連續(xù)管鉆井震擊工具的研制及室內試驗評價

苗芷芃，王洪濤，李俊勝，張興龍，萬教育，徐華冬，張瑞平

連續(xù)管鉆井震擊工具的研制及室內試驗評價

苗芷芃1，2，王洪濤3，李俊勝3，張興龍3，萬教育3，徐華冬3，張瑞平3

（1. 西安石油大學 石油工程學院， 陜西 西安 710065； 2. 西安市致密油（頁巖油）開發(fā)重點實驗室， 陜西 西安 710065； 3. 西部鉆探定向井技術服務公司，新疆 烏魯木齊 830026）

為解決在連續(xù)管鉆井過程中，由于受到軸向加壓，導致在水平段發(fā)生摩擦自鎖以及常規(guī)連續(xù)管鉆井震擊工具只有軸向的震擊而無法旋轉，導致頻繁起下鉆，使連續(xù)管過早的產(chǎn)生疲勞損壞等問題，設計了一種連續(xù)管震擊工具，并對連續(xù)管震擊器的震擊機構進行室內試驗評價。研究表明：這種連續(xù)管震擊工具不僅能夠提高連續(xù)管鉆井時的鉆進效率，同時能夠在定向時通過不斷旋轉震擊作用減少底部鉆具的摩阻，為定向器轉位提供更好的工作條件。

連續(xù)管；鉆井；震擊工具；室內試驗

連續(xù)管鉆井技術因具有高效率、低成本、安全環(huán)保等優(yōu)點，其現(xiàn)實需求越來越顯著，在國內外得到了較為廣泛的應用，取得了良好的經(jīng)濟效益，是許多油田開發(fā)中后期長停井、低產(chǎn)低效井挖潛增儲的主要手段。連續(xù)管震擊工具作為連續(xù)管作業(yè)管串的標配工具，在連續(xù)管沖砂、打撈、定向鉆井、深井、復雜井等領域的應用越來越多。由于國內連續(xù)管震擊工具研究起步較晚，所研制的大多數(shù)震擊工具只有軸向震擊，而不能旋轉，這會導致壓差卡鉆和底部鉆具組合難以打撈、頻繁起下鉆作業(yè)使得過早疲勞損壞等問題，且在連續(xù)管鉆井過程中，受到軸向加壓的作用，導致連續(xù)管極易發(fā)生屈曲失穩(wěn)，在水平段內發(fā)生摩擦自鎖，降低軸向力傳遞效率，嚴重影響作業(yè)效率。為此，設計出了一種新型的連續(xù)管震擊器，并驗證了所研制的震擊工具原理的可行性。

1 連續(xù)管震擊器結構設計

1.1 結構設計

當前的主流震擊器包括有閥式和無閥式兩大類，而其中有閥式又包括有雙作用、反作用以及正作用3類，無閥式則包括有射吸式以及射流式兩類。對于閥式來說，其構件偏多，并且其中的彈簧容易發(fā)生損壞，一旦出現(xiàn)損壞，就不能夠繼續(xù)進行震擊，而彈簧的剛度則決定震擊的強度。對于射流式來說，其中的射流元件需要較高的制造工藝，并且流過鉆井液之后極易產(chǎn)生形變，后續(xù)無法再進行使用，沖擊難以達到要求或者無法運行。相比于閥式和射流式，射吸式具備眾多優(yōu)勢，主要包括構成簡潔、無須采用彈簧或射流原件、可靠性高，所以本次設計選擇使用射吸式?jīng)_擊器。

連續(xù)管鉆井震擊工具結構如圖1所示，主要設計結構包括梭子總成、沖擊獲能機構及沖擊轉換分配機構3大部分。其中梭子總成的作用是截取鉆井液能量并轉換為梭子的快速往覆運動；沖擊獲能機構的作用是與梭子總成一起獲得軸向的沖擊能量；沖擊轉換分配機構是在下沖擊過程中將軸向沖擊能量部分轉換為周向旋轉能量，并使工具下端在沖擊結束后不隨工具內部一起產(chǎn)生復位旋轉。

1—上接頭；2—射吸噴嘴；3—梭子架；4—閥體；5—閥基 ；6—閥； 7—梭子掛；8—啟沖噴嘴；9—壓縮彈簧；10—沖擊砧；11—外筒； 12—旋沖套；13—圓柱銷；14—離合器套；15—單向軸承；16—下接頭。

1.2 工作原理

連續(xù)管震擊器的工作主要分為兩大部分，如圖2所示。

圖2 連續(xù)管震擊器工作原理示意圖

一部分發(fā)生在工具上部通過射吸作用產(chǎn)生往復的軸向震擊，同時不斷產(chǎn)生水擊作用；另一部分發(fā)生在工具下部，將每次的軸向震擊都可轉換為單一方向的旋轉，兩個作用同時作用在井下，起到減阻提速的效果。

2 連續(xù)管震擊器室內試驗

為了驗證研制的連續(xù)管震擊器的工作原理，并對其性能參數(shù)進行測試，對裝配后的連續(xù)管震擊器室進行了室內試驗。 試驗分為兩大部分，首先對連續(xù)管震擊器進行耐壓試驗和靜壓試驗，用來測試工具的密封性及各個連接部位的強度。然后對連續(xù)管震擊器進行參數(shù)試驗，測試連續(xù)管震擊器是否能夠正常工作，并測試連續(xù)管震擊器的各項工作參數(shù)之間的聯(lián)系。

2.1 連續(xù)管震擊器耐壓試驗

2.1.1 耐壓試驗目的

本次耐壓試驗的目的是測試研制的連續(xù)管震擊器所能夠承受的靜壓大小，驗證了在一定的靜液壓力下，連續(xù)管震擊器是否會出現(xiàn)漏壓的情況，并以此來判斷連續(xù)管的各個扣型、密封部位的設計合理性。

2.1.2 耐壓試驗步驟

1）將裝配好的連續(xù)管震擊器安裝在靜壓試驗臺架上并固定；

2）將密封裝置與連續(xù)管震擊器下部連接；

3）將泵的出口與連續(xù)管震擊器入口處相連接；

4）先將泵用低排量啟動，依次檢查各個管線和泵的密封性，然后檢查壓力表是否正確讀數(shù)；

5）逐步提升泵排量，直至壓力表指示到10 MPa；

6）達到10 MPa后，靜壓試驗泵自動關閉，同時關閉回壓閥，工具開始憋壓10 min，期間開始觀察是否有壓力漏失；

7）完成試驗后，將設備及工具依次拆卸，對工具內部的密封部位和密封工件進行檢查。

2.1.3 耐壓試驗結果

耐壓試驗完成后，通過壓力表讀數(shù)和觀察連續(xù)管震擊器外觀，發(fā)現(xiàn)并無漏壓、漏液現(xiàn)象出現(xiàn)，說明連續(xù)管震擊器的密封部件、扣型結構等設計合理。

2.2 連續(xù)管震擊器參數(shù)試驗

2.2.1 參數(shù)試驗目的

參數(shù)試驗的目的是驗證研制的連續(xù)管震擊器的工作原理，對連續(xù)管震擊器在不同排量條件下的性能參數(shù)進行測試，并確定連續(xù)管震擊器能否穩(wěn)定運行，之后對獲得的參數(shù)處理，分析震擊器相關性能參數(shù)同排量關聯(lián)性及性能參數(shù)同結構間的關聯(lián)性。

2.2.2 參數(shù)試驗步驟

1）將裝配好的連續(xù)管震擊器固定懸掛在井下工具試驗臺架上；

2）連接加速度傳感器、壓力傳感器以及數(shù)據(jù)采集模塊等；

3）將泵的出口連接在連續(xù)管震擊器的入口，并在連續(xù)管震擊器出口處安裝液體循環(huán)裝置；

4）先將泵用低排量啟動，依次檢查各個管線和泵的密封性，然后檢查壓力表是否正確讀數(shù)；

5）加大排量到連續(xù)管震擊器開始工作，然后梯度增加入口排量至10 L·s-1，并記錄各排量時的數(shù)據(jù)；

6）完成試驗后，將設備及工具依次拆卸。

2.2.3 參數(shù)試驗結果分析

試驗中分別測試了采用不同直徑的噴嘴時，連續(xù)管震擊器的震擊頻率、轉速以及壓降與入口排量之間的關系。這里由于是多個噴嘴并聯(lián)如圖，因此安裝不同噴嘴時的當量直徑為：

—噴嘴總數(shù)。

根據(jù)公式（1）可求得當選取直徑分別為4、5、6 mm的噴嘴時，對應的當量直徑為13.8、17.8、 20.8 mm。

參數(shù)試驗過程中分別測試了噴嘴直徑為4、5、6 mm時排量和頻率、轉速、壓降之間的關系，如圖3至圖5所示。

圖3 連續(xù)管震擊器頻率與排量之間的關系

圖4 連續(xù)管震擊器轉速與排量之間的關系

圖5 連續(xù)管震擊器壓降與排量之間的關系

室內試驗結果顯示，在節(jié)流壓降的驅動下，連續(xù)管震擊器可以在不斷發(fā)生軸向水擊的同時，產(chǎn)生不連續(xù)的周向的旋轉。工具在不間斷運行10 h后，無明顯異常，能夠正常工作，驗證了工具的工作原理及相關參數(shù)的設計合理。連續(xù)管震擊器中的頻率、轉速、壓降均和他的工作排量及噴嘴當量直徑相關。頻率、轉速、壓降均隨著排量增加而逐漸增大，同時隨著噴嘴的當量直徑變大而減小。因此連續(xù)管震擊器的實際現(xiàn)場應用過程中，需要根據(jù)實際情況對噴嘴的直徑進行優(yōu)選。

3 結 論

1）連續(xù)管震擊器的主要原理是通過高速的流體在射流周圍產(chǎn)生的低壓區(qū)，驅動閥體在工具內部進行往復運動，再利用這種運動不斷產(chǎn)生水擊，從而達到震擊效果。震擊同時可以將軸向的震擊轉化為周旋的單向旋轉，為連續(xù)管鉆井提供周向的振動和作用力。

2）連續(xù)管震擊器在靜壓耐壓實驗中，可以承受10 MPa的靜壓且沒有出現(xiàn)漏壓漏液的情況。

3）連續(xù)管震擊器在動壓參數(shù)試驗中，能夠按照設計正常發(fā)生水擊震擊作用，同時伴有不連續(xù)的周向旋轉；測得動壓下連續(xù)管震擊器的頻率、轉速、壓降與排量成正比，與噴嘴當量直徑成反比。

［1］苗芷芃，夏宏南，童啟金，等.連續(xù)管鉆井震擊工具的設計及研究[J].石油機械，2019，47（5）：56-60.

［2］王攀，王進全，欒蘇，等.連續(xù)管震擊工具技術現(xiàn)狀及發(fā)展建議[J].石油機械，2012，40（11）：108-111.

［3］郭瑞華，黃杰，姚傳高，等.連續(xù)管磨鉆工藝的研究與應用[J].石油機械，2013，41（8）：87-89.

Development and Laboratory Test Evaluation of Jar Tool for Coiled Tubing Drilling

1,2,3,3,3,3,3,3

（1. School of Petroleum Engineering, Xi 'an Petroleum University, Xi’an Shaanxi 710065, China;2. Xi’an Key Laboratory of Tight Oil (Shale oil) Development, Xi’an Shaanxi 710065, China;3. Western Drilling Directional well Technical Services Co., Ltd., Urumqi Xinjiang 830026, China）

In order to solve the problems that in the coiled pipe drilling, friction self-locking occurs in the horizontal section due to axial compression, and conventional continuous pipe drilling jar tool is unable to rotate due to axial shock, which leads to frequent tripping operation and premature fatigue damage of coiled pipe, a kind of jar tool for coiled tubing drilling was designed, and the jar mechanism of coiled pipe jar toolwas evaluated by laboratory test. The research results showed that the coiled pipe jarring tool cound not only improve the drilling efficiency of continuous pipe drilling, but also reduce the friction of bottom-hole by rotating the jarring action during orientation, thus providing better working conditions for the orienting device.

Coiled tube; Drilling; Jar tools; Laboratory test

2020-11-25

苗芷芃（1988-），男，陜西省西安市人，中級工程師，博士， 2019年畢業(yè)于長江大學油氣井工程專業(yè)，研究方向：油氣井工程技術及井下工具。

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1004-0935（2021）04-0566-03