第8章3：旋冲钻井技术(王克雄)

液动冲击器及配套工艺技术一、冲击旋转钻井基本原理冲击旋转钻井就是在普通旋转钻井钻头上部接一个冲击器。冲击器（有液动冲击器，气动锤等）是一种井底动力机械，依靠高压钻井液，推动其活塞冲锤上下运动，撞击铁砧，并通过滑接套传递给钻头，钻头在冲击动载和静压回转的联合作用下破碎岩石。冲击力不同于静压力，它是一种加载速度极大的动载荷，作用时间极短，岩石中的接触应力瞬时可达最大值并引起应力集中，岩石不易产生塑性变形，表现为脆性增加，岩石易形成大体积破碎，提高钻井速度。二、液动冲击器的分类•冲击器种类很多，基本分类如下：•1、按动力介质分有：气动冲击器、液动冲击器、液压（油）冲击器、电动冲击器，其中液动冲击器最适合石油钻井的工作环境；•2、按结构分有：阀式正作用、阀式反作用、阀式双作用、射流式、射吸式等。图1、阀式正作用冲击器图2、阀式反作用冲击器图3、射流式冲击器二、液动冲击器的分类图、阀式双作用冲击器二、液动冲击器的分类二、液动冲击器的分类•阀式正作用是以高压流体推动活塞冲锤下行冲击，借助弹簧使其复位，如图1所示；•这类冲击器具有可利用高压室中的液压力量做功，流体在腔体内较畅通、功率恢复高、结构简单、工作性能可靠、便于缩小直径。但需要借助弹簧使其复位，弹簧寿命决定冲击器的寿命。•阀式反作用是以弹簧推动活塞冲锤下行冲击，借助高压流体使其复位，如图2所示。这类冲击器对弹簧要求较高。功率利用率低，一般不在采用该类冲击器。二、液动冲击器的分类•射流式冲击器利用“双稳”射流元件控制改变高压流体的流向，直接推动活塞冲锤产生往复运动。这种冲击器无弹簧装置，结构简单，工作性能可靠便于操作，但对钻井液质量要求较高，即含砂量要求特别低，如图3所示。•阀式双作用冲击器是通过控制阀的分配，使流体反复变换流向，以压差原理推动活塞往复运动，这种冲击器无弹簧装置，功率恢复较高，结构简单，但腔体内畅通性差，各部件之间间隙要求较高，对钻头压降要求也较高，如图4所示。靠双稳射流元件的附壁和切换实现活塞冲锤冲程和回程动作的转换。工作原理射流式冲击器的工作原理及特点1、结构简单，运动零件少；2、性能参数易于调节；3、工作稳定，适应深井；4、工作寿命长。特点射流冲击器活塞冲锤一次循环运动分为如下四个过程：1．活塞冲锤在液体压差和重力的作用下，由缸顶向下运动，称为下行加速运动；2．到达最低位置后，冲锤和砧子发生碰撞，进行冲击功传递并换向，称为下行碰撞；3．活塞冲锤在液体压差作用下，克服重力和阻力，由底部往上运动，称为上行运动；4．到达缸项后，活塞与缸体上部发生碰撞并换向，称为上行碰撞。运动过程的分析运动特点1、射流冲击器不存在自由行程阶段，冲锤下行的整个阶段，活塞上面始终作用着较高的液体压力，活塞冲锤始终处于加速运行状态；2、射流冲击器活塞冲锤向下运动的整个阶段，下腔排水是畅通的，不存在回程弹簧的抵削力，有利于冲锤末速度的提高；3、射流式冲击器是一开放系统，从原理上分析，其不受井深引起的围压的影响；4、液动射流式冲击器除活塞冲锤外，无其它运动零件，也没有阀及弹簧等易损件。液动射流式冲击器的设计特点是性能参数可以大幅度调整，使用时可根据地层特点、钻头类型及钻井规程等条件调整冲击器的性能参数。调整方法有三种：（1）改变分流压盖的分流喷嘴的尺寸调整输入冲击器的工作流量；（2）更换不同长度的调整锥杆，改变冲击器的冲击行程；（3）改变冲锤的质量。液动射流式冲击器设计了防空打机构，当冲击器悬空时，下接头（砧子）向下滑动，活塞随着下滑，活塞圆柱面封住了缸体的下腔进水通道，冲击器即不工作，避免了划眼时冲锤的无效冲击。结构特点射流元件实物冲击器设计与电算软件（一）行程变化对冲击器性能参数的影响序号活塞行程(mm)冲击功(J)冲击频率(Hz)能量利用率(%)流量利用率(%)120240.9432.4310.333.0240433.9921.7812.544.3360662.2517.7814.654.8480924.1615.6416.464.451001211.2014.2117.873.2（二）排量变化对冲击器性能参数的影响序号排量(L/min)冲击功(J)冲击频率(Hz)能量利用率(%)流量利用率(%)11000277.0614.9917.7364.7021200332.0616.5315.8759.5031500397.6118.2113.6352.8041800471.9919.8012.0547.6052200575.4221.8810.5342.9062400640.4223.0410.0941.50（三）冲锤质量变化对冲击器性能参数的影响序号冲锤质量(kg)冲击功(J)冲击频率(Hz)能量利用率(%)流量利用率(%)泵压(MPa)160575.4221.8810.5342.93.25270659.4121.7910.8442.93.62380724.0721.4610.8742.23.89490749.2920.6610.6540.83.985100751.3219.7210.1738.73.9602004006008006070809010018.519.019.520.020.521.021.522.022.560708090100冲击旋转钻进对减少井斜的作用原理：（1）由于冲击旋转钻进碎岩是呈“跃进式”剪崩和大颗粒体积崩离破碎，使整个钻具进尺形成脉冲式倾吞，再加上这种钻进方法转速低、钻压小，因而钻头的切削刃一般不易磨钝，一次冲击侵入深度较大，故在薄层和极薄层的岩层中钻进比纯旋转钻进方法在钻头上产生“钻速差”可减小，另外在软硬岩石过渡区，由于冲击旋转的碎岩呈大块体积破碎，从而也可减少过渡区的井斜。（2）冲击旋转钻进碎岩特征是大块体积剪崩，而不是像纯旋转作用下呈多头螺旋旋进式连续切削，故钻头切削刃上形成阻力差值要小，因而可以减少钻头上产生的“附加力矩”。（3）冲击动载碎岩速度极快，因而可以减少由于岩层的各向异性所造成的“钻速差”和“附加力矩”。（4）冲击旋转钻进，由于采用的规程参数是小钻压、低转速，岩石呈大块体积破碎，所以进尺快，相对来说，可以减少单位进尺长度内产生井斜的因素。三、液动射流式冲击旋转钻井技术的进展自1995年以来，我们进行了双作用液动冲击器、射流式液动冲击旋转钻井技术的研究，现已完成9、8两种液动冲击器的设计与制造：重点提高射流元件的寿命及工作稳定性，完善了冲击器的测试技术；同时在塔里木盆地山前构造带进行了试验，取得了良好效果。冲击器外观图DGSC型液动射流式冲击器技术参数9〞冲击器：冲击器外径（mm）229活塞直径（mm）105冲锤质量（kg）50~100冲击行程（mm）20~100（可调）泥浆泵流量（L/s）35~55冲击器压力降（MPa）1~2冲击频率（Hz）10~32单次冲击功（J）200~750钻具总长（mm）31128〞冲击器：冲击器外径（mm）203活塞直径（mm）105冲锤质量（kg）60~100冲击行程（mm）20~100（可调）泥浆泵流量（L/s）35~55冲击器压力降（MPa）1~2冲击频率（Hz）10~32单次冲击功（J）300~750钻具总长（mm）3112DGSC型液动射流式冲击器技术参数四、配套钻井工艺技术液动冲击旋转钻井技术可直接应用现有的钻井设备及钻具，但液动冲击旋转钻井技术对于石油行业来说，毕竟是一种新的钻进方法，为充分发挥其效能，在钻井工艺方面，如钻井参数的选择，工具性能参数的优选，及其与钻头和地层岩性的配套等都是要研究的内容。1．钻头类型的选择钻头类型的选择要考虑所钻地层的特点、井眼直径、钻井深度、冲击器的性能等因素，对于目前国内所用的三种钻头类型，选择依据如下：①固定球齿的硬质合金钻头，其抵抗冲击的能力强，但切削碎岩能力弱，适应中硬以上地层，且需要高能的液动冲击器方可实现体积碎岩，获得较高的机械钻速。②．牙轮钻头，要选择承压力大、抗冲击的类型，对应冲击器的冲击功不能过大，在中硬以上地层钻进效果明显。可选择承受冲击压力大、金属密封型三牙轮钻头。此外尚需研发抗冲击的牙轮钻头，并研发耐磨的复合球齿，以满足高能冲击器体积碎岩的需要。③．PDC钻头也是冲旋钻井所要考虑的发展方向，其对应高频低冲击能的冲击器，碎岩以切削作用为主，冲击疲劳破碎为辅。冲旋钻井牙轮钻头破岩机理分析及钻头优选可根据地层岩性情况、设备能力、钻头型号、冲击器参数及钻井参数等进行机械钻速的试算，从而进行钻井参数、工具参数及钻头的优选2．排量的选择排量的选择首先考虑钻井排屑的要求，与钻井的深度，钻井的井身结构，井壁的条件，钻具的组合等有关。根据钻井设计一般3000m的φ311mm直径井眼需排量40L/s～55L/s。这样的排量对于DGSC—203将产生比较大的冲击能，若使用牙轮钻头时，需考虑钻头的承载力及冲击器的工作寿命。所以设计时，在进入冲击器工作腔体前设置了分流装置，使一部分流体不经过冲击器而直接排向井底。3．钻压的选择旋转钻井时，钻压的作用是让切削齿以切削形式破碎岩石；冲击旋转钻井时，钻压的作用仅在于保证切削齿与岩石紧紧地接触，以便更好地传递冲击载荷，因此钻压对破岩不起主要作用。钻压对机械钻速影响不大，只是在钻进中硬以下岩石时，随着钻压的增加，钻速有所增加；而钻进硬岩时，钻速还有所下降，这是由于过大的钻压会引起钻头的过度磨损。一般在１２１／４”使用射流式冲击器钻进时，钻压的选择要考虑钻井的深度、井眼直径、地层性质（岩石的抗压强度），钻头的承压能力等，从现有的实践经验来看，钻压一般选择５0～１0kN。4．转速的选择冲击旋转钻进的大量试验证明，随着转速的增加，钻头齿的磨损明显增加，钻头的寿命减少。这是因为前次冲击所形成的破碎穴自由面实际上已经不影响下次冲击的破岩效率。所以转速的选择要考虑到冲击器的冲击频率，岩石的最优冲击间隔角度等。在石油钻井中一般应保持在60r/min左右。采用牙轮钻头或球齿钻头钻进硬岩时，为了减少井眼偏斜，破碎岩石主要靠冲击载荷作用，转速还要降低。若使用PDC钻头或在较软地层钻进时，则可适当降低钻压而提高转速，以增加切削作用，提高机械钻速。5．钻头喷嘴组合的选择由于在旋转钻井中增加了冲击器，而冲击器工作时要消耗一定的压降，所以选择钻头喷嘴组合时要考虑这一因素。冲旋钻井时选择的钻头当量喷嘴直径要大于常规的旋转钻进，从而不至于使立管压力大于额定的工作压力。6．泥浆的选择在满足保护井壁，携带岩屑的同时，对冲击器主要考虑尽可能地减少泥浆中的固相含量，以减弱泥浆对射流元件的冲蚀作用，延长射流元件的使用寿命。五、现场试验情况所设计加工的冲击器于1999年、2000年在塔里木盆地山前构造依南5井及黑英１井进行了现场试验。冲击器工作稳定，单次入井寿命达到８０小时以上，现场试验机械钻速提高21%～60%以上，取得了较好的效果。在库车地区，地层砂岩和泥岩及砾石层，地层倾角７０度，井径为12¼〞，使用钻头为H536，钻压5～10T，转速55r/min，排量45L/s，井深为２５８６米－２８４２.６，进尺256.6m，纯钻时间86，机械钻速2.9８m/h，对比上只钻头的1.３６m/h，机械钻速提高５４%，井斜从3度降到了２度。依南5井现场试验情况依南5井钻头使用情况钻头起出后，轴承没任何明显晃动，钻头齿磨损较上只钻头轻，钻头进尺有所增加，说明如果配合好冲击器参数和钻井作业参数，该项技术能够适用于牙轮钻头。使用冲击器后的钻头使用冲击器前的钻头应用效果及认识1．从应用来看，冲击器能平稳、连续的工作，这一点能从井下的实钻情况情况证实，且冲击器的压耗能满足其在井下工作的要求。2．冲击器入井工作时间均满足60小时以上，同比机械钻速都有不同程度提高。3．冲击器能适应现场工况条件，没有异常情况，有利井斜控制。4．同时使用中应注意在泥浆进入工具之后立即入井，搁置时间不宜超过2h，中途起钻应清洗射流元件信号道（其在泥浆粘度比较大时），以确保工具工具下井的正常工作。5．根据黑英１井的使用情况看，对于大直径井眼（１６〞以上井眼）应该采用大功率的冲击器，同时应该研制适合于大直径