脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具工作特性分析與測試

汪 偉，柳貢慧,，李 軍,3，查春青，連 威，夏銘莉

（1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院,北京 102249；2.北京工業(yè)大學(xué),北京 100124；3.中國石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū),新疆克拉瑪依834000；4.中國石油集團西部鉆探工程有限公司吐哈鉆井公司,新疆鄯善 838200）

隨著鉆井深度增加，地層巖石硬度增大、研磨性增強、可鉆性變差。鉆井過程中PDC鉆頭易產(chǎn)生粘滑振動，造成鉆頭切削齒崩壞、鉆柱過早疲勞破壞等井下復(fù)雜情況，導(dǎo)致鉆井效率低，嚴重影響了油氣資源的勘探開發(fā)進度和成本[1-3]。國內(nèi)外研究人員為了抑制粘滑振動提出了多種措施，其中扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)對減輕PDC鉆頭的粘滑振動效果尤為明顯[4-13]。扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井是利用鉆頭上端安裝的扭轉(zhuǎn)沖擊工具持續(xù)給鉆頭施加周期性沖擊，輔助PDC鉆頭破壞巖石，以減輕鉆頭的振動[14]。TorkBuster扭力沖擊器是利用高壓鉆井液驅(qū)動擺錘沖擊與鉆頭相連的砧體為鉆頭提供扭轉(zhuǎn)沖擊載荷，在國內(nèi)外深部硬地層的應(yīng)用中取得了很好的提速效果[15-18]。玄令超等人[19]研制了射流式扭轉(zhuǎn)沖擊工具，通過射流發(fā)生器切換擺錘高低流道。祝效華等人[20]設(shè)計了一種具有棘輪機構(gòu)的扭轉(zhuǎn)沖擊器，通過渦輪驅(qū)動棘輪軸持續(xù)敲擊鉆頭中心軸為鉆頭提供扭轉(zhuǎn)沖擊載荷。查春青等人[21]設(shè)計了旋轉(zhuǎn)配流式扭轉(zhuǎn)沖擊工具，通過渦輪驅(qū)動中心軸來切換擺錘兩端的高低壓流道，實現(xiàn)擺錘的往復(fù)運動。以上扭轉(zhuǎn)沖擊工具均是通過高壓鉆井液推動擺錘沖擊砧體為鉆頭施加沖擊能量，而擺錘運動過程中易產(chǎn)生磨損導(dǎo)致壓力腔體密封失效，影響工具的使用壽命。為此，筆者設(shè)計了一種脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊工具，在分析其工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合鉆井工況參數(shù)與鉆柱結(jié)構(gòu)參數(shù)建立了沖擊功計算模型，通過室內(nèi)測試驗證了該工具的可行性和性能參數(shù)。研究結(jié)果表明，脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊工具能夠為鉆頭提供周期性扭轉(zhuǎn)沖擊載荷，為鉆井提速工具的研究提供參考。

1 脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊工具結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 工具結(jié)構(gòu)

脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊工具主要由驅(qū)動結(jié)構(gòu)和扭轉(zhuǎn)沖擊結(jié)構(gòu)2部分組成。驅(qū)動結(jié)構(gòu)包括渦輪副和軸承組，安裝在旋轉(zhuǎn)軸上端；扭轉(zhuǎn)沖擊結(jié)構(gòu)位于旋轉(zhuǎn)軸下端，由周向腔體、節(jié)流噴嘴和鉆頭座等組成（見圖1）。該工具長度800 mm，外徑178.0 mm，工作排量15～40 L/s，采用411×410扣。

圖1 脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the pulsating torsional impact drilling tool

1.2 工作原理

鉆井過程中，高壓鉆井液驅(qū)動渦輪旋轉(zhuǎn)，帶動旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。在噴嘴節(jié)流作用下，旋轉(zhuǎn)軸中心孔內(nèi)鉆井液壓力升高，在旋轉(zhuǎn)軸中心孔流道與旋轉(zhuǎn)軸外環(huán)空流道間產(chǎn)生正壓差。旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動過程中，周向腔體交替與旋轉(zhuǎn)軸中心孔高壓流道、旋轉(zhuǎn)軸外環(huán)空低壓流道連通，工作狀態(tài)如圖2所示。

周向腔體Ⅰ與旋轉(zhuǎn)軸中心孔高壓流道連通、周向腔體Ⅱ與旋轉(zhuǎn)軸外環(huán)空低壓流道連通（見圖2（a））時，腔體Ⅰ端面受高壓流體作用，腔體Ⅱ端面受低壓流體作用，高壓區(qū)與低壓區(qū)的壓差作用在鉆頭座凸臺端面，對鉆頭產(chǎn)生一正向脈沖壓力。當兩端腔體內(nèi)壓差產(chǎn)生的扭矩大于上部鉆柱對鉆頭產(chǎn)生的扭矩與牙龕端面摩擦扭矩之和時，作用在外殼體凸臺端面的扭矩推動上部鉆柱產(chǎn)生逆時針轉(zhuǎn)動。

周向腔體Ⅰ與旋轉(zhuǎn)軸中心孔流道關(guān)閉（見圖2（b））時，上部鉆柱旋轉(zhuǎn)帶動工具外殼牙龕沖擊鉆頭座，對鉆頭座產(chǎn)生正向扭轉(zhuǎn)沖擊載荷。當周向腔體Ⅱ與旋轉(zhuǎn)軸中心孔高壓流道連通、周向腔體Ⅰ與旋轉(zhuǎn)軸外環(huán)空低壓流道連通（見圖2（c））時，高壓區(qū)與低壓區(qū)的壓差作用在外殼體凸臺，對工具外殼體產(chǎn)生正向脈沖壓力，從而增大鉆柱作用在鉆頭上的扭矩。

1.3 工具特點

脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊工具產(chǎn)生的沖擊作用包括2種形式：1）周向腔體內(nèi)高低壓鉆井液的壓差為鉆頭座提供一個正向的液壓沖擊作用力；2）在鉆進過程中，反向的液壓作用能夠推動上部鉆柱反向偏轉(zhuǎn)一定角度，上部鉆柱的旋轉(zhuǎn)作用導(dǎo)致該工具外殼體與鉆頭座的牙龕間會產(chǎn)生一個正向的沖擊作用力。該工具與文獻[21-23]中的扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具相比，沒有旋轉(zhuǎn)擺錘部件，減少了由于擺錘運動摩擦造成的能量損失，能夠提高鉆井液能量的轉(zhuǎn)化效率。此外，該工具的換向機構(gòu)由渦輪動力總成驅(qū)動連續(xù)轉(zhuǎn)動，對鉆頭座形成了往復(fù)的扭轉(zhuǎn)沖擊載荷，能夠延長工具的使用壽命。

圖2 工作狀態(tài)示意Fig.2 Working state diagram

2 工作特性分析

2.1 周向扭矩

由脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊工具工作原理，得到旋轉(zhuǎn)軸中心孔流道壓力與旋轉(zhuǎn)軸外環(huán)空流道壓力的關(guān)系：

式中：p1為旋轉(zhuǎn)軸中心孔流道壓力，Pa；p2為旋轉(zhuǎn)軸外環(huán)空流道壓力，Pa；Δpp為該工具節(jié)流噴嘴產(chǎn)生的壓降，Pa。

工具節(jié)流噴嘴產(chǎn)生的壓降為：

式中：ξp為節(jié)流噴嘴壓力損耗系數(shù)，一般取0.8～1.1；ρ為鉆井液密度，kg/m3；Q為鉆井泵排量，L/s；dp為節(jié)流噴嘴直徑，m。

根據(jù)所設(shè)計工具結(jié)構(gòu)，可計算得到工具在圖2（a）和圖2（c）狀態(tài)下產(chǎn)生的周向扭矩：

式中：Tt為鉆井液作用在周向腔體端面的扭矩，N·m；A3為 周向腔體承壓面積，m2；dc為周向腔體承壓面中徑，m；lc周 向腔體軸向長度，m；dc1為周向腔體外徑，m；dc2為周向腔體內(nèi)徑，m。

2.2 沖擊功

脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具工作過程中，鉆桿和鉆鋌所組成的鉆柱處于彈性變形狀態(tài)。在直井情況下，當該工具產(chǎn)生的周向扭矩能夠推動上部鉆柱沿周向逆時針運動時，上部鉆柱扭轉(zhuǎn)發(fā)生變形，鉆井液的壓能轉(zhuǎn)化為鉆柱的彈性勢能；當周向腔體Ⅰ的高壓流體通道關(guān)閉后，鉆柱彈性勢能釋放，沖擊鉆頭座，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)沖擊載荷。假設(shè)整個鉆柱只由鉆桿和鉆鋌組成，兩端均為固定約束，鉆桿和鉆鋌只產(chǎn)生彈性變形。圖3為直井鉆柱的變形簡化模型。

圖3 直井鉆柱的變形簡化模型Fig.3 Simplified model of drill string deformation in vertical wells

脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具在反向作用過程中將鉆井液的壓能轉(zhuǎn)化為鉆柱的彈性勢能，在正向沖擊過程中將鉆柱的勢能轉(zhuǎn)化為工具的周向沖擊功。假設(shè)正常鉆進時，鉆柱對鉆頭施加的扭矩為Tb，鉆井液壓差作用在周向端面上的力矩為Tt，脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具外殼體與鉆頭座端面間的摩擦扭矩為Tf，鉆柱逆時針扭轉(zhuǎn)角為Δφ。

上部鉆柱在周向扭轉(zhuǎn)力矩作用下的扭轉(zhuǎn)角為：

其中

式中：Δφ為鉆柱扭轉(zhuǎn)角，rad；Tb為鉆柱施加在鉆頭上的扭矩，N·m；Tf為工具外殼體與鉆頭座端面產(chǎn)生的摩擦扭矩，N·m；N為鉆柱等效彈性系數(shù)，N·m；Np和Nc分別為鉆桿和鉆鋌的扭轉(zhuǎn)系數(shù)，N·m；Ip和Ic分別為鉆桿和鉆鋌截面的極慣性矩，m4；Lp和Lc分別為鉆柱組合鉆桿和鉆鋌的長度，m；G為鉆柱材料的剪切彈性模量，Pa；W為鉆壓，N；dm1為工具摩擦面外徑，m；dm2為工具摩擦面內(nèi)徑，m；μ為摩擦系數(shù)，一般取0.20。

從式（4）可以看出，鉆柱結(jié)構(gòu)確定時，上部鉆柱扭轉(zhuǎn)角為工具產(chǎn)生周向扭矩與鉆柱扭矩、摩擦扭矩之差的函數(shù)。當周向扭矩大于鉆柱扭矩與摩擦扭矩之和時，上部鉆柱產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。正向作用過程中，工具對鉆頭產(chǎn)生的周向沖擊功為鉆柱扭矩、摩擦扭矩做功與鉆柱內(nèi)累積彈性勢能之和：

式中：E為工具對鉆頭產(chǎn)生的周向沖擊功，J。

2.3 沖擊頻率

脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具設(shè)計有2個高壓流體配流通孔，渦輪馬達驅(qū)動配流筒旋轉(zhuǎn)一周時周向腔體Ⅰ的高壓通道打開2次，則工具沖擊頻率可以表示為：

式中：f為脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具的沖擊頻率，Hz；n為渦輪馬達的轉(zhuǎn)速，r/min。

2.4 算例分析

脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具應(yīng)用于φ215.9 mm直井，假設(shè)鉆柱的長度為3 000.00 m，其中鉆桿的長度為2 900.00 m，外徑為127.0 mm，內(nèi)徑為101.6 mm；鉆鋌的長度為100.00 m，外徑為165.1 mm，內(nèi)徑為76.2 mm。鉆柱鋼材的彈性模量206 GPa，剪切模量81.4 GPa。脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具的外徑178.0 mm，外殼體內(nèi)徑150.0 mm；周向腔體承壓端面內(nèi)徑100.0 mm，外徑150.0 mm，腔長200.0 mm，鉆井液密度1.00 kg/L。

利用式（3）分析節(jié)流噴嘴和鉆井液排量對脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具周向扭矩的影響，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出：在節(jié)流噴嘴直徑相同的條件下，脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具周向扭矩隨鉆井液排量升高而增大，兩者呈二次函數(shù)關(guān)系；在排量相同的條件下，隨著節(jié)流噴嘴直徑增大，周向扭矩不斷減小。

圖4 不同直徑節(jié)流噴嘴下脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具周向扭矩與排量的關(guān)系Fig.4 Variation of circumferential torque with flow rate of pulsating torsional impact drilling tools with different diameters of throttle nozzles

利用式（4），計算鉆柱周向扭轉(zhuǎn)為5°、不同井深時的脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具周向扭矩與鉆柱扭矩、摩擦扭矩的差（下面簡稱扭矩差），結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，隨著井深增加，扭矩差隨井深增加不斷減小。在給定的鉆柱組合條件下，當井深大于200.00 m、上部鉆柱周向扭轉(zhuǎn)5 °時，扭矩差小于40 N·m。現(xiàn)場應(yīng)用時可以結(jié)合圖4與圖5的計算結(jié)果優(yōu)選脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖5 鉆柱周向扭轉(zhuǎn)5°時不同井深下的扭矩差Fig.5 Torque difference at different well depths with the drill string circumferential rotation of 5 °

利用式（7），分析了鉆壓30 kN條件下鉆柱扭矩和扭轉(zhuǎn)角對脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具周向沖擊功的影響和鉆柱周向扭轉(zhuǎn)5°條件下鉆柱扭矩和鉆壓對脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具周向沖擊功的影響，結(jié)果如圖6和圖7所示。從圖6和圖7可以看出：鉆柱周向扭轉(zhuǎn)角一定時，脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具的周向沖擊功隨鉆柱扭矩增大而增大；鉆柱扭矩一定時，脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井周向沖擊功隨鉆柱周向扭轉(zhuǎn)角增大而增大，隨鉆壓增大而減小。

圖6 不同扭轉(zhuǎn)角下沖擊功隨鉆柱扭矩變化的曲線Fig.6 Variation curves of impact energy with drill string torque under different rotation angles

圖7 不同鉆壓條件下沖擊功隨鉆柱扭矩變化的曲線Fig.7 Variation curves of impact energy with drill string torque under different WOB

3 室內(nèi)測試

為了測試脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具的性能參數(shù)，設(shè)計了扭轉(zhuǎn)沖擊工具測試裝置，主要包括離心泵、流量計、壓力傳感器、扭矩測量短節(jié)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（見圖8）。測試用離心泵的額定排量為40 L/s，測試用介質(zhì)為清水。測試過程中，利用安裝在周向腔體Ⅰ和腔體Ⅱ的壓力傳感器測量脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具工作過程中其周向腔體內(nèi)的壓力，利用連接在鉆頭座下端的扭矩測量短節(jié)測量其產(chǎn)生的周向扭矩。

圖8 扭轉(zhuǎn)沖擊工具工具測試裝置Fig.8 Test system for torsional impact tool

脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具在節(jié)流噴嘴φ22.0 mm、排量30.8 L/s條件下周向腔體內(nèi)的壓力變化曲線如圖9所示。從圖9可以看出，脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具工作過程中，周向腔體內(nèi)的壓力發(fā)生明顯波動，腔體Ⅰ和腔體Ⅱ內(nèi)高壓和低壓交替變化，平均壓差達2.84 MPa，工作頻率為38 Hz。

圖9 脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具周向腔體內(nèi)壓力的變化曲線Fig.9 Variation curve of circumferential cavity pressure of the pulsating torsional impact drilling tool

圖10為脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具不同排量下的沖擊頻率，圖11和圖12分別為不同排量下脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具的周向腔體壓差和周向扭矩。

從圖10—圖12可以看出：脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具的沖擊頻率隨著排量增大而逐漸增大，并且基本呈線性關(guān)系；周向腔體壓差、周向扭矩均隨著排量增大而逐漸增大，二者近似呈二次函數(shù)關(guān)系。脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具周向腔體壓差測試結(jié)果與計算結(jié)果間的誤差約為9.6%，其周向扭矩測試結(jié)果與計算結(jié)果間的誤差約為14.8%，測試結(jié)果與計算結(jié)果的變化趨勢較為一致，初步驗證了性能參數(shù)理論計算模型的正確性。

圖10 脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具不同排量下的沖擊頻率Fig.10 Variation curve of impact frequency of pulsating torsional impact drilling tool with flow rate

圖11 脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具周向腔體不同排量下的壓差Fig.11 Variation curve of circumferential cavity pressure difference of pulsating torsional impact drilling tool with flow rate

圖12 脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具不同排量下的周向扭矩Fig.12 Variation curve of circumferential torque of pulsating torsional impact drilling tool with flow rate

在試驗過程中，脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具運行平穩(wěn)，其鉆頭座產(chǎn)生明顯的周期性扭轉(zhuǎn)沖擊。這也驗證了該工具設(shè)計的可行性，能夠?qū)︺@頭產(chǎn)生往復(fù)扭轉(zhuǎn)沖擊效果。室內(nèi)試驗測得的性能參數(shù)可為該鉆井工具的現(xiàn)場應(yīng)用提供指導(dǎo)。

4 結(jié)論與建議

1）為提高硬地層機械鉆速，設(shè)計了一種脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具。該鉆井工具能夠為鉆頭施加周期性的扭轉(zhuǎn)沖擊載荷，同時產(chǎn)生的脈沖壓力能夠增加作用在鉆頭上的扭矩，有效減輕鉆頭的粘滑振動，提高破巖效率。

2）脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具的周向扭矩與排量、節(jié)流噴嘴直徑密切相關(guān)：在節(jié)流噴嘴直徑相同的情況下，其周向扭矩隨鉆井液排量增大而增大；在排量相同的情況下，隨著節(jié)流噴嘴直徑增大，周向扭轉(zhuǎn)力矩不斷減小。

3）脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具的周向沖擊功與鉆柱扭矩、周向扭轉(zhuǎn)角及鉆壓密切相關(guān)：周向扭轉(zhuǎn)角一定時，周向沖擊功隨鉆柱扭矩增加呈線性增大；鉆柱扭矩一定時，周向沖擊功隨周向扭轉(zhuǎn)增大而增大，隨鉆壓增大而減小。

4）室內(nèi)測試結(jié)果驗證了脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具的可行性以及性能參數(shù)計算模型的正確性，可為該鉆井工具的現(xiàn)場試驗提供指導(dǎo)。

5）建議盡快通過現(xiàn)場試驗驗證脈動式扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具在硬地層的提速效果，并根據(jù)現(xiàn)場試驗對其進行改進。