多功能振蕩旋沖螺桿鉆具研制與應(yīng)用

王建龍，柳 鶴，于 琛，鄭 鋒，李亞鋒，劉 爍

（中國石油渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，天津 300280）

隨著油氣資源勘探開發(fā)力度不斷加大，深井、大位移井、水平井不斷增多，鉆井提速提效的需求更加迫切，尤其中深部地層機械鉆速低、定向效率低等問題凸顯[1-4]。中深部堅硬、軟硬交錯等難鉆地層，機械鉆速低；?311.2mm 及以上大尺寸井眼，近鉆頭托壓嚴重，定向困難；長水平段軌跡控制難度大。這些難題長期制約鉆井提速。為了解決這些難題，國內(nèi)外相繼研發(fā)了旋沖螺桿、扭力沖擊器、液動沖擊器、水力振蕩器等提速工具。但是，扭力沖擊器、多維沖擊器、脈沖射流工具等不具備井底動力功能，少數(shù)具有沖擊振動類螺桿鉆具產(chǎn)品，不具備脈沖振蕩和脈沖射流功能，無法滿足中深部鉆井綜合提速需求[5-8]。為此，針對硬地層提速、近鉆頭托壓、過平衡鉆井巖屑壓持效應(yīng)顯著的難題，自主創(chuàng)新研制了集轉(zhuǎn)速扭矩、沖擊振動、脈沖射流三種功能于一體的多功能振蕩旋沖螺桿鉆具，解決了系列提速難題，滿足了中深部鉆井提速需求，助力提升油氣資源勘探開發(fā)效益。

1 整體結(jié)構(gòu)及原理

螺桿鉆具是最常見的井下動力鉆具，螺桿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以通過鉆井液排量進行調(diào)節(jié)，具有性能穩(wěn)定、工作壽命長的特點[9-11]，通過傳動軸回轉(zhuǎn)給鉆頭輸出扭矩。在螺桿鉆具的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于螺桿動力的機械沖擊、脈沖振動、脈沖射流結(jié)構(gòu)，集成在螺桿鉆具上，形成一種集轉(zhuǎn)速扭矩、沖擊振動、脈沖射流于一體的多功能振蕩旋沖螺桿鉆具。

該工具主要由旁通閥總成、馬達總成、萬向軸總成、傳動軸總成、上脈沖振蕩機構(gòu)、下脈沖振蕩機構(gòu)和沖擊振動總成等7 部分組成（如圖1所示）。萬向軸總成主要作用是將馬達產(chǎn)生的扭矩和轉(zhuǎn)速向下傳遞給傳動軸，將馬達產(chǎn)生的行星運動轉(zhuǎn)變?yōu)閭鲃虞S的定軸轉(zhuǎn)動。傳動軸總成可將扭矩和轉(zhuǎn)速直接傳給鉆頭，同時將上部動力總成和下部沖擊振動總成連接起來，直接驅(qū)動沖擊振動總成工作產(chǎn)生沖擊振動能量。沖擊振動總成由凸輪機構(gòu)和滾輪組成，利用傳動軸的回轉(zhuǎn)運動，產(chǎn)生機械振動。

圖1 多功能振蕩旋沖螺桿鉆具結(jié)構(gòu)示意圖

該工具能夠?qū)崿F(xiàn)給鉆頭提供轉(zhuǎn)速扭矩、徑向擺動和軸向沖擊振動，同時產(chǎn)生脈沖射流。鉆井液流經(jīng)工具時，驅(qū)動馬達總成高速旋轉(zhuǎn)，帶頭鉆頭高速旋轉(zhuǎn)，給鉆頭提供轉(zhuǎn)速和扭矩；在馬達總成的帶動下，鉆井液流經(jīng)上、下脈沖振蕩機構(gòu)的流道產(chǎn)生周期性的截流變化，形成水擊脈沖效應(yīng)，帶動附近的鉆具產(chǎn)生徑向擺動，減緩近鉆頭處定向托壓問題，同時脈沖效應(yīng)經(jīng)鉆頭作用在井底，提高鉆頭水眼射流沖擊力，提高井底巖屑清洗效果，減少巖屑壓持效應(yīng)；在馬達總成的帶動下，沖擊振動總成產(chǎn)生軸向沖擊，直接作用在鉆頭上，提高近鉆頭破巖效率?？傊?，工具能夠產(chǎn)生徑向擺動，大大降低摩阻，緩解托壓，也能夠為鉆頭提供沖擊能量，提高破巖效率，還能為鉆頭提供脈沖射流，促進井底清潔，從而達到鉆井提速的目的。

目前，已研發(fā)形成了?127～?244mm四種規(guī)格的系列化工具，利用測試系統(tǒng)測試工具壓耗4.0～6.0MPa，工作頻率24.0～36.0Hz，振幅4.0～8.0mm，沖擊力5.0～25.0kN，耐溫150.0℃，具體性能參數(shù)如表1所示。

表1 多功能振蕩旋沖螺桿鉆具性能參數(shù)表

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

上脈沖振蕩機構(gòu)、下脈沖振蕩機構(gòu)和沖擊振動機構(gòu)為多功能振蕩旋沖螺桿鉆具的核心機構(gòu)，下面著重介紹3個機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計理念。

2.1 上脈沖振蕩機構(gòu)設(shè)計

脈沖振動是依靠流體壓力的變化而產(chǎn)生的，而流體壓力的變化主要是依靠過流通道的變化實現(xiàn)的。多功能振蕩旋沖螺桿鉆具是流體驅(qū)動馬達產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動，上脈沖振蕩機構(gòu)主要考慮利用馬達的回轉(zhuǎn)運動，帶動上脈沖振蕩機構(gòu)產(chǎn)生鉆井液過流通道的大小變化，進而產(chǎn)生周期性壓力脈沖變化，帶動附近鉆具產(chǎn)生擺動。

上脈沖振蕩機構(gòu)主要由固定環(huán)、節(jié)流環(huán)、撓軸組成，如圖2所示。撓軸在馬達的帶動下旋轉(zhuǎn)，帶動節(jié)流環(huán)相對于固定環(huán)轉(zhuǎn)動，過流通道發(fā)生間歇性地打開和關(guān)閉，過流面積發(fā)生周期性變化，產(chǎn)生壓力脈沖，在工具內(nèi)部產(chǎn)生水擊振動，帶動工具產(chǎn)生擺動，達到降低摩阻、緩解近鉆頭托壓的作用。

圖2 上脈沖振蕩機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 下脈沖振蕩機構(gòu)設(shè)計

下脈沖振蕩機構(gòu)的設(shè)計思路與上脈沖振蕩機構(gòu)設(shè)計思路一致，只是其上下連接部件不同，導致結(jié)構(gòu)設(shè)計有所差異。

下脈沖振蕩機構(gòu)主要由萬向軸、水槽、阻水筋、傳動軸組成，如圖3所示。馬達帶動萬向軸和水帽轉(zhuǎn)動，鉆井液通過萬向軸外部進入水帽流道流向鉆頭，水帽對應(yīng)外殼內(nèi)壁鑲嵌有硬質(zhì)合金阻水筋，水帽流道不斷被阻水筋阻擋，產(chǎn)生局部水擊效應(yīng)，形成水力脈沖引起工具振動。同時鉆井液通過水帽直接輸送給鉆頭，為鉆頭提供脈沖射流，促進井底清潔。水力脈沖頻率由水帽流道個數(shù)和阻水筋個數(shù)決定，頻率可調(diào)。

圖3 下脈沖振蕩機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 沖擊振動機構(gòu)設(shè)計

軸向沖擊振動是利用上部鉆具施加的鉆壓進行控制，沖擊振動機構(gòu)是考慮依靠馬達的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為周向沖擊振動，設(shè)計利用凸輪的結(jié)構(gòu)，改變馬達傳動軸總成的軸向運動位移的變化，在上部鉆具施加鉆壓的作用下產(chǎn)生軸向沖擊振動。

沖擊振動機構(gòu)主要由凸輪、滾輪、沖擊部件和上下傳動軸組成，如圖4所示。上下傳動軸在馬達和萬向軸的帶動下旋轉(zhuǎn)，凸輪跟隨傳動軸旋轉(zhuǎn)，滾輪受外管約束不動，二者發(fā)生相對運動，滾輪沿凹凸軌道運動，產(chǎn)生軸向沖擊振動，提高鉆頭破巖效率。沖擊力和沖擊頻率可依靠凸輪滾輪個數(shù)進行調(diào)整，同時也受馬達轉(zhuǎn)速影響。

圖4 沖擊振動機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

3 工具性能測試系統(tǒng)開發(fā)

多功能振蕩旋沖螺桿鉆具在井下作業(yè)時受力狀況復雜，且自身處于動態(tài)振動過程，僅靠地面靜態(tài)承壓實驗、拉扭試驗不足以滿足研發(fā)和測試需求。因此，綜合考慮測試平臺的采集功能、采樣頻率、測量精度等方面，開發(fā)了測試平臺，配套開發(fā)了多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

測試系統(tǒng)主要由試驗臺架、數(shù)據(jù)采集和存儲系統(tǒng)組成。其中，試驗臺架由夾持裝置、泵站、電機、電動調(diào)節(jié)閥、截止閥、管路、法蘭及附近；數(shù)據(jù)采集和存儲系統(tǒng)包括計算機、數(shù)據(jù)采集卡、傳感器（壓力、位移、流量、加速度、沖擊器傳感器）、電源、工具箱組成。能夠?qū)崿F(xiàn)對沖擊振動類鉆井提速工具的排量、壓力、振動頻率、振幅、加速度等參數(shù)進行測量。該套測試系統(tǒng)能夠采集16路信號，采樣頻率達到1000Hz，測量精度達到0.1%，具備實時采集和事后回放功能。如圖5所示。

圖5 測試系統(tǒng)及實驗結(jié)果示意圖

4 現(xiàn)場試驗

多功能振蕩旋沖螺桿鉆具在山西、蘇里格、冀東、大港、四川等地區(qū)現(xiàn)場試驗48口井，提速效果明顯，試驗井段相比鄰井平均機械鉆速提高35.6%。現(xiàn)場試驗表明：工具性能可靠、耐高溫、使用壽命長，試驗井段最高溫度125℃，最長入井工作時間達到200h，均因中完或者其他原因起鉆，起出工具仍可再次入井。

4.1 長寧頁巖氣

川渝頁巖氣上部?311.2mm 井眼定向托壓嚴重，滑動鉆進機械鉆速僅為3.44m/h，鉆遇茅口組、棲霞組，含有黃鐵礦和燧石結(jié)核，硬度高研磨性強，鉆頭磨損嚴重，機械鉆速較低，僅為1.5～2.2m/h，是提速提效的關(guān)鍵階段。

?244mm 多功能振蕩旋沖螺桿鉆具在川渝頁巖氣應(yīng)用了3 口井，平均機械鉆速和滑動鉆速分別提高43.1%和52.8%，鉆井周期明顯縮短，起下鉆次數(shù)和鉆頭數(shù)量明顯減少，如表2所示。與常規(guī)螺桿相比，采用小尺寸扶正器或無扶正器，仍能獲得較高造斜率。其中，A 井一趟鉆進尺1540m，平均機械鉆速10.25m/h，滑動平均機械鉆速4.20m/h，創(chuàng)造了?311.2mm 井眼一趟鉆完鉆、單只鉆頭進尺最多兩項記錄。

表2 多功能振蕩旋沖螺桿鉆具在長寧頁巖氣應(yīng)用情況統(tǒng)計

4.2 山西煤層氣

山西煤層氣二開?215.9mm井眼紙坊組—石千峰組會鉆遇大段致密砂巖、泥巖、石板層等地層，硬度高、研磨性強導致機械鉆速低。?172mm多功能振蕩旋沖螺桿鉆具在山西煤層氣應(yīng)用8口井，機械鉆速提高20%～60%。其中，大吉19 井應(yīng)用兩趟鉆，總進尺1284m，平均機械鉆速提高47.2%。

4.3 冀東油田

冀東油田高尚堡區(qū)塊三開215.9mm 井眼東營、沙河街組地層巖性主要以灰色泥巖、細砂巖并夾雜礫巖、玄武巖，巖石可鉆等級5～7 級，地層堅硬且研磨性強，機械鉆速較低，僅為3.0m/h。?172mm多功能振蕩旋沖螺桿鉆具在冀東油田應(yīng)用27 口井，平均機械鉆速提高了12.3%～96.62%。其中，南堡36-3005井兩趟鉆進尺215.5m，平均機械鉆速5.25m/h，較鄰井井斜鉆速提高75.0%。

5 結(jié)論與建議

（1）多功能振蕩旋沖螺桿鉆具是基于馬達行星運動的穩(wěn)定回轉(zhuǎn)控制動作設(shè)計而成，在常規(guī)螺桿鉆具的基礎(chǔ)上，增設(shè)上下脈沖振蕩機構(gòu)和沖擊振動機構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)徑向擺動和軸向沖擊振動，同時產(chǎn)生脈沖射流。

（2）配套開發(fā)性能參數(shù)測試系統(tǒng)，檢測壓力、振幅、加速度、頻率、排量等時域變化，多通道高精度采集分析功能夠滿足工具性能測試需求。

（3）現(xiàn)場48口井試驗表明，多功能振蕩旋沖螺桿鉆具具有緩解近鉆頭托壓、提高近鉆頭破巖效率的功能，平均機械鉆速提高35.6%，該工具性能可靠、耐高溫、使用壽命長。