25L/s時, 泵壓5MPa, 鉆壓2t, 沖擊頻率5～8Hz, 振幅5mm, 工具有明顯沖擊動作。工作20min后, 沖擊振幅變小。停泵后拆開工具, 發現沖擊機構磨損較嚴重, 部分零件發生變形, 如圖4、圖5所示。

圖3 機械式沖擊鉆井工具試驗

圖4 試驗后磨損零件

圖5 試驗后變形零件

試驗后對沖擊機構結構進行重新優化設計, 改善零件受力情況, 并對易損和變形件進行材料優選, 加入減阻機構, 降低沖擊機構內部摩擦, 提高零件抗沖擊能力, 延長工具使用壽命。

2.2 改進后機械式沖擊鉆井工具試驗測試

液動式沖擊工具組裝完成后, 用F500泵循環測試。見圖6。

圖6 改進后機械式沖擊鉆井工具試驗

第一次試驗使用長動力節, 20mm噴嘴, 工具無動作, 單獨測試動力機構能正常工作, 試驗后拆工具發現動力節下部扶正軸承外環與沖擊機構連接部位發生干涉, 導致工具卡死。改進后, 進行第二次試驗, 低排量時工具沖擊動作正常, 但高排量時工具會出現卡死現象, 分析原因為高排量下正壓力過大, 導致止推軸承不能正常轉動。后加工了24～30mm各種尺寸噴嘴, 逐個測試, 最終確定噴嘴尺寸為30mm。目前工具地面測試工作正常, 已達到上井試驗要求, 試驗參數如表1所示。

表1 改進后機械式沖擊鉆井工具試驗參數

3 結論及建議

（1）機械式沖擊鉆井工具在原理上可行, 能實現穩定的沖擊動作, 輔助鉆頭沖擊破巖；

（2）工具內部采用滑動式高頻沖擊機構, 表面易磨損, 需要進一步改進接觸面結構設計, 降低摩擦阻力, 提高表面硬度, 從而提高工具使用壽命。

（3）通過改進結構和優選材質能夠有效提高機械式沖擊工具使用壽命, 準備進行現場試驗, 驗證工具使用效果和壽命。