射流式液動沖擊器在ZK01-2井提速應(yīng)用研究

郭 強，翁 煒，袁文真，張德龍*，楊 鵬，張杰豐，陳曉華

（1.北京探礦工程研究所，北京100083；2.中國地質(zhì)科學院，北京100037；3.河北省煤田地質(zhì)局第四地質(zhì)隊，河北 張家口075100）

0 引言

深部地熱資源鉆探開采中，常會遇到巖石硬度高、可鉆性差、研磨性強的致密花崗巖地層，這些地層的不利因素往往會造成鉆頭磨損嚴重、機械鉆速緩慢、鉆具消耗加劇等系列問題，從而導致鉆井作業(yè)周期長，鉆探綜合成本大幅提高。目前，為提高機械鉆速多采用螺桿鉆具搭配牙輪鉆頭對硬巖地層進行快速研磨，從而達到提速鉆進的目的。由于螺桿鉆具自身轉(zhuǎn)速較高，很大程度上加快了牙輪鉆頭的磨損，降低了牙輪鉆頭自身使用壽命，增加了鉆井耗材成本。同時，這也會導致鉆探施工現(xiàn)場頻繁起下鉆，影響鉆井作業(yè)周期［1-2］。

隨著硬巖提速技術(shù)不斷發(fā)展，液動沖擊器的應(yīng)用得到普及。液動沖擊器是利用高壓鉆井液推動活塞沖錘上下往復運動，撞擊鉆頭，使鉆頭在回轉(zhuǎn)、鉆壓、沖擊共同作用下快速破碎地層。該孔底動力鉆具可有效改善上述缺陷，實現(xiàn)快速鉆進［3］。為縮短鉆探周期，節(jié)約鉆井成本，實現(xiàn)硬巖地層提速鉆進，本文論述了采用射流式液動沖擊器在致密花崗巖硬巖地層進行提速應(yīng)用的情況。

1 沖擊器工作原理及技術(shù)要求

在地質(zhì)鉆探中，射流式液動沖擊器是以泥漿或清水等流體為介質(zhì)，通過射流原件在腔體內(nèi)形成通道交替變化的高壓射流，推動活塞上下往復運動，將軸向高頻沖擊載荷傳遞給鉆頭，起到破巖的作用。射流式液動沖擊器的結(jié)構(gòu)如圖1所示［4］。它主要包括上接頭、殼體、射流元件、缸體、活塞、壓蓋、沖錘、導向塊及下接頭等部分，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作性能穩(wěn)定、便于現(xiàn)場維護等特點。此外，該工具在井下發(fā)生故障停機時，沖洗液通道依然通暢，可轉(zhuǎn)換為常規(guī)普鉆繼續(xù)鉆進，不會造成井下事故而影響正常施工進度［5］。

圖1 射流式液動沖擊器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of the jet?type fluid hammer structure

射流式液動沖擊器上、下接頭分別與鉆鋌和鉆頭連接，井口測試完成后，入井作業(yè)。在距井底2～3 m時循環(huán)鉆井液，沖擊器接觸井底開始工作。沖擊器在工作過程中，利用射流元件附壁原理，鉆井液按照一定頻率從缸體上下腔進出，從而推動活塞上下運動，帶動沖錘對鉆頭施加高頻軸向沖擊載荷，在鉆頭周向回轉(zhuǎn)切削的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)復合破巖，提高鉆探現(xiàn)場鉆進效率。這種旋轉(zhuǎn)沖擊鉆進的方式可有效降低鉆頭憋卡、跳鉆等不利因素的影響，提高鉆頭的使用壽命，縮短鉆井作業(yè)周期，節(jié)約鉆井綜合成本［6］。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)“張家口地區(qū)地熱資源調(diào)查評價”項目ZK01-2井鉆探現(xiàn)場施工條件，試驗地層為致密性花崗巖，硬度高，可鉆性差。試驗井段井徑為216 mm，井壁較完整，無破損掉塊現(xiàn)象。本次試驗采用? 172 mm射流式液動沖擊器搭配?216 mm三牙輪鉆頭進行現(xiàn)場提速應(yīng)用。根據(jù)鉆探現(xiàn)場設(shè)備負載能力及射流式液動沖擊器作業(yè)參數(shù)要求，本文設(shè)計了沖擊器的試驗工藝參數(shù)如表1所示。

表1 射流式液動沖擊器性能參數(shù)設(shè)計Table 1 Per formance par ameter design of the jet?type fluid hammer

ZK01-2井是一口地熱探采直井，設(shè)計井深1500 m。由于試驗地層為二長花崗巖，中細?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，以灰白色為主，夾雜淺肉紅色，如圖2所示。針對二長花崗巖硬度高且耐磨性強等特點，試驗現(xiàn)場采用?216 mm圓齒三牙輪鉆頭搭配沖擊器進行試驗，巖石相關(guān)力學特性如表2所示［7］。

圖2 二長花崗巖斷面Fig.2 Rupture surfaceof Monzogranite

表2 二長花崗巖力學特性Table 2 Mechanical properties of Monzogranite

2.1 提速試驗

根據(jù)試驗地層巖石特性及牙輪鉆頭的耐磨性能，結(jié)合現(xiàn)場泥漿泵壓力、排量及轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速等實際工況，同時考慮沖擊器工作技術(shù)要求，對液動沖擊器的現(xiàn)場作業(yè)工藝參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計。依據(jù)液動沖擊器的現(xiàn)場施工提速方案，為滿足其技術(shù)要求，確保其工作性能更穩(wěn)定，保證井身質(zhì)量，本試驗采用如下井下鉆具組合：?216 mm牙輪鉆頭+?172 mm射流式液動沖擊器+?212 mm球形扶正器+常規(guī)鉆具［8-9］。

液動沖擊器入井前，需在井口測試其性能參數(shù)，使其滿足井下正常工作需求，如圖3所示。射流式液動沖擊器井口測試過程中，泥漿泵壓為4～5 MPa，根據(jù)表1中沖擊器壓降參數(shù)，泥漿出口壓力與常規(guī)普鉆基本相同，泥漿排量25 L/s，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為45 r/min，指重表鉆壓顯示12～13 t（120～130 kN）。固定沖擊器下接頭，逐漸施加鉆壓，使導向塊與下接頭之間接觸，開泵循環(huán)鉆井液，液動沖擊器立即出現(xiàn)高頻軸向振動，測試結(jié)果表明沖擊器各項工作指標正常，可入井作業(yè)。同時，鉆井液固相含量也是制約沖擊器使用壽命的重要因素，固相含量過大，會由于泥漿中砂、巖屑等對射流原件的沖蝕導致其加速失效，影響液動沖擊器使用壽命［10-11］。本次試驗采用三級固控系統(tǒng)，確保泥漿中固相含量滿足試驗需求。

圖3 液動沖擊器井口性能測試Fig.3 Performance test of the jet?type fluid hammer at the wellhead

射流式液動沖擊器初始試驗井深為821.6 m，鉆進至905.1 m起鉆，進尺83.5 m，工具入井工作時間93.1 h，其中純鉆時間77.9 h，平均機械鉆速1.1 m/h，整個鉆進過程地層未發(fā)生改變，井壁無坍塌掉塊等復雜事故發(fā)生。試驗結(jié)束后，將液動沖擊器提鉆至井口，經(jīng)測試其仍可繼續(xù)工作。通過對牙輪鉆頭入井前后進行測量分析，發(fā)現(xiàn)其切削齒和保徑齒均磨損嚴重，已達到使用壽命，無法繼續(xù)使用，如圖4所示。

圖4 牙輪鉆頭試驗前后對比Fig.4 Comparison of tri?cone bits before and after testing

通過對本次試驗中的工藝參數(shù)進行整理分析（見表3），為下次采用射流式液動沖擊器進行硬巖地層提速鉆進提供了技術(shù)依據(jù)。

表3 射流式液動沖擊器試驗工藝參數(shù)Table 3 Test process parameters of the jet?type fluid hammer

2.2 試驗結(jié)果分析

通過對試驗數(shù)據(jù)進行整理分析，沖擊器試驗過程中鉆進時間與有效進尺的對應(yīng)關(guān)系如圖5所示。由圖5可以得出，液動沖擊器井下提速作業(yè)中，前50 h提速效果基本穩(wěn)定，此后提速效果逐漸降低，77.9 h后提鉆結(jié)束作業(yè)。針對射流式液動沖擊器的提速效果，本文根據(jù)試驗井段上部同樣地層條件下常規(guī)普鉆的平均機械鉆速，模擬預測出常規(guī)普鉆在同等條件下的進尺規(guī)律。通過對比分析，在相同進尺條件下，采用液動沖擊器提速鉆進比常規(guī)普鉆節(jié)省了約27 h，占整個鉆進時間的35%，大幅縮減了鉆井周期，有效節(jié)省了鉆探成本［12-16］。

圖5 液動沖擊器純鉆時間與試驗進尺的對應(yīng)關(guān)系Fig.5 Net dr illing time vs test footage of the jet?type fluid hammer

通過對液動沖擊器整個試驗過程中的純鉆時間、有效進尺等鉆進參數(shù)進行分析，研究同等地層條件下上回次常規(guī)普鉆的機械鉆速，揭示了射流式液動沖擊器鉆進與常規(guī)普鉆二者機械鉆速隨鉆進時間的變化規(guī)律，如圖6所示。

圖6 沖擊器機械鉆速隨鉆進時間的變化規(guī)律Fig.6 Var iation pattern of ROP vs dr illing time of the jet?type fluid hammer

由圖6可以得出，二者的機械鉆速均會隨鉆進時間持續(xù)增加而逐漸降低，導致該現(xiàn)象的原因中除鉆頭磨損嚴重這一主要因素外，還包括密封件失效、鉆井液沖腐產(chǎn)生的工作零件壽命降低等因素［13］。同時，可以看出液動沖擊器提速鉆進的機械鉆速整體高于常規(guī)普鉆的機械鉆速。為了更直觀地對比液動沖擊器與常規(guī)普鉆的機械鉆速，本文對二者的平均機械鉆速進行分析計算得出，射流式液動沖擊器的平均機械鉆速為1.1 m/h，常規(guī)普鉆的平均機械鉆速為0.8 m/h，鉆進效率提高了37%，大幅提高了硬巖地層的鉆進效率。

針對上述試驗結(jié)果，本文還在相鄰井位同等地層條件下進行了同規(guī)格液動沖擊器提速鉆進應(yīng)用，對試驗結(jié)果進行了有效驗證，并將2次液動沖擊器的試驗結(jié)果進行了對比分析，結(jié)果如表4所示。試驗結(jié)果表明，液動沖擊器提速鉆進比常規(guī)普鉆的鉆進效率均提高了30%以上，提升了野外鉆探效率，縮短了施工作業(yè)周期，節(jié)省了鉆探綜合成本［17］。

表4 ZK 01-2井與相鄰井位沖擊器提速試驗結(jié)果對比Table 4 Comparison of speed?up test results between ZK 01-2 well and the adjacent well

射流式液動沖擊器在高頻沖擊過程中，具有輔助防斜作用。本文對沖擊器試驗井段與試驗前井段進行了測斜數(shù)據(jù)對比，試驗前后井斜角基本保持不變［18］。

3 結(jié)論及建議

（1）結(jié)合鉆探現(xiàn)場設(shè)備條件及實際工況，根據(jù)沖擊器自身工作技術(shù)要求，對射流式液動沖擊器的鉆進工藝參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計，保證了沖擊器正常使用壽命，減少了施工中起下鉆次數(shù)，節(jié)約了鉆進過程的時間成本。

（2）針對致密性硬巖地層，通過采用射流式液動沖擊器搭配牙輪鉆頭進行多次試驗，結(jié)果表明該鉆具組合可有效減少鉆頭磨損，提高鉆頭破巖能力，鉆進效率較常規(guī)普鉆提高了30%以上，大幅縮減了鉆探周期及綜合成本。

（3）基于鉆進過程中泥漿對射流元件的沖蝕效應(yīng)，泥漿中固相含量須控制在0.3%以內(nèi)，采用交流變頻泥漿泵可根據(jù)實際鉆遇地層情況對射流沖擊器的工藝參數(shù)進行實時調(diào)節(jié)，提高沖擊器的鉆進效率和使用壽命。

（4）基于液動沖擊器是在鉆頭上施加高頻軸向載荷，筆者建議其可與螺桿鉆具搭配使用，進一步驗證液動沖擊器在高轉(zhuǎn)速工況下的鉆進效率及其工作的穩(wěn)定性［19］。