自激振蕩式沖擊鉆井提速系統(tǒng)輸出鑿入力特性研究

張 恒， 倪紅堅， 劉書斌， 梁紅軍， 王 勇， 謝虹橋

(1. 中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266580； 2. 中國石油塔里木油田公司 油氣工程研究院，新疆 庫爾勒 841000；3. 中國石化石油工程技術研究院，北京 100101； 4. 頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100101)

目前中深部地層以及特殊層段硬巖地層鉆井提速困難，氣體鉆井、粒子射流鉆井等技術配套設備復雜，經濟成本高，且應用環(huán)境受限。單純依靠鉆頭工藝、鉆井參數(shù)優(yōu)化等技術已不能滿足目前對油氣鉆探成本與開發(fā)時效的迫切要求，高效、可靠的井下沖擊鉆井工具的研發(fā)與使用已得到廣泛共識[1]。鉆井液動沖擊工具的研究開始于19世紀70年代的歐洲，德國學者沃·布什在1887年申請了該項鉆井技術的專利，自此井下沖擊鉆井技術及相關配套工具逐漸得到重視，并在20世紀石油鉆探大發(fā)展時期發(fā)揮了重要作用。沖擊鉆井提速技術利用沖擊鉆井工具將鉆井液水力能量轉換為作用于鉆頭的脈動沖擊載荷，是目前解決火成巖地層、深部硬地層等提速難題的主要方式之一[2-3]。目前沖擊破巖工具種類繁多，結構設計復雜多樣，但總的來說主要包含三種工作方式：①液動機械沖擊——其基本原理是通過將鉆井液的壓能轉換為內部沖擊機構的動能，然后軸向或周向周期性撞擊沖擊砧子，將沖擊載荷傳遞至鉆頭，實現(xiàn)沖擊破巖。其主要優(yōu)點就是單次沖擊功較高，但其內部流道復雜，沖擊活動部件易變形損壞，且對鉆頭的抗沖擊性能要求較高。其中，液動機械沖擊形式中最具代表性的，同時也是目前在全球范圍內應用最廣泛的是加拿大阿特拉扭力沖擊器，應用過程中需搭配其提供的專用鉆頭。②蓄能式旋轉高速沖擊——其工作原理是利用內部彈性儲能元件將井底振動載荷轉換為沖擊能量，既有減少井底有害振動，保護鉆頭的作用，又可以利用沖擊振動載荷實現(xiàn)高效破巖。③諧波振蕩或自激振蕩高頻沖擊——通過利用流體的自然振蕩屬性，形成高頻脈動沖擊壓力，再將流體的自振脈動壓力轉換為作用于鉆頭的沖擊載荷，實現(xiàn)沖擊破巖。旋沖鉆井技術利用沖擊載荷使巖石形成體積破碎，解決了部分硬地層的破巖效率低的問題。但大部分沖擊工具活動部件多，耐沖蝕性能差，導致工具壽命較短，極大地限制了旋沖鉆井技術的推廣應用。

基于對機械沖擊高效破巖與水力脈沖提高井底巖屑清洗效率可有效提高機械鉆速的認識，雷鵬等[4]提出了自激振蕩式旋轉沖擊鉆井提速工具，該工具原理簡單，沒有活動部件，耐沖蝕性能好，目前已在新疆、大慶、勝利、四川等國內多個油氣鉆井施工現(xiàn)場得到推廣應用，累計應用井次已達百余口，平均提速效果顯著。本文針對自激振蕩沖擊鉆井工具的非機械式水力脈動壓力所形成的沖擊力與巖石間的相互作用，從理論上研究了脈動壓力的幅頻特性、沖擊傳遞桿及巖石性質等對其鑿入巖石效果的影響規(guī)律，從而為該工具的結構優(yōu)化、現(xiàn)場施工參數(shù)設計提供理論指導，進一步提升該工具的提速效果。

1 自激振蕩沖擊鉆井提速工具工作原理

自激振蕩沖擊鉆井工具結構示意圖，如圖1所示，主要結構包括接頭、噴嘴、自激振蕩腔及沖擊傳遞桿，為達到沖擊力幅值與頻率的優(yōu)化配比，提高工具的沖擊破巖能力，經過前期流體數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗研究[5]，自激振蕩沖擊工具設計選用雙級自激振蕩腔室。

1.上接頭； 2.殼體； 3.上噴嘴； 4.套筒；5.八方桿； 6.下接頭； 7.次級振蕩腔； 8.一級振蕩腔。

其中，工具第一級振蕩腔為固定腔室結構，鉆井液經過第一級振蕩腔的脈沖調制作用，形成自激振蕩射流[6]，然后進入第二級振蕩腔，形成二級振蕩，有效提升自激振蕩射流的脈沖幅值。經過兩級振蕩調制的鉆井液脈動壓力作用于沖擊桿上端面，沖擊傳遞桿與鉆頭相連，形成對井底巖石的周期性沖擊載荷，從而有效提高鉆頭破巖效率。其次，經過自激振蕩腔室的自激振蕩脈沖射流可減輕井底壓持效應，及時有效地清除井底巖屑，避免重復切削導致破巖能量浪費[7]。且流體自激振蕩產生的這種脈動壓力沖擊具有彈性緩沖作用，不同于液動機械結構的剛性沖擊，解決了傳統(tǒng)的液動沖擊器的穩(wěn)定性不足的問題，同時，有效緩解了軟硬夾層、礫石層等易跳鉆、憋鉆對鉆頭的破壞作用，避免了工具材料的疲勞損壞，減少復雜工況，延長行程鉆速。

2 自激振蕩系統(tǒng)輸出鑿入力計算模型

自激振蕩旋轉沖擊鉆井工具產生的自激沖擊載荷并不是直接作用于地層巖石，而是通過沖擊傳遞桿、鉆頭本體及鉆頭切削齒間接傳遞至切削巖層，這樣傳遞桿、鉆頭及切削齒組成整個傳遞系統(tǒng)。傳遞桿的下承壓端面為系統(tǒng)自激沖擊力輸入端，鉆頭切削齒為系統(tǒng)沖擊鑿入力輸出端，輸入載荷及輸出載荷存在一定的相關關系。因此，筆者通過建立自激振蕩旋轉沖擊系統(tǒng)輸出鑿入力模型，分析自激振蕩破巖系統(tǒng)的沖擊載荷傳遞規(guī)律，特別是研究自激振蕩參數(shù)對系統(tǒng)輸出鑿入力影響規(guī)律，有助于認識自激沖擊載荷對巖石的作用規(guī)律，明確自激振蕩沖擊破巖過程中工具的性能優(yōu)化目標及配套鉆井參數(shù)優(yōu)選方向，進一步提升工具的輔助破巖效率。

2.1 自激振蕩沖擊物理模型

基于對自激振蕩工具結構設計及其工作原理的認識，建立了自激振蕩沖擊鉆井工具鉆進過程中的簡化物理模型，如圖2所示，設自激振蕩腔下端面受自激振蕩脈沖壓力作用而形成動載自激沖擊力為P(t)，傳遞桿與鉆頭間接頭承接靜載鉆壓為FWOB，自激沖擊力與靜載鉆壓相互耦合施加于鉆頭并通過切削齒傳遞至巖石表面，實現(xiàn)沖擊破碎巖石。

圖2 自激振動沖擊鑿入系統(tǒng)

忽略井底鉆頭噴嘴射流對巖石受載狀態(tài)和鉆具系統(tǒng)的影響，假設鉆壓和自激振蕩沖擊工具產生的自激振蕩力經傳遞桿、鉆頭作用于巖石后，形成的沖擊鑿入力為一集中力F(t)，且認為巖石在幾十微秒內可以承受連續(xù)的鑿入力而不發(fā)生破壞，建立上述物理模型，進而研究自激振蕩工具振蕩力特征對其經傳遞桿、鉆頭后作用于巖石的鑿入力F(t)的影響規(guī)律。

2.2 自激振蕩沖擊輸出鑿入力數(shù)學模型

假設系統(tǒng)輸入自激沖擊載荷P(t)為正弦波動，考慮在彈性桿中，幅頻相同的波動力波形在沖擊傳遞桿傳遞過程中不會發(fā)生變化，僅在時間上會有滯后效應，因此忽略相位對波動力的影響，建立函數(shù)表達形式見式(1)。

P(t)=P0+Asin(2πft)

(1)

式中：P(t)為傳遞桿輸入的波動力，N；P0為水力脈沖壓力造成的恒定載荷，N；A為沖擊力幅值，N；f為沖擊力沖擊頻率，Hz。

同時考慮到接頭處所承接的恒定鉆壓載荷FWOB，建立自激振蕩波動力方程為

Z(t)=P(t)+FWOB

(2)

根據(jù)沖擊鑿入微分方程[8]

(3)

式中：F為鉆頭處對巖石的沖擊鑿入力，N；K為鑿入系數(shù)，N/m；m為傳遞桿波阻抗，kg/s。

傳遞桿波阻抗m可由式(2)～式(4)計算得到

(4)

式中：ρ為傳遞桿密度，kg/m3；E為傳遞桿彈性模量，Pa；Aω為傳遞桿截面積，m2。

將式(2)和式(4)代入式(3)得到

(5)

F(t)=

(6)

當t=0時，F(xiàn)(0)=Z0=P0+FWOB，代入式(6)得

(7)

因此，在鉆壓FWOB及自激波動力P(t)作用下，建立鉆頭處沖擊鑿入力的數(shù)學模型函數(shù)表達形式為

(8)

3 計算結果分析

基于式(8)所建立的自激振蕩沖擊鉆井系統(tǒng)輸出鑿入力數(shù)學模型，研究系統(tǒng)輸入自激沖擊力頻幅特征、鉆壓及巖石鑿入系數(shù)對系統(tǒng)輸出鑿入力的影響，根據(jù)Φ178 mm型自激振蕩沖擊鉆井工具設計結構及數(shù)值計算結果，本文所選用的算例參數(shù)見表1。

表1 算例參數(shù)

3.1 沖擊頻率對鑿入力的影響

根據(jù)所建立的沖擊鑿入力的數(shù)學模型式(8)計算了鉆壓FWOB=80 kN，沖擊力幅值A=25 671.82 N，鑿入系數(shù)K=3×107N/m條件下，沖擊頻率分別為200 Hz，400 Hz，600 Hz，800 Hz及1 000 Hz時，系統(tǒng)鑿入力F(t)變化曲線如圖3所示。

圖3 不同沖擊力頻率下系統(tǒng)輸出鑿入力變化曲線

從圖3中可以看出系統(tǒng)輸入沖擊頻率越大，輸出鑿入力F(t)的波動頻率越大，但由于振動周期內沖擊傳遞桿幅值響應時間變短，振動位移減小，因此鑿入力F(t)波動幅值相應減小，在所計算的沖擊頻率條件下，頻率的大小并沒有影響其最終輸出波形曲線的平衡位置，但由圖4中沖擊頻率對應的穩(wěn)定波段峰-峰值曲線可知，鑿入力F(t)峰-峰值隨著系統(tǒng)輸入自激沖擊載荷P(t)頻率的增加而下降，且下降幅度逐漸增大。綜合上述計算結果可知，系統(tǒng)輸入沖擊頻率越高，輸出鑿入力F(t)的波動幅度越小。

圖4 鑿入力穩(wěn)定振蕩段峰-峰值隨自激振蕩力頻率和幅值的變化

3.2 沖擊力幅值對鑿入力的影響

設計沖擊頻率為f=200 Hz，鉆壓為FWOB=80 kN，鑿入系數(shù)為K=3×107N/m，計算沖擊力幅值分別為5 kN，10 kN，15 kN，20 kN，25 kN下，系統(tǒng)輸出鑿入力隨時間的變化曲線如圖5所示。

圖5 不同沖擊力幅值下系統(tǒng)輸出鑿入力變化曲線

由圖5中曲線變化情況可以看出，自激振蕩沖擊鑿入過程中，系統(tǒng)輸出鑿入力的振動平衡值及最終平衡值均不會隨沖擊力幅值而改變，自激振蕩力幅值的增加導致系統(tǒng)輸出鑿入力波動更加劇烈。不同系統(tǒng)沖擊力幅值對應的鑿入力穩(wěn)定波段峰峰值，如圖4所示。由圖4可知，系統(tǒng)輸出鑿入力的峰峰值與輸入自激振蕩力的幅值呈線性正相關，輸入自激振蕩力的幅值越大，系統(tǒng)輸出鑿入力的峰峰值越大，但其波動幅度遠小于輸入自激振蕩力的幅度。

3.3 鉆壓對鑿入力的影響

計算沖擊頻率為f=200 Hz，沖擊力幅值為A=25 671.82 N，鑿入系數(shù)為K=3×107N/m條件下，鉆壓分別為60 kN，70 kN，80 kN，90 kN，100 kN時鑿入力隨時間的變化曲線，如圖6所示。

圖6 不同鉆壓下系統(tǒng)輸出鑿入力變化曲線

圖6中曲線顯示，沖擊鉆進過程中，隨著鉆壓的增加，相同的輸入自激振蕩力條件下，自激振蕩沖擊系統(tǒng)的輸出鑿入力平衡值(圖6中虛線所示)呈線性增加趨勢。即實際鉆進過程中，其他鉆進參數(shù)相同情況下，使用井下沖擊器時，適當增加鉆壓，可以提高沖擊器輸出鑿入力峰值，從而提高沖擊效果。

3.4 鑿入系數(shù)對鑿入力的影響

鑿入系數(shù)的定義為鑿入巖石單位深度需要的力，與巖石材料及鑿入壓頭形狀有關，同樣的鑿入系統(tǒng)下，鑿入系數(shù)越大，巖石的抗侵入能力越強[9]。日本學者佐佐木利用電容式沖擊鑿入系統(tǒng)直接測定了三種巖石鑿入力與鑿入位移的關系，系統(tǒng)鑿入壓頭為錐角90°的圓錐，得到了不同巖石的鑿入系數(shù)，見表2。文獻[10]對該試驗進行了詳細介紹。

表2 巖石鑿入系數(shù)

本文參考了上述試驗測定的巖石鑿入系數(shù)取值范圍，并設定沖擊力幅值為25 671.82 N，沖擊頻率為200 Hz，鉆壓為80 kN，分析了鑿入系數(shù)分別為1×107N/m，2.5×107N/m，5×107N/m，7.5×107N/m，10×107N/m條件下的鑿入力隨時間的變化，如圖7所示，圖中虛線為鑿入力平衡值變化曲線。圖7顯示，巖石的鑿入系數(shù)越大，鑿入力達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間越短，且其波動幅度越大，但最終振動平衡值不會隨鑿入系數(shù)的改變而改變。鉆進過程中，所用鉆頭及鉆井參數(shù)相同的情況下，自激振蕩沖擊系統(tǒng)所鉆遇的巖石抗侵入能力越強，硬度越高，所反映的沖擊鑿入力波動幅度越大，鉆頭振動越強烈。同時，也側面反映出，相同的沖擊載荷在較硬巖石鉆進過程中，相對于在較軟地層沖擊鉆進，更能表現(xiàn)出其沖擊振動效果，其破巖優(yōu)勢更為明顯。

圖7 不同鑿入系數(shù)下系統(tǒng)輸出鑿入力變化曲線

4 現(xiàn)場試驗應用

雷鵬等對自激振蕩沖擊鉆井工具進行了水力元件優(yōu)化，提升了其沖擊力幅值，工具優(yōu)化前后的平均提速效果由30.1%提升至63.5%，證明了提高沖擊力幅值對于提升沖擊鉆井工具的鉆井提速性能具有促進作用。為驗證鉆壓對工具提速性能的影響，選取了安探5井4 920～5 020 m井段Ф178 mm型工具的現(xiàn)場試驗結果，該井段鉆遇下古生界奧陶系地層，巖性主要為灰?guī)r、白云巖，試驗參數(shù)如表3所示。

表3 試驗井段鉆井參數(shù)

試驗過程中將鉆進井段分為2段，試驗井段1采用平均鉆壓77.72 kN鉆進，試驗井段2以89.67 kN鉆壓鉆進，錄井鉆時及鉆壓對比曲線如圖8所示。試驗結果表明，自激振蕩沖擊鉆井工具的提速效果與鉆壓呈明顯正相關性，當鉆壓提高15.38%時，工具的平均機械鉆速可提高40.08%，增加鉆壓對沖擊鉆井工具提速能力的提升具有明顯的促進作用。

圖8 試驗井段鉆壓與鉆時對比

5 結 論

通過所建立的自激振蕩式沖擊鉆井工具系統(tǒng)輸出鑿入力數(shù)學模型，研究了自激振蕩鑿入系統(tǒng)輸出鑿入力與施加鉆壓、輸入載荷幅頻特性以及巖石鑿入系數(shù)之間的關系。

鑿入力最終平衡值與自激振蕩力的頻率和幅值無關，在僅改變輸入振蕩力頻率或幅值條件下，所計算的鑿入力穩(wěn)定振蕩段平衡值均為177.26 kN；鑿入力波動幅度與輸入自激振蕩力的幅值成正比，與振蕩力頻率成反比；當輸入自激振蕩力相同時，鉆壓越大，鑿入力平衡值相對于初始值的增加幅度也越大；鑿入系數(shù)不會影響系統(tǒng)輸出鑿入力的最終平衡值，但巖石的鑿入系數(shù)越大，對應的鑿入力達到最大值的時間越短，且振動幅值明顯增加，波動更加強烈。

自激振蕩沖擊鉆井的試驗結果進一步證明了提高沖擊器幅值并使用大鉆壓鉆進可進一步提升工具的沖擊提速效果，工具應用井段鉆壓提升15.38%時，工具的平均機械鉆速可提高40.08%。因此，沖擊鉆井作業(yè)時，適當降低工具的沖擊頻率并提高其沖擊力幅值，鉆進時應盡量增加鉆壓，將有利于提高輸入沖擊載荷的沖擊振動效果，在保證鉆頭抗沖擊能力的條件下，充分發(fā)揮沖擊載荷高效破巖優(yōu)勢。