液动旋冲钻井工具研制

收稿日期：作者简介：郑瑞强(1983-)，男，汉族，河北省饶阳县人，工程师，学士学位，2007年毕业于东北电力大学机械专业，现主要从事钻完井工具的研发工作，E-mail：[e-mail]，0459-4891351，微信及qq号：94586564。液动旋冲钻井工具研制郑瑞强(大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163413)摘要：液动旋冲工具是一种高频扭转冲击类钻井提速工具，该工具可在钻头上附加高频周向冲击力和轴向水力脉冲，使钻头和井底始终保持连续的高频切削，消除“粘滑现象，保护钻头、减少岩屑重复切削，提高机械钻速。本文重点介绍了该工具的工作原理，设计参数，以及动力系统、冲击系统、传压传扭系统的具体结构设计。现场试验结果表明，该工具工作原理正确，操作简单，使用寿命长，配合PDC钻头可大幅度提高深井硬地层机械钻速。关键词：高效破岩；冲击；钻井提速；工具结构中图分类号：文献标识码：ResearchandApplicationofHydraulicRotaryImpactingToolZhengRui-Qiang（DrillingEngineeringTechnologyResearchInstitute，DaqingDrillingandExplorationEngineeringCompany，Daqing163413，China）Abstract：Hydraulicrotaryimpactingtoolisakindofhigh-frequencytorsionalimpactdrillingtools.Thehigh-frequencycircumferentialdirectionalimpactingforceandaxialhydraulicpulsewhichisalwaysmaintainingacontinuoushigh-frequencycuttingatthebottomandeliminatingthe“stick-slipphenomenon”isattachedtothebit.Thetoolcanprotectthebit,reducerepeatingcutting,andimprovetheROP.Theworkingprinciple,thedesigningparameters,thestructuredesigningofpowersystem,theimpactingsystemandthetransmissionsystemhavebeenmainlyintroducedinthispaper.Thefieldtestresultsshowthatthetoolwithcorrectprinciple,simpleoperationandlonglifecangreatlyincreasetheROPindeephardformationwiththePDCbit.Keyword：Highefficientrockbreaking;impact;Increasedrillingspeed;Toolstructure油田深部地层岩石坚硬、研磨极值高，应用常规牙轮钻头钻进，单只钻头进尺少，需要多次起下钻且机械钻速较低；应用螺杆进行复合钻进时，由于深井中温度较高，螺杆寿命低、使用效果不理想；此外采用气体钻井技术钻进可较大程度提高机械钻速，但在地层出水的情况下易引起井下复杂，且气体钻井配套设备多，成本相对较高。针对以上问题，国内外已尝试了多种工具，见到一定的提速效果，其中高频扭转冲击类工具占提速工具市场的主导地位[1]。该类工具可以给钻头附加高频扭转冲击力，辅助钻头破岩，降低钻柱的粘滑现象，提高机械钻速[2]。我院于2012年开始研发高频扭转冲击类工具液动旋冲工具，并在大庆、吉林、内蒙古及新疆地区进行了现场应用，提速效果显著。1液动旋冲工具技术分析1.1工具结构该工具主要由动力系统、冲击系统、传压传扭系统等组成，如图１所示。动力系统主要由导流体、叶轮等组成，可将流体能量转化成机械能；冲击系统主要由上盘阀、下盘阀、锤头等组成，可将动力系统产生的机械能转化为周向高频冲击能量；传压传扭系统主要由下接头、护环和钢球组成，可有效的传递钻压和扭矩。1234567891—下接头；2—护环；3—钢球；4—锤头；5—下盘阀；6—上盘阀；7—叶轮；8—导流体；9—上接头。图1液动旋冲工具结构示意图1.2工作原理钻井液驱动动力机构带动上盘阀产生周期性脉冲对锤头做功，锤头在周期性脉冲的作用下高频锤击锤座，锤座将均匀稳定的周向高频冲击力通过下接头传递给钻头，使钻头和井底始终保持连续的高频切削,消除了“粘滑现象，保护钻头[3]，提高了破岩效率；同时钻井液流经上、下盘阀时形成了压力波动，并在钻头水眼处产生高频水力脉冲射流[4]，提高岩屑运移效率，减少井底岩屑重复切削，提高了机械钻速。2工具设计2.1主要设计参数主要设计参数如下：液动旋冲工具长800ｍｍ，最大外径182ｍｍ，当量通径45mm，工作排量28-32L/s，压降2.5-3.0MPa，冲击频率20-25Hz，冲击力1.0-1.3T。2.2动力系统设计动力系统主要功能是将流体能量转化为机械能，带动上盘阀转动，可实现该功能的机构有涡轮机构、螺杆机构、轴向叶轮机构等[5]。涡轮机构（如图2所示）主要用于涡轮钻具中，单级功率小，多级使用时轴向尺寸长，存在轴向压力；螺杆机构（如图3所示）主要用于螺杆钻具中，定子为橡胶件，受温度影响较大，不适用于深井；轴向叶轮机构（如图4）与涡轮机构相似，不同的是叶片数量少，较长，通常为单级使用，转速较高，主要用于井下仪器的发电机中。三种机构均存在缺点，为了实现动力系统轴向尺寸短、抗高温、转速低的设计要求，设计了径向进液的叶轮式动力系统（如图5所示）。图2涡轮机构示意图图3螺杆机构示意图图4轴向叶轮机构示意图图5动力系统结构示意图叶轮式动力系统主要由导流体和叶轮组成，导流体设计有进液孔，进液孔的大小、数量和角度直接影响节流压力大小、叶轮转速和叶轮扭矩。设计进液孔参数为：偏心距45mm，宽度10mm，数量6个，进液孔之间角度分别为45°和75°；叶轮参数为：均布6个叶片，叶片厚度15mm，外径120mm，根部直径74mm。叶轮式动力系统额定压降0.9MPa，输出转速1300rpm。2.3冲击系统设计冲击系统可将动力系统产生的机械能转化为周向高频冲击能量[6]，该系统设计时采用了分流原理，设计了中空式盘阀心轴（中心孔直径20mm），保证始终有流道导通，动作无死点，并将上盘阀进液口设计为椭圆，下盘阀冲击孔与复位孔成92.5°分布，从而实现盘阀旋转一周，56%的时间一次蓄能，通过冲击孔释放，使锤头正向冲击锤座，9%的时间二次蓄能，通过复位孔释放，使锤头反向冲击锤座。冲击系统额定压降为2.0MPa，正向冲击力为1.3t。上、下盘阀及锤头结构示意图如图6所示。上盘阀下盘阀锤头图6上、下盘阀及锤头结构示意图2.4传压传扭系统设计传压传扭系统主要是传递钻压、扭矩以及锤头的冲击力。该系统采用牙崁与“止推轴承”相结合的方式（如图7所示），将接触部位由面接触转化为了点接触，并设计了充有润滑脂的密封空间，将泥浆有效隔离，减少摩擦力的同时延长了“止推轴承”的工作寿命，实现了均匀稳定高频冲击能量的高效传递。传压传扭系统牙崁周向角度为40°，牙崁槽为50°，护环外径182mm，内径172mm，止推钢球直径12mm。FF进液孔图6传压传扭系统结构示意图及使用后照片3现场试验液动旋冲工具在室内功能性试验取得成功后，于2012-12在大庆达深17井进行了首次现场试验，试验井段2889.26-2938.48m，总进尺49.22m，纯钻时间11.65h，平均机械钻速4.22m/h，因烃值高，地质人员要求起钻取芯，工具出井后井口测试动作正常。拆解后发现冲击系统阀体进液口存在冲蚀现象，对阀体进液口进行硬质合金强化后，在达深16井进行了再次现场试验。达深16井自3040.75m开始至完钻井深4400m，总进尺1356.59m(中间取芯1次)，共使用4支液动旋冲工具，4只PDC钻头，钻具组合为：φ215.9钻头+φ182mm液动旋冲工具+φ159mm强制型箭型回压阀+φ159mm钻铤×2+φ214mm稳定器+φ159mm钻铤×1+φ214mm稳定器+φ159mm钻铤×24+φ127mm钻杆，钻井参数为：造型阶段转盘转速60rpm、钻压20KN、排量28-32L/s、进尺30cm，钻进阶段转盘转速60-80rpm、钻压60-120KN、排量28-32L/s。4趟钻施工数据见表1，钻头出井照片见图7。从施工数据和钻头照片上不难看出，使用液动旋冲工具可保护钻头，并可大幅度提高机械钻速。另外使用液动旋冲工具配合Q635单排切削齿钻头施工的第一、三趟钻从进尺和机械钻上均优于配合液动旋冲工具使用的进口DSR613M型双排钻头。表1达深16井液动旋冲工具施工数据井段/m层位岩性纯钻时间/h单趟钻进尺/m平均机械钻速/（m/h）钻头型号与临井比提速倍数3040.75-3618.02营城泥质粉砂岩、砂质砾岩109.8577.275.26Q6354.423620.68-3708.43沙河子砂质砾岩37.6287.752.33DSR613M1.403708.43-4283.17沙河子砂质砾岩83.16574.746.92Q6356.134238.17-4400.00沙河子砂质砾岩48.99116.832.38DSR613M临井未至该深度第一趟钻第二趟钻第三趟钻第四趟钻图6达深16井钻头出井照片截止到目前，液动旋冲工具已在大庆、吉林、内蒙古及新疆地区[7]累计应用61口井，共使用157支工具，提速幅度达1-6倍，单支工具最高纯钻寿命已达243.35h。4结论1）液动旋冲工具通过钻井液驱动动力系统，使冲击系统产生高频周向冲击和轴向水力脉冲，并通过传压传扭系统传递给钻头，辅助钻头破岩，提高机械钻速。2）该工具设计了具有不产生轴向压力、能量转化效率高、轴向尺寸短等特点的叶轮式动力系统；设计了具有动作无死点、正向冲击力大、反向冲击力小等优点的盘阀式冲击系统；设计了能够高效、平稳传递钻压、扭矩、高频冲击力及水力脉冲的牙崁式传压传扭系统。3）现场试验表明液动旋冲工具具有操作简单、寿命长、保护钻头、提速效果好等优点，配合PDC钻头使用可有效提高深井硬地层机械钻速和行程钻速。另外在达深区块配合单排PDC钻头使用，机械钻速和总进尺均好于双排PDC钻头。参考文献：[1]闫铁，杜婕妤，李玮，等.高效破岩前沿钻井技术综述[J]．石油矿场机械，2012,41（1）：50-55．[2]付加胜，李根生，田守嶒，等．液动冲击钻井技术发展与应用现状[J].石油机械，2014,42（6），1-6．[3]贾涛，徐丙贵，李梅，等．钻井用液动冲击器技术研究进展及应用对比[J].石油矿场机械，2012,41（12）：83-87．[4]李玮，纪照生，王琪琪，等．NPJ-1型高效破岩脉冲射流轴向冲击器研制[J].石油矿场机械，2015,44（8）：55-53．[5]杨先伦，宋建伟，何世明，等．扭转冲击器破岩效果影响因素评价[J].石油矿场机械，2014，43（9）：4-8．[6]卢玲玲，何东升，张伟东，等．扭转冲击器研究及应用[J].石油矿场机械，2015，44（6）：82-85．[7]迟家俊．塔东古城区块钻井提速配套技术及应用[J].西部探矿工程，2016（1），20-23．