射流式液動(dòng)沖擊器在ZK01-2井提速應(yīng)用研究

郭 強(qiáng)，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(guó)地質(zhì)科學(xué)院，北京100037；3.河北省煤田地質(zhì)局第四地質(zhì)隊(duì)，河北 張家口075100）

0 引言

深部地?zé)豳Y源鉆探開(kāi)采中，常會(huì)遇到巖石硬度高、可鉆性差、研磨性強(qiáng)的致密花崗巖地層，這些地層的不利因素往往會(huì)造成鉆頭磨損嚴(yán)重、機(jī)械鉆速緩慢、鉆具消耗加劇等系列問(wèn)題，從而導(dǎo)致鉆井作業(yè)周期長(zhǎng)，鉆探綜合成本大幅提高。目前，為提高機(jī)械鉆速多采用螺桿鉆具搭配牙輪鉆頭對(duì)硬巖地層進(jìn)行快速研磨，從而達(dá)到提速鉆進(jìn)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(shí)，這也會(huì)導(dǎo)致鉆探施工現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)沖擊器的應(yīng)用得到普及。液動(dòng)沖擊器是利用高壓鉆井液推動(dòng)活塞沖錘上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(dòng)力鉆具可有效改善上述缺陷，實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)［3］。為縮短鉆探周期，節(jié)約鉆井成本，實(shí)現(xiàn)硬巖地層提速鉆進(jìn)，本文論述了采用射流式液動(dòng)沖擊器在致密花崗巖硬巖地層進(jìn)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(dòng)沖擊器是以泥漿或清水等流體為介質(zhì)，通過(guò)射流原件在腔體內(nèi)形成通道交替變化的高壓射流，推動(dòng)活塞上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(dòng)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(dǎo)向塊及下接頭等部分，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作性能穩(wěn)定、便于現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)等特點(diǎn)。此外，該工具在井下發(fā)生故障停機(jī)時(shí)，沖洗液通道依然通暢，可轉(zhuǎn)換為常規(guī)普鉆繼續(xù)鉆進(jìn)，不會(huì)造成井下事故而影響正常施工進(jìn)度［5］。

圖1 射流式液動(dòng)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(dòng)沖擊器上、下接頭分別與鉆鋌和鉆頭連接，井口測(cè)試完成后，入井作業(yè)。在距井底2～3 m時(shí)循環(huán)鉆井液，沖擊器接觸井底開(kāi)始工作。沖擊器在工作過(guò)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(jìn)出，從而推動(dòng)活塞上下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)沖錘對(duì)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(shí)現(xiàn)復(fù)合破巖，提高鉆探現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)效率。這種旋轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)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(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)“張家口地區(qū)地?zé)豳Y源調(diào)查評(píng)價(jià)”項(xiàng)目ZK01-2井鉆探現(xiàn)場(chǎng)施工條件，試驗(yàn)地層為致密性花崗巖，硬度高，可鉆性差。試驗(yàn)井段井徑為216 mm，井壁較完整，無(wú)破損掉塊現(xiàn)象。本次試驗(yàn)采用? 172 mm射流式液動(dòng)沖擊器搭配?216 mm三牙輪鉆頭進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)提速應(yīng)用。根據(jù)鉆探現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備負(fù)載能力及射流式液動(dòng)沖擊器作業(yè)參數(shù)要求，本文設(shè)計(jì)了沖擊器的試驗(yàn)工藝參數(shù)如表1所示。

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

ZK01-2井是一口地?zé)崽讲芍本O(shè)計(jì)井深1500 m。由于試驗(yàn)地層為二長(zhǎng)花崗巖，中細(xì)?；◢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(duì)二長(zhǎng)花崗巖硬度高且耐磨性強(qiáng)等特點(diǎn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)采用?216 mm圓齒三牙輪鉆頭搭配沖擊器進(jìn)行試驗(yàn)，巖石相關(guān)力學(xué)特性如表2所示［7］。

圖2 二長(zhǎng)花崗巖斷面Fig.2 Rupture surfaceof Monzogranite

表2 二長(zhǎng)花崗巖力學(xué)特性Table 2 Mechanical properties of Monzogranite

2.1 提速試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)地層巖石特性及牙輪鉆頭的耐磨性能，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)泥漿泵壓力、排量及轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速等實(shí)際工況，同時(shí)考慮沖擊器工作技術(shù)要求，對(duì)液動(dòng)沖擊器的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。依據(jù)液動(dòng)沖擊器的現(xiàn)場(chǎng)施工提速方案，為滿(mǎn)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(yàn)采用如下井下鉆具組合：?216 mm牙輪鉆頭+?172 mm射流式液動(dòng)沖擊器+?212 mm球形扶正器+常規(guī)鉆具［8-9］。

液動(dòng)沖擊器入井前，需在井口測(cè)試其性能參數(shù)，使其滿(mǎn)足井下正常工作需求，如圖3所示。射流式液動(dòng)沖擊器井口測(cè)試過(guò)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(pán)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(dǎo)向塊與下接頭之間接觸，開(kāi)泵循環(huán)鉆井液，液動(dòng)沖擊器立即出現(xiàn)高頻軸向振動(dòng)，測(cè)試結(jié)果表明沖擊器各項(xiàng)工作指標(biāo)正常，可入井作業(yè)。同時(shí)，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(guò)大，會(huì)由于泥漿中砂、巖屑等對(duì)射流原件的沖蝕導(dǎo)致其加速失效，影響液動(dòng)沖擊器使用壽命［10-11］。本次試驗(yàn)采用三級(jí)固控系統(tǒng)，確保泥漿中固相含量滿(mǎn)足試驗(yàn)需求。

圖3 液動(dòng)沖擊器井口性能測(cè)試Fig.3 Performance test of the jet?type fluid hammer at the wellhead

射流式液動(dòng)沖擊器初始試驗(yàn)井深為821.6 m，鉆進(jìn)至905.1 m起鉆，進(jìn)尺83.5 m，工具入井工作時(shí)間93.1 h，其中純鉆時(shí)間77.9 h，平均機(jī)械鉆速1.1 m/h，整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程地層未發(fā)生改變，井壁無(wú)坍塌掉塊等復(fù)雜事故發(fā)生。試驗(yàn)結(jié)束后，將液動(dòng)沖擊器提鉆至井口，經(jīng)測(cè)試其仍可繼續(xù)工作。通過(guò)對(duì)牙輪鉆頭入井前后進(jìn)行測(cè)量分析，發(fā)現(xiàn)其切削齒和保徑齒均磨損嚴(yán)重，已達(dá)到使用壽命，無(wú)法繼續(xù)使用，如圖4所示。

圖4 牙輪鉆頭試驗(yàn)前后對(duì)比Fig.4 Comparison of tri?cone bits before and after testing

通過(guò)對(duì)本次試驗(yàn)中的工藝參數(shù)進(jìn)行整理分析（見(jiàn)表3），為下次采用射流式液動(dòng)沖擊器進(jìn)行硬巖地層提速鉆進(jìn)提供了技術(shù)依據(jù)。

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

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，沖擊器試驗(yàn)過(guò)程中鉆進(jìn)時(shí)間與有效進(jìn)尺的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5所示。由圖5可以得出，液動(dòng)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(duì)射流式液動(dòng)沖擊器的提速效果，本文根據(jù)試驗(yàn)井段上部同樣地層條件下常規(guī)普鉆的平均機(jī)械鉆速，模擬預(yù)測(cè)出常規(guī)普鉆在同等條件下的進(jìn)尺規(guī)律。通過(guò)對(duì)比分析，在相同進(jìn)尺條件下，采用液動(dòng)沖擊器提速鉆進(jìn)比常規(guī)普鉆節(jié)省了約27 h，占整個(gè)鉆進(jìn)時(shí)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(dòng)沖擊器純鉆時(shí)間與試驗(yàn)進(jìn)尺的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.5 Net dr illing time vs test footage of the jet?type fluid hammer

通過(guò)對(duì)液動(dòng)沖擊器整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中的純鉆時(shí)間、有效進(jìn)尺等鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行分析，研究同等地層條件下上回次常規(guī)普鉆的機(jī)械鉆速，揭示了射流式液動(dòng)沖擊器鉆進(jìn)與常規(guī)普鉆二者機(jī)械鉆速隨鉆進(jìn)時(shí)間的變化規(guī)律，如圖6所示。

圖6 沖擊器機(jī)械鉆速隨鉆進(jìn)時(shí)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(jī)械鉆速均會(huì)隨鉆進(jìn)時(shí)間持續(xù)增加而逐漸降低，導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因中除鉆頭磨損嚴(yán)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(shí)，可以看出液動(dòng)沖擊器提速鉆進(jìn)的機(jī)械鉆速整體高于常規(guī)普鉆的機(jī)械鉆速。為了更直觀地對(duì)比液動(dòng)沖擊器與常規(guī)普鉆的機(jī)械鉆速，本文對(duì)二者的平均機(jī)械鉆速進(jìn)行分析計(jì)算得出，射流式液動(dòng)沖擊器的平均機(jī)械鉆速為1.1 m/h，常規(guī)普鉆的平均機(jī)械鉆速為0.8 m/h，鉆進(jìn)效率提高了37%，大幅提高了硬巖地層的鉆進(jìn)效率。

針對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果，本文還在相鄰井位同等地層條件下進(jìn)行了同規(guī)格液動(dòng)沖擊器提速鉆進(jìn)應(yīng)用，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了有效驗(yàn)證，并將2次液動(dòng)沖擊器的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果如表4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，液動(dòng)沖擊器提速鉆進(jìn)比常規(guī)普鉆的鉆進(jìn)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(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 4 Comparison of speed?up test results between ZK 01-2 well and the adjacent well

射流式液動(dòng)沖擊器在高頻沖擊過(guò)程中，具有輔助防斜作用。本文對(duì)沖擊器試驗(yàn)井段與試驗(yàn)前井段進(jìn)行了測(cè)斜數(shù)據(jù)對(duì)比，試驗(yàn)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(chǎng)設(shè)備條件及實(shí)際工況，根據(jù)沖擊器自身工作技術(shù)要求，對(duì)射流式液動(dòng)沖擊器的鉆進(jìn)工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jìn)過(guò)程的時(shí)間成本。

（2）針對(duì)致密性硬巖地層，通過(guò)采用射流式液動(dòng)沖擊器搭配牙輪鉆頭進(jìn)行多次試驗(yàn)，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(jìn)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(jìn)過(guò)程中泥漿對(duì)射流元件的沖蝕效應(yīng)，泥漿中固相含量須控制在0.3%以?xún)?nèi)，采用交流變頻泥漿泵可根據(jù)實(shí)際鉆遇地層情況對(duì)射流沖擊器的工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，提高沖擊器的鉆進(jìn)效率和使用壽命。

（4）基于液動(dòng)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(jìn)一步驗(yàn)證液動(dòng)沖擊器在高轉(zhuǎn)速工況下的鉆進(jìn)效率及其工作的穩(wěn)定性［19］。