宋泓鋼
(中國石化西北油田分公司監(jiān)督中心,新疆輪臺(tái) 841600)
旋沖鉆井技術(shù)原理:在鉆頭上部增加一個(gè)液動(dòng)沖擊器,鉆進(jìn)過程中,鉆頭在一定鉆壓下隨鉆柱旋轉(zhuǎn),同時(shí)還受到來自沖擊器的脈動(dòng)沖擊,并在鉆壓、旋轉(zhuǎn)和脈動(dòng)沖擊下聯(lián)合作用破碎巖石[1-6]。這種脈動(dòng)沖擊是一種加載速度很快的動(dòng)載荷,其明顯特征是作用時(shí)間短,可使鉆頭齒下巖石在外載作用下的接觸應(yīng)力瞬時(shí)達(dá)到很高值,這種沖擊力有利于巖石形成微裂隙并擴(kuò)展而形成“體積破碎”穴,從而提高破巖鉆進(jìn)效率,縮短鉆井周期,降低鉆井成本[7-10]。旋沖鉆井具有提高硬巖地層鉆進(jìn)效率、提高鉆壓傳遞效率等優(yōu)點(diǎn)[11-13],同時(shí)該項(xiàng)技術(shù)還具有預(yù)防井斜的功能,特別是對(duì)有地層傾角的巖層,能保證良好的井身質(zhì)量。
旋沖鉆井破碎巖石是鉆頭在常規(guī)鉆壓和扭矩作用的同時(shí),通過沖擊器施加一定頻率的沖擊載荷。巖石受到由鉆壓產(chǎn)生的力、沖擊產(chǎn)生的間斷沖擊動(dòng)載以及鉆頭旋轉(zhuǎn)扭矩產(chǎn)生的水平推力的共同作用(見圖1)。
圖1 旋沖破巖機(jī)理示意圖
使用該技術(shù)在深井超深井硬地層較傳統(tǒng)鉆井方式提高鉆進(jìn)效率30%~70%,降低鉆進(jìn)成本20%~30%。液動(dòng)沖擊器配合牙輪、PDC 鉆頭使用,也可用于直井、水平井及定向井提速。與氣動(dòng)旋沖鉆井技術(shù)對(duì)比,不需要空壓機(jī)等額外的輔助設(shè)備,降低生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率,沒有噪聲和空氣污染,有利于環(huán)保。解決了氣動(dòng)旋沖鉆井不適用于深井、超深井及出水地層鉆井提速難題。
液動(dòng)旋沖鉆井技術(shù)的核心工具是液動(dòng)沖擊器,液動(dòng)沖擊器通常分為有閥式和無閥式兩大類[14],其中,有閥式分為正作用、反作用和雙作用三種,無閥式包括射流式液動(dòng)沖擊器、射吸式液動(dòng)沖擊器兩種,目前國內(nèi)外許多企業(yè)和科研單位都在進(jìn)行液動(dòng)沖擊器的研究,并取得了良好效果[14]。下面根據(jù)上述各類型液動(dòng)沖擊器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行簡單介紹。
正作用液動(dòng)沖擊器的活塞-沖錘加速和沖擊砧子的動(dòng)作依靠水流能量實(shí)現(xiàn),而活塞返回初始狀態(tài)則靠壓縮彈簧儲(chǔ)存的能量。這種沖擊器結(jié)構(gòu)簡單(見圖2),技術(shù)成熟,工作性能穩(wěn)定,對(duì)環(huán)境(巖層、孔深、沖洗介質(zhì)、設(shè)備等)適應(yīng)能力強(qiáng),操作調(diào)試方便,因此深受施工現(xiàn)場的歡迎,然而回動(dòng)彈簧的反作用力會(huì)抵消相當(dāng)大的沖擊力,同時(shí)存在彈簧在高頻沖擊作用下壽命短,適用于淺層硬脆性巖石,如花崗巖、砂巖、玄武巖等,在彈塑性巖石中效果不好。得到成功應(yīng)用的包括蘇聯(lián)的г-5A,г-7,г-8,г-9 型正作用液動(dòng)沖擊器,獲得了較好的經(jīng)濟(jì)效益,我國設(shè)計(jì)研發(fā)的YZ 系列、ZF 系列、ZG 系列也均取得了良好效果[15]。
圖2 正作用液動(dòng)沖擊器
反作用液動(dòng)沖擊器又稱為儲(chǔ)能式?jīng)_擊器(見圖3),與正作用液動(dòng)沖擊器相反,其活塞-沖錘加速和沖擊砧子作用取決于活塞-沖錘質(zhì)量和彈簧的壓縮能量,而活塞-沖錘上升-復(fù)位動(dòng)作靠水力沖擊作用。這類沖擊器靠壓縮彈簧釋放的能量和沖錘自重同時(shí)作用,故可獲得較大的單次沖擊功,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,易損件較多,彈簧工作壽命短,為使沖錘快速上移,需要消耗大量泵量,因此在實(shí)際工程中應(yīng)用較少。得到應(yīng)用的包括蘇聯(lián)研制的гBMC-5M 型、我國研制的79-3 型。
圖3 反作用液動(dòng)沖擊器
雙作用液動(dòng)沖擊器活塞-沖錘沖程與回程均由液體壓力作用完成(見圖4),不依賴彈簧作用,此類沖擊器采用差動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式,所以設(shè)計(jì)有既能滑動(dòng)又能隔壓的密封件,從理論上講,該沖擊器液流利用率較高[13]。目前國內(nèi)外對(duì)雙作用液動(dòng)沖擊器研究較為深入,并逐漸改善其工作面性能,美國泛美石油公司研制的閥式雙作用液動(dòng)沖擊器,在2 400 m 內(nèi)井段進(jìn)行試驗(yàn),單次沖擊功達(dá)794 J,在石灰?guī)r中鉆進(jìn)效率提高96%~350%;美國Smith Tool 公司研制雙作用液動(dòng)沖擊器沖錘質(zhì)量大,獲得了1 000 J 以上的單次沖擊功;我國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所研發(fā)的YZX 系列復(fù)合式雙作用液動(dòng)沖擊器,在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,減少密封副,有效降低了運(yùn)動(dòng)件的卡阻幾率,取消了固定式節(jié)流環(huán),減少擊砧時(shí)的水墊作用,可自由調(diào)節(jié)沖錘行程,沖擊功大,能量利用率達(dá)10%以上,工作穩(wěn)定。在大陸科學(xué)鉆探工程-CCSD1井施工中,YZX127 液動(dòng)沖擊器平均鉆進(jìn)效率1.32 m/h,最高達(dá)2.46 m/h,比純回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)提高近一倍,同時(shí)巖心采取率達(dá)90%以上。
圖4 雙作用液動(dòng)沖擊器
射吸式液動(dòng)沖擊器利用高壓液流噴射時(shí)的卷吸作用使活塞-沖錘的上下腔產(chǎn)生交變壓力差推動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)(見圖5)。射吸式液動(dòng)沖擊器結(jié)構(gòu)簡單由工作液流的體積壓力推動(dòng)沖錘做功,流量大沖錘輸出的能量則大,當(dāng)流量穩(wěn)定時(shí),頻率和沖擊功也很穩(wěn)定,能量利用率高,工作壽命長。在塔里木工程現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明,相比于常規(guī)鉆具可提速133%。
圖5 射吸式液動(dòng)沖擊器
射流式液動(dòng)沖擊器是我國自主研發(fā)的液動(dòng)沖擊器(見圖6),具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán),因其采用無運(yùn)動(dòng)件的射流原件為控制件,故與國內(nèi)外各類液動(dòng)沖擊器相比,結(jié)構(gòu)簡單,工作可靠,無彈簧、活閥等易損件,鉆頭壽命更長,具有較高的能量利用率[10]。與同類技術(shù)對(duì)比,在提高效率、降低成本、節(jié)能減排、改善性能、提升品質(zhì)等方面具有明顯技術(shù)優(yōu)勢:與液動(dòng)閥式?jīng)_擊器對(duì)比,其結(jié)構(gòu)中沒有閥和彈簧等易損件,質(zhì)量穩(wěn)定,井下安全,在任何情況下不存在憋壓現(xiàn)象,其性能參數(shù)(沖擊功、沖擊頻率)可調(diào)范圍大,硬地層提速提效更為顯著。
圖6 射流式液動(dòng)沖擊器
(1)適用范圍廣。已在國內(nèi)開展工業(yè)化應(yīng)用,取得良好的提速提效效果。首先,不受圍壓影響,可用于深井、超深井硬地層提速,應(yīng)用井深達(dá)7 000 m;其次,實(shí)現(xiàn)了系列化,可配合不同類型鉆頭使用,適用不同井徑、井型,在直井、定向井及水平井。同時(shí)延長鉆頭壽命,減少井下復(fù)雜時(shí)間,防斜打快,保證井身質(zhì)量。
(2)除活塞、沖錘外,無其他運(yùn)動(dòng)零件,沒有彈簧等易損件,工作可靠,運(yùn)動(dòng)副(活塞與缸體)采用金屬密封,表面采用激光涂覆處理技術(shù),適用溫度達(dá)260 ℃。一方面,突破了工作壽命短的技術(shù)瓶頸,井下最長工作壽命達(dá)273 h。另一方面可用于高溫、高壓等復(fù)雜工況條件。
(3)沖錘行程和錘重可調(diào),可實(shí)現(xiàn)軸向大功率旋轉(zhuǎn)沖擊破巖,最大沖擊功可達(dá)1 000 J 以上,是同類提速工具1.5 倍,可破碎最堅(jiān)硬巖石。其性能參數(shù)可調(diào),可根據(jù)地層巖性和井況要求進(jìn)行調(diào)整,做到了依據(jù)不同巖層科學(xué)的強(qiáng)化鉆井參數(shù),進(jìn)而取得最優(yōu)的提速效果。因?yàn)榭s短鉆井周期,節(jié)約了大量的泥漿及各種有機(jī)化學(xué)處理劑,有利于節(jié)能減排。
旋沖鉆井技術(shù)是在常規(guī)鉆井基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)鉆井新技術(shù),液動(dòng)沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)的設(shè)想始于歐洲,1867-1887 年相繼出現(xiàn)了液動(dòng)沖擊鉆井工具。美國、德國、俄羅斯、澳大利亞、匈牙利等國家都有較深入的研究和少量的入井試驗(yàn)。將該技術(shù)用于油氣鉆井和卡鉆事故的處理,但至今未能得到普及應(yīng)用。國外液動(dòng)沖擊器以閥式為主,主要有閥式正作用、反作用和雙作用幾種類型。
進(jìn)入20 世紀(jì)90 年代,隨著高難度油氣藏的勘探開發(fā)所占的比例越來越大。深井中遇到堅(jiān)硬地層用常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法破巖效果差,鉆進(jìn)效率低,井斜問題也日益突出,鉆井成本增加;在水平井和大位移井鉆井中,隨著水平位移的增加,水平井段的加壓越來越困難,鉆井工具的損壞也不斷增加。因此,國內(nèi)外投入大量人力物力對(duì)用液動(dòng)沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)來進(jìn)行研究,目的是解決這些鉆井難題。
我國自20 世紀(jì)70 年代以來,在地礦系統(tǒng)固體礦鉆井中開始研究該技術(shù),到20 世紀(jì)80 年代該技術(shù)進(jìn)入初步推廣應(yīng)用階段,被列為原地礦部三大重要鉆探技術(shù)之一。20 世紀(jì)90 年代該技術(shù)被引用到油氣鉆井領(lǐng)域。國土資源勘探技術(shù)研究所研制的YZX-127 型閥式雙作用沖擊器在科學(xué)鉆探得到了成功的應(yīng)用,入井深度達(dá)5 000 m。大慶油田石油鉆井研究所研制的XC型閥式雙作用沖擊器、中國石油大學(xué)研制的SYZJ 型閥式雙作用沖擊器、長慶石油管理局鉆采研究院研制的閥式液動(dòng)沖擊器、西安石油大學(xué)研制的射吸式雙作用沖擊器目前處于試驗(yàn)階段。
自1995 年以來,LKAB Wassara 所生產(chǎn)的高能水力潛孔沖擊器已經(jīng)完成了25 000 000 m 的鉆進(jìn)工作量[11],應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了采礦工程、地下工程、水利工程、地?zé)徙@井以及油氣鉆井等。Wassara 水力潛孔沖擊器直接安裝在鉆頭頂部,采用高達(dá)18 MPa 壓力的清水進(jìn)行驅(qū)動(dòng)[16]。Wassara 水力潛孔沖擊器基本原理圖(見圖7),高壓清水通過左側(cè)中心通道進(jìn)入沖擊器內(nèi)部,驅(qū)動(dòng)控制閥往復(fù)運(yùn)動(dòng),與此同時(shí)伴隨著流體交替進(jìn)入活塞的不同工作腔體,控制活塞進(jìn)行往復(fù)沖擊運(yùn)動(dòng)。該沖擊器具有與同規(guī)格高風(fēng)壓氣動(dòng)潛孔錘相當(dāng)?shù)膯未螞_擊功,沖擊末速度可達(dá)8~10 m/s,沖擊頻率為3 900 次/分鐘左右(氣動(dòng)潛孔錘兩倍以上),大沖擊功,高沖擊頻率使該沖擊器的碎巖效率為氣動(dòng)潛孔錘的2 倍左右[17]。
圖7 Wassara 水力潛孔沖擊器原理圖
YZX 高能液動(dòng)錘是一種閥式雙作用液動(dòng)錘,由于采用容積式工作原理且沒有常規(guī)雙作用沖擊器的節(jié)流環(huán)結(jié)構(gòu),因此,該液動(dòng)錘具有較高的能量利用效率,可達(dá)10%以上,并且可以應(yīng)用于深井與超深井鉆進(jìn)[18]。YZX 系列液動(dòng)錘,配合使用硬質(zhì)合金球齒鉆頭,在VII~VIII 級(jí)花崗巖鉆進(jìn)中取得了良好的效果,但仍無法達(dá)到與氣動(dòng)潛孔錘相當(dāng)?shù)你@進(jìn)效率。
吉林大學(xué)針對(duì)目前硬巖地層特別是干熱巖地層,由于巖石研磨性強(qiáng),可鉆性差,常規(guī)鉆進(jìn)方法鉆進(jìn)速度慢,鉆井成本高的問題,研發(fā)了SC-86H 型大功率液動(dòng)沖擊器(見圖8)。該潛孔錘通過射流元件來實(shí)現(xiàn)液流的切換控制,相比閥式潛孔錘具有更長的使用壽命。孫強(qiáng)等使用SC-86H 型大功率液動(dòng)沖擊器進(jìn)行了地面鉆進(jìn)試驗(yàn),在鉆進(jìn)可鉆性等級(jí)為10 級(jí)的完整花崗巖時(shí),達(dá)到的最大機(jī)械鉆速為5.19 m/h,相比常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)效率顯著提升[19]。SC-86H 型大功率液動(dòng)沖擊器在河南趙固一礦進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn),鉆進(jìn)地層為煤層中質(zhì)地堅(jiān)硬的灰?guī)r地層,實(shí)測的灰?guī)r抗壓強(qiáng)度大,采用PDC 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)進(jìn)尺困難。在使用大功率液動(dòng)沖擊器鉆進(jìn)時(shí),鉆進(jìn)效率較常規(guī)PDC 鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)提高了3 倍,節(jié)約了鉆進(jìn)成本[20]。
圖8 高能射流式液動(dòng)沖擊器
中國石化石油工程技術(shù)研究院承擔(dān)了國家863“高效破巖沖擊器的研制及旋沖破巖工藝技術(shù)研究”。通過研究和應(yīng)用,液動(dòng)射流沖擊器的井下工作壽命和破巖效率有了明顯的提高。形成了液動(dòng)射流沖擊器的工作理論,建立了油氣井液動(dòng)射流沖擊器的設(shè)計(jì)及制造工藝技術(shù)方法?;谏淞鞲奖诶碚摚ㄟ^CFD 模擬計(jì)算值及PIV 粒子成像測速技術(shù)試驗(yàn),成功研制出雙穩(wěn)射流元件,形成了液動(dòng)射流沖擊器的工作理論;發(fā)明了液動(dòng)射流沖擊器密封及頂緊機(jī)構(gòu),解決了核心部件射流元件沖蝕及斷裂的難題,射流元件使用壽命實(shí)現(xiàn)了革命性跨越;發(fā)明了液動(dòng)射流沖擊器的一體化非橡膠密封鑄造缸體儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)、防空打機(jī)構(gòu)、分流機(jī)構(gòu)及防脫機(jī)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)副金屬密封設(shè)計(jì),引進(jìn)了激光涂覆表面硬化技術(shù),建立了油氣井液動(dòng)射流沖擊器的設(shè)計(jì)及制造工藝技術(shù)方法,實(shí)現(xiàn)了液動(dòng)射流沖擊器整體工作壽命的突破。突破了深井、超深井高溫、高壓、高沖蝕等工況條件下工具壽命短、功率低、安全性差等技術(shù)瓶頸,形成了油氣井復(fù)雜工況系列(Φ120 mm、Φ127 mm、Φ170 mm、Φ178 mm、Φ203 mm、Φ215 mm、Φ228 mm)液動(dòng)射流沖擊器產(chǎn)品。射流式液動(dòng)沖擊器應(yīng)用領(lǐng)域不斷升級(jí)拓寬[21]。從單一井徑(Φ215.9 mm)提速拓展到全井尺寸提速;從配合牙輪鉆頭提速拓展到配合PDC 鉆頭提速[22];從深井、超深井石油鉆井提速拓展到頁巖氣勘探開發(fā)鉆井提速;應(yīng)用井型從直井拓展到水平井[23]。形成了系列液動(dòng)射流沖擊器旋沖鉆井提速技術(shù)(牙輪鉆頭+射流沖擊器、PDC+射流沖擊器、PDC+射流沖擊器+動(dòng)力工具)。目前,系列射流式?jīng)_擊器在國內(nèi)外工業(yè)化應(yīng)用260 余井次,平均機(jī)械鉆速提高41.3%,平均工作壽命在120 h 以上。創(chuàng)下應(yīng)用井深最深(7 000 m),純鉆時(shí)間最長(273 h),單次進(jìn)尺最多(1 050 m),適用泥漿密度最高(2.2 g/m3),耐溫260 ℃等多項(xiàng)紀(jì)錄。通過應(yīng)用形成了一套成熟的旋沖鉆井工藝。
經(jīng)過100 多年的發(fā)展,人們對(duì)液動(dòng)旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井的碎巖機(jī)理和特性認(rèn)識(shí)不斷加深,為工具的優(yōu)化和合理應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ);液動(dòng)旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具結(jié)構(gòu)類型相對(duì)趨于穩(wěn)定,目前國內(nèi)油氣鉆井領(lǐng)域得到較多應(yīng)用、效果較好的是射流式液動(dòng)沖擊器,從最初配牙輪鉆頭進(jìn)行垂直鉆井,到配PDC 鉆頭和進(jìn)行水平鉆井,應(yīng)用深度日益加深,最深已達(dá)到7 000 m;各種類型的液動(dòng)旋沖鉆井工具,各有特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn),結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)還在不斷發(fā)展和完善之中,未來還將呈現(xiàn)互相競爭的態(tài)勢;大功率液動(dòng)沖擊器已得到初步研究發(fā)展和個(gè)別工程驗(yàn)證,未來為解決深部硬巖鉆井難題,將進(jìn)一步得到深入研究和逐步推廣應(yīng)用。應(yīng)用的領(lǐng)域不斷拓寬,涉及到礦產(chǎn)勘查、水文地質(zhì)工程、巖心鉆探、巖土工程、干熱巖地?zé)豳Y源開發(fā)、極地勘察及可燃冰開采等領(lǐng)域,為國內(nèi)外非常規(guī)能源勘探開發(fā)鉆井提速提供了一種新的技術(shù)手段。
目前,液動(dòng)旋沖鉆井工具多是同PDC 鉆頭或牙輪鉆頭配合使用,鉆進(jìn)時(shí)的單次沖擊功較小,多是回轉(zhuǎn)碎巖為主,沖擊碎巖為輔。在鉆進(jìn)可鉆性差的硬巖地層時(shí),鉆進(jìn)效率相比常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式提升較小。在鉆進(jìn)研磨性強(qiáng)、可鉆性差的硬巖地層時(shí),應(yīng)使用單次沖擊功大的鉆井工具,實(shí)現(xiàn)體積破碎,以增大硬巖地層鉆進(jìn)效率。現(xiàn)有液動(dòng)沖擊鉆井工具不能提供足夠的沖擊能量,對(duì)上述堅(jiān)硬地層提速效果有限。研發(fā)廣譜型大功率液動(dòng)沖擊器及配套技術(shù),同時(shí)研制大功率液動(dòng)沖擊器配套鉆頭,為上述堅(jiān)硬地層鉆井提速提供一種新的技術(shù)手段。
隨著能源開發(fā)及科學(xué)鉆探領(lǐng)域快速發(fā)展,陸地深井超深井鉆井、深水海洋鉆井、頁巖油/氣開采、干熱巖地?zé)豳Y源開發(fā)、大陸科學(xué)鉆探、極地勘察等鉆井工作量日益增加,井深不斷加深,鉆遇地層更加古老,巖石可鉆性差,高溫、高壓、高密度、高腐蝕等復(fù)雜工況條件日趨增加。傳統(tǒng)的鉆進(jìn)破巖方式,在遇到硬巖層時(shí),鉆進(jìn)效率很低,施工周期長,鉆進(jìn)成本高。液動(dòng)沖擊器旋沖鉆井技術(shù)是提高硬地層機(jī)械鉆速的“利器”,逐漸受到重視,將進(jìn)入突飛猛進(jìn)的發(fā)展階段。
(1)液動(dòng)沖擊器旋沖鉆井技術(shù)解決了深井、超深井硬地層提速的難題。采用該技術(shù),不需要額外配備設(shè)備,井下鉆具組合中增加液動(dòng)沖擊器即可,使用方便,井下安全可靠。
(2)與氣動(dòng)旋沖鉆井技術(shù)對(duì)比,不需要空壓機(jī)等額外的輔助設(shè)備,降低生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率,沒有噪聲和空氣污染,有利于環(huán)保。解決了氣動(dòng)旋沖鉆井不適用于深井、超深井及出水地層。
(3)液動(dòng)沖擊器旋沖鉆井技術(shù)實(shí)施大幅度縮短了鉆井周期,降低了鉆井成本,在深井超深井硬地層較傳統(tǒng)鉆井方式提高鉆進(jìn)效率30%~70%,降低鉆進(jìn)成本20%~30%。為深井、超深井復(fù)雜工況條件下鉆井提速提供技術(shù)支持。
(4)液動(dòng)沖擊器旋沖鉆井技術(shù)不僅為深井超深井、油氣海洋鉆井、大陸科學(xué)鉆探及頁巖氣開發(fā)提供了有力鉆井提速技術(shù)保障,而且對(duì)于促進(jìn)干熱巖開發(fā)及可燃冰等新能源的開采技術(shù)進(jìn)步具有重要意義。