井下沖擊鉆井工具模擬試驗(yàn)裝置研制

車?yán)^勇，譙正武，李明娜

(上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 201518)

目前，國(guó)內(nèi)油氣田大多處于勘探開(kāi)發(fā)中后期，開(kāi)采難度大、成本高，需要采用新技術(shù)、新工藝來(lái)提高效率，降低成本。工程實(shí)踐表明，使用軸向沖擊鉆井工具、扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具，可以提高深部難鉆地層的機(jī)械鉆速，延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命[1-3]。近幾年，沖擊鉆井工具的研究成為熱點(diǎn)之一，出現(xiàn)由液力驅(qū)動(dòng)或機(jī)械驅(qū)動(dòng)的多種軸向沖擊、扭轉(zhuǎn)沖擊、復(fù)合沖擊鉆井工具[4-6]。鉆井工具在幾千米深井中處于高壓、高溫的惡劣工作環(huán)境，出現(xiàn)故障時(shí)無(wú)法在井內(nèi)維修，難以分析和確定故障原因，只能從井中起出，不僅降低生產(chǎn)效率，還增加油田的開(kāi)發(fā)成本。因此，開(kāi)展鉆井工具研究，提高其可靠性和鉆進(jìn)效率至關(guān)重要。在井下工具的研發(fā)過(guò)程中，通過(guò)地面模擬試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)、測(cè)試，為其結(jié)構(gòu)改進(jìn)、優(yōu)化技術(shù)參數(shù)及選擇最佳施工工藝參數(shù)提供了可靠的技術(shù)支撐。

前人對(duì)軸向沖擊、扭轉(zhuǎn)沖擊條件下PDC鉆頭的破巖效率，近鉆頭扭轉(zhuǎn)沖擊器破巖機(jī)理及應(yīng)用已做過(guò)許多研究[7-13]。但是，對(duì)復(fù)合沖擊條件下的沖擊加速度、沖擊頻率、沖擊力等參數(shù)變化對(duì)鉆頭破碎不同種類巖石的效果研究較少。開(kāi)發(fā)先進(jìn)、高效的井下沖擊工具產(chǎn)品，需要有前沿可靠的試驗(yàn)測(cè)試手段配合[14]。為此，研制了井下沖擊鉆井工具模擬裝置，連接到多功能試驗(yàn)機(jī)的水龍頭中心管上，下端連接鉆桿及鉆頭。配套清水循環(huán)系統(tǒng)、模擬井筒、測(cè)控系統(tǒng)，組成了井下沖擊鉆井工具模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。采用該試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行巖樣鉆進(jìn)試驗(yàn)，可以做3方面的研究：①加裝沖擊工具后鉆頭對(duì)巖石的破碎機(jī)理；②沖擊參數(shù)的變化對(duì)鉆頭鉆進(jìn)效率的影響；③研究鉆頭鉆進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的扭沖力矩和附加沖擊鉆壓對(duì)不同巖石破壞規(guī)律。以期為新型井下沖擊工具優(yōu)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化鉆井工藝參數(shù)提供可靠試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本文介紹了井下沖擊鉆井工具模擬試驗(yàn)系統(tǒng)組成及主要技術(shù)參數(shù)。重點(diǎn)分析了軸向沖擊鉆井工具模擬裝置、扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具模擬裝置的結(jié)構(gòu)、工作原理。

1 沖擊鉆井工具模擬試驗(yàn)裝置的基本原理

PDC鉆頭在沖擊載荷的作用下破碎巖石，鉆頭與巖石接觸面處的轉(zhuǎn)矩與鉆壓同時(shí)作用于切削齒，有助于提高鉆頭破巖的效率。鉆頭的運(yùn)動(dòng)由鉆壓、轉(zhuǎn)矩、鉆速及轉(zhuǎn)速等因素確定[15-16]。沖擊工具的振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅值、沖擊力等對(duì)破巖效率有影響。根據(jù)沖擊工具的類型，其施加的載荷有軸向沖擊載荷、扭轉(zhuǎn)沖擊載荷、復(fù)合沖擊載荷。試驗(yàn)的目的就是要研究這些參數(shù)的影響規(guī)律。試驗(yàn)裝置的基本原理：采用1臺(tái)鉆采工具多功能試驗(yàn)機(jī)(相當(dāng)于1臺(tái)小型液壓頂部驅(qū)動(dòng)裝置)，在動(dòng)力水龍頭的中心管上加裝液壓軸向沖擊模擬裝置和扭轉(zhuǎn)沖擊模擬裝置，分別模擬軸向沖擊鉆井工具和扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具。通過(guò)鉆桿把沖擊裝置產(chǎn)生的沖擊鉆壓和附加沖擊轉(zhuǎn)矩施加到鉆頭上，增加鉆頭的破巖能量。該裝置可以單獨(dú)施加軸向沖擊載荷、扭轉(zhuǎn)沖擊載荷，分別模擬軸向沖擊工具和扭沖工具工作狀況，也可同時(shí)施加軸向沖擊載荷和扭轉(zhuǎn)沖擊載荷(即復(fù)合沖擊)，使鉆頭獲得持續(xù)穩(wěn)定的沖擊力。測(cè)試相關(guān)參數(shù)，分析沖擊參數(shù)變化對(duì)機(jī)械鉆速的影響。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及技術(shù)參數(shù)

井下沖擊鉆井工具模擬試驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖1所示。

多功能試驗(yàn)機(jī)可為模擬試驗(yàn)井中的鉆頭施加鉆壓和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)通過(guò)地面供液泵及供液管匯為試驗(yàn)工具提供高壓循環(huán)試驗(yàn)液(清水)。沖擊工具模擬裝置主要由扭轉(zhuǎn)沖擊模擬裝置和軸向沖擊模擬裝置2個(gè)模塊組成，可分別安裝在多功能試驗(yàn)機(jī)水龍頭中心管上，模擬軸向沖擊工具或扭轉(zhuǎn)沖擊工具工況。也可將軸向沖擊和扭轉(zhuǎn)沖擊裝置同時(shí)安裝在動(dòng)力水龍頭中心管上，如圖1中放大圖所示，上部為軸向沖擊模擬裝置，下部為扭轉(zhuǎn)沖擊模擬裝置，即可模擬復(fù)合沖擊工具的工況。沖擊工具模擬裝置通過(guò)接頭與鉆桿連接，鉆桿下部連接鉆頭，形成一套完整的試驗(yàn)系統(tǒng)，整體下入模擬井，對(duì)井內(nèi)巖樣進(jìn)行鉆進(jìn)試驗(yàn)。

試驗(yàn)系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

3 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)及原理

3.1 軸向沖擊工具模擬裝置

圖2為軸向沖擊工具模擬裝置結(jié)構(gòu)。利用軸向沖擊裝置模擬井下軸向沖擊工具。該裝置通過(guò)液缸承載架與多功能試驗(yàn)機(jī)加載橫梁相連接。裝置上2個(gè)并聯(lián)安裝的伺服液缸同步?jīng)_擊連接在試驗(yàn)機(jī)水龍頭中心管上的承載盤，沖擊力通過(guò)動(dòng)力水龍頭中心管和鉆桿傳遞到鉆頭上，模擬井下軸向沖擊鉆井工具的工作狀態(tài)。伺服沖擊缸活塞桿上安裝高精度位移傳感器、高頻響載荷傳感器，通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊采集傳感器輸出信號(hào)。測(cè)控系統(tǒng)輸出控制信號(hào)，對(duì)沖擊頻率和幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)，完成不同參數(shù)的沖擊模擬試驗(yàn)。

1—雙向水龍頭；2—沖擊工具模擬裝置；3—鉆桿；4—井筒；5—PDC鉆頭；6—巖樣；7—過(guò)濾器；8—水池；9—供液泵；10—主加載液缸；11—多功能試驗(yàn)機(jī)加載裝置。

表1 井下沖擊鉆井工具模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)

1—多功能試驗(yàn)機(jī)橫梁；2—水龍頭中心管；3—液缸承載架；4—沖擊液缸；5—承載盤。

3.2 扭轉(zhuǎn)沖擊工具模擬裝置

圖3為扭轉(zhuǎn)沖擊工具模擬裝置的結(jié)構(gòu)。該裝置模擬井下扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具的工況。電缸底座通過(guò)中心管接頭與試驗(yàn)機(jī)上的水龍頭中心管連接，下端連接鉆桿及鉆頭。4只電動(dòng)缸固定在電缸底座上，對(duì)角安裝的2只電動(dòng)缸同步交替沖擊承載盤。電動(dòng)缸活塞頭部安裝沖擊力傳感器，利用控制器調(diào)節(jié)沖擊頻率、沖擊力，地面測(cè)控臺(tái)通過(guò)測(cè)控系統(tǒng)可準(zhǔn)確控制和精確測(cè)量沖擊加速度、沖擊力和沖擊頻率。

1—試驗(yàn)機(jī)橫梁；2—水龍頭中心管；3—電動(dòng)缸；4—電缸底座；5—承載盤；6—中心管接頭；7—孔式電刷滑環(huán)。

4 液壓及測(cè)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介

液壓系統(tǒng)主要功能是為多功能試驗(yàn)機(jī)加載裝置及軸向沖擊工具模擬裝置上的液壓執(zhí)行元件提供動(dòng)力。

4.1 鉆頭鉆壓控制原理

多功能試驗(yàn)機(jī)的2支主加載液缸可以給雙向水龍頭中心管加載0～1 000 kN的壓力，此施加的載荷就是鉆頭的鉆壓。主加載液缸由電液伺服比例閥控制，其活塞桿下端裝有拉壓力傳感器，通過(guò)電液伺服比例閥+拉壓力傳感器等實(shí)現(xiàn)主液缸加載的閉環(huán)自動(dòng)控制。液壓站由變頻電機(jī)、柱塞泵、調(diào)壓閥等組成，采用專用油冷機(jī)進(jìn)行冷卻。該液壓站具備過(guò)壓、欠壓報(bào)警功能，并采取相應(yīng)保護(hù)措施。主液缸控制液壓原理如圖4所示。

測(cè)控部分通過(guò)西門子200型PLC(可編程控制器)的模擬采集模塊，連續(xù)采集拉壓力傳感器信號(hào)。PLC程序(PID)控制電液伺服比例閥的開(kāi)口，載荷達(dá)到設(shè)定值，閥芯到中位，主液缸達(dá)到設(shè)定載荷要求值。

通過(guò)液晶顯示屏設(shè)定需要的鉆壓值，滿足鉆頭鉆壓0～1 000 kN控制要求，控制精度可達(dá)到±1 kN。試驗(yàn)中測(cè)量信號(hào)均通過(guò)主控計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、顯示和輸出。試驗(yàn)結(jié)束可以調(diào)取歷史數(shù)據(jù)，編制試驗(yàn)表格，繪制試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線，出具試驗(yàn)報(bào)告。

圖4 主液缸液壓控制原理(鉆壓)

4.2 鉆頭轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制原理

雙向水龍頭中心管的轉(zhuǎn)速就是試驗(yàn)鉆頭的轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)主機(jī)液壓系統(tǒng)中有2臺(tái)比例變量泵，這2臺(tái)泵為雙向水龍頭中心管的1臺(tái)液壓馬達(dá)供液，控制液壓馬達(dá)的流量，即可控制雙向水龍頭中心管的轉(zhuǎn)速，即，控制試驗(yàn)鉆頭的轉(zhuǎn)速。

液馬達(dá)輸出軸上裝有1臺(tái)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，可測(cè)量液壓馬達(dá)輸出軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，反饋控制2臺(tái)比例變量泵的排量，達(dá)到控制雙向水龍頭中心管轉(zhuǎn)速的目的。由于比例變量泵的流量調(diào)節(jié)精度較低，造成液壓馬達(dá)輸出軸轉(zhuǎn)速控制精度低，為±5%。可以加伺服比例閥，提高液壓馬達(dá)輸出軸轉(zhuǎn)速的控制精度，達(dá)到±2%。通過(guò)PLC(可編程控制器)采集模塊采集轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的轉(zhuǎn)速信號(hào)，PLC程序控制伺服比例閥開(kāi)口，形成閉環(huán)PID控制，達(dá)到準(zhǔn)確控制鉆頭轉(zhuǎn)速的要求。轉(zhuǎn)速控制原理如圖5。

圖5 鉆頭轉(zhuǎn)速控制原理

4.3 軸向沖擊模擬試驗(yàn)裝置控制原理

利用液壓伺服同步激振系統(tǒng)形成同步激振沖擊，2只非標(biāo)伺服沖擊缸單缸沖擊力為25 kN。選用PCI-6221型多功能數(shù)據(jù)采集卡對(duì)傳感器輸出信號(hào)、頻率、幅值等進(jìn)行采集，同時(shí)輸出控制信號(hào)對(duì)頻率、幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)。保證沖擊頻率在17～34 Hz可控、可測(cè)。高頻響載荷傳感器配合高精度MOG伺服閥，精確控制液壓系統(tǒng)的壓力，達(dá)到PID精確控制，使沖擊力可控、可測(cè)。自制信號(hào)調(diào)理板，主要是對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行放大處理，供DAQ采集。沖擊缸的位移信號(hào)進(jìn)入MOG伺服放大器，精確控制MOG伺服閥。測(cè)控系統(tǒng)PID閉環(huán)精確控制，使2只雙作用伺服沖擊缸同步工作。軸向沖擊模擬試驗(yàn)裝置的液壓原理簡(jiǎn)圖如圖6所示。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)系統(tǒng)安裝完成后，分別進(jìn)行了軸向沖擊模擬試驗(yàn)裝置和扭轉(zhuǎn)沖擊模擬試驗(yàn)裝置2項(xiàng)試驗(yàn)。試驗(yàn)步驟為：①按照試驗(yàn)流程開(kāi)關(guān)好閥門，啟動(dòng)自吸泵、泥漿泵，設(shè)定電機(jī)頻率10 Hz、流量為16 L/s；②動(dòng)力水龍頭中心管連接沖擊模擬試驗(yàn)裝置和鉆桿帶動(dòng)鉆頭開(kāi)始鉆進(jìn)；③鉆進(jìn)過(guò)程中開(kāi)啟軸向沖擊模擬裝置或扭轉(zhuǎn)沖擊模擬裝置，設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)；④讀取鉆壓、扭矩、流量、沖擊力、附加沖擊鉆壓、沖擊位移、沖擊幅值等參數(shù)。記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，鉆完后檢查鉆頭、巖樣如圖7所示，試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。通過(guò)對(duì)砂巖試樣進(jìn)行實(shí)鉆試驗(yàn)，附加軸向沖擊模擬裝置，驗(yàn)證試驗(yàn)系統(tǒng)的功能及可靠性。

圖6 軸向沖擊模擬試驗(yàn)裝置液壓原理

表2 沖擊工具模擬裝置巖樣鉆進(jìn)試驗(yàn)參數(shù)

a 鉆頭

研究發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)鉆進(jìn)過(guò)程中加裝沖擊工具后，穩(wěn)定、高頻的扭沖力矩和附加沖擊鉆壓均勻的傳遞到PDC鉆頭，使鉆頭不需要等待積蓄足夠的扭力能量就可以切削地層，有效提高機(jī)械鉆速。測(cè)試驗(yàn)證了沖擊試驗(yàn)裝置各個(gè)部分的功能能夠滿足設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)要求，可達(dá)到為井下沖擊工具新產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、鉆井工藝的驗(yàn)證和功能性提供可靠試驗(yàn)數(shù)據(jù)。沖擊試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)新穎且合理緊湊，能很好地模擬軸向沖擊、扭轉(zhuǎn)沖擊及復(fù)合沖擊鉆井工具的工作特性和參數(shù)變化，滿足石油鉆井沖擊工具模擬試驗(yàn)的需要。

6 結(jié)論

1)研制了一種具有軸向沖擊和扭轉(zhuǎn)沖擊功能的井下沖擊鉆井工具模擬試驗(yàn)裝置。為井下沖擊工具工作參數(shù)的變化對(duì)鉆頭的破巖效率影響提供中間試驗(yàn)平臺(tái)，利用鉆頭在巖樣試驗(yàn)井中鉆進(jìn)巖石，研究加裝沖擊裝置后鉆頭對(duì)巖石的破碎機(jī)理。

2)介紹了試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、技術(shù)參數(shù)、工藝流程及試驗(yàn)驗(yàn)證情況。為研究鉆具加裝沖擊工具后產(chǎn)生的沖擊力、扭沖力矩、鉆壓、鉆頭轉(zhuǎn)速等參數(shù)對(duì)破巖效率的影響提供試驗(yàn)平臺(tái)。為今后新型井下扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具優(yōu)化設(shè)計(jì)、鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及鉆井工藝參數(shù)優(yōu)選提供技術(shù)支撐。

3)該井下沖擊鉆井工具模擬試驗(yàn)裝置已取得2項(xiàng)實(shí)用新型專利。