扭力沖擊器復合鉆進工藝在干熱巖鉆井中的試驗應用

譚現(xiàn)鋒，戰(zhàn)啟帥，張強，王勇軍，趙長亮，李生海，陳宗濤

（1.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)大隊），山東 濟寧 272100；2.山東省地熱清潔能源勘查開發(fā)工程研究中心，山東 濟寧 272100；3.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊（山東省魯北地質(zhì)工程勘察院），山東 德州 253072；4.湖北工程學院機械工程學院，湖北 孝感 432000）

0 引言

扭力沖擊器可以提供沖擊扭矩，能夠有效抑制鉆井時鉆頭的“粘滑振動”現(xiàn)象，提高機械鉆速、縮短鉆井周期、降低成本，在石油、天然氣行業(yè)鉆井中得到廣泛應用，特別是在砂巖和碳酸鹽巖沉積巖地層中的應用起到了提速增效的作用［1-6］。但是干熱巖鉆井面臨的是高溫、高壓、硬巖、強研磨性、深井和超深井等環(huán)境［7-12］，不同于油氣鉆井工作環(huán)境，所以需要對扭力沖擊器進行針對性的設(shè)計，以滿足干熱巖鉆井環(huán)境下的鉆井需求。

國內(nèi)外現(xiàn)有關(guān)于扭力沖擊器的應用研究主要集中在油氣鉆井領(lǐng)域，對干熱巖鉆井中使用扭力沖擊器的研究還鮮有文獻報道。為解決干熱巖鉆井過程中鉆具失效和機械鉆速低的問題，筆者從提高鉆速、降低井內(nèi)事故、保護鉆頭和降低成本方面克服現(xiàn)有鉆井技術(shù)的不足，研發(fā)了一套適用于高溫硬巖地層的扭力沖擊器，并在干熱巖鉆井中進行了鉆進試驗，進一步提高了鉆井效率。

1 干熱巖鉆進面臨的問題

（1）鉆進效率低，鉆頭和鉆具消耗大［7-12］。

干熱巖井鉆遇地層巖性致密堅硬，巖體硬度大，單軸飽和抗壓強度高，研磨性強，可鉆性差，可鉆性級別8～10。鉆進過程中鉆桿和鉆具的摩阻增大，需增加鉆壓以使井底鉆頭保持高效的切削能力。施加的高鉆壓能量得不到及時釋放，鉆頭短時間停止轉(zhuǎn)動。上部鉆柱蓄積足夠破碎巖石的扭矩能量后，致使鉆頭短時間高速旋轉(zhuǎn)。會使鉆頭切削齒承受巨大的沖擊載荷，造成鉆頭切削齒磨損、破壞。

（2）井底鉆進工況復雜［4-5］。

鉆井深度大，鉆柱長，鉆柱在高速轉(zhuǎn)動下產(chǎn)生橫向、縱向（跳鉆）和扭向的振動以及多種振動的組合。井下振動加速鉆頭切削齒的損傷，導致鉆頭壽命和鉆井效率降低。同時高速轉(zhuǎn)動使鉆柱與套管及井壁間磨損加劇，易造成鉆桿疲勞損傷甚至斷裂。

2 扭力沖擊器在干熱巖鉆井中的應用分析

2.1 可行性分析

（1）扭力沖擊器將鉆井液的流體能量轉(zhuǎn)換成扭向的、高頻的、均勻穩(wěn)定的機械沖擊能力，可以消除鉆桿帶動鉆頭運動時出現(xiàn)的一種或者多種振動現(xiàn)象（橫向、縱向、扭向），有利于鉆壓和扭矩的傳遞［1-6，13-16］，消除牙輪鉆頭的跳鉆危害，促進牙輪鉆頭的沖擊碎巖作用。

（2）扭力沖擊器軸向往復提供沖擊扭矩，是一種剪切式的沖擊作用，消除PDC鉆頭的“粘滑”［1-6，14-16］，也可以增強牙輪鉆頭橫向剪切碎巖的作用。

（3）扭力沖擊器長度短，適用于不同鉆具組合［4-6，13，17］，可以與螺桿馬達組合實現(xiàn)硬巖鉆進。

（4）螺桿鉆具的轉(zhuǎn)子在定子型腔內(nèi)作平面行星運動，產(chǎn)生離心慣性力造成鉆具的橫向振動，易導致井眼軌跡不規(guī)則，能耗增加［7-11］。扭力沖擊器軸向往復提供沖擊扭矩，可以消除這種有害的橫向振動。

2.2 扭力沖擊鉆具研究現(xiàn)狀

在扭力沖擊鉆井技術(shù)研究上，我國起步較晚，主要對國外研究資料消化吸收后再創(chuàng)新來開展對扭力沖擊鉆井工具的研究，其中最具代表性的研究單位是勝利石油管理局鉆井工藝研究院和西南石油大學。2012年，勝利石油管理局鉆井工藝研究院研制了SLTIDT型扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具，該工具結(jié)構(gòu)相對簡單并進行了室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗，結(jié)果表明SLTIDT型扭力沖擊鉆具具有能量轉(zhuǎn)換率高的特點，能有效解決鉆頭在沉積巖地層鉆井過程中產(chǎn)生的“粘滑”振動現(xiàn)象，提高了鉆速，保障了鉆井的穩(wěn)定性，因鉆具內(nèi)未設(shè)計自動凈化裝置，巖屑沉積容易導致扭沖鉆具內(nèi)部碰撞機構(gòu)無法正常工作。2009年，西南石油大學公布了2種分別以螺桿和渦輪驅(qū)動的新型扭力沖擊鉆井工具，在應用上各有優(yōu)缺點。2011年由祝效華等人研制的渦輪扭力沖擊鉆井工具完成室內(nèi)試驗，該工具設(shè)計較為合理，可以實現(xiàn)對PDC鉆頭施加周期性的扭矩，不足之處是部分主要零部件磨損快、使用壽命短，扭力發(fā)生裝置產(chǎn)生的單次沖擊功小、能量轉(zhuǎn)換率低。

國外的扭力沖擊鉆井工具——TorkBuster扭力沖擊器雖然在石油鉆探應用中取得了較好的鉆井效果，但是其研究成果被予以了專利保護，國內(nèi)使用成本高昂；國內(nèi)的SLTIDT型扭力沖擊鉆井工具，雖然能夠降低深井鉆井中鉆頭“粘滑振動”現(xiàn)象，能有效提高鉆井的機械鉆速，但同時也存在部分零部件磨損快、容易卡死、工具壽命短、能量轉(zhuǎn)換率低等不足之處。

扭力沖擊器可以提供沖擊扭矩，能夠有效抑制鉆頭鉆井時的“粘滑振動”現(xiàn)象，提高機械鉆速、縮短鉆井周期、降低成本，在石油、天然氣行業(yè)鉆井中得到廣泛應用，但是干熱巖鉆井面臨的是高溫、高壓、硬巖、強研磨性、深井和超深井等環(huán)境，不同于油氣鉆井工作環(huán)境，所以需要對扭力沖擊器進行針對性的設(shè)計，以滿足干熱巖鉆井環(huán)境下的鉆井需求

2.3 新型扭力沖擊器結(jié)構(gòu)和工作原理［17］

2.3.1 新型扭力沖擊器整體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，扭力沖擊器主要包括傳動軸、軸承座、渦輪（定子和轉(zhuǎn)子）、扭力傳導接頭、若干對扭力發(fā)生裝置、深溝球軸承、推力球軸承以及相關(guān)接頭等零部件。液力推動渦輪帶動傳動軸轉(zhuǎn)動，并帶動沖錘旋轉(zhuǎn)以沖擊沖擊砧，從而產(chǎn)生扭力和振動，各對扭力發(fā)生裝置中的兩沖錘相互配合產(chǎn)生扭矩和扭力沖擊，沖擊砧將振動和扭力沖擊通過扭力傳導接頭傳遞至下接頭，并由下接頭將振動和扭力沖擊傳遞給鉆頭。

圖1 新型扭力沖擊器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the new type torsional impactor

針對干熱巖鉆井地層具有硬度高、研磨性強的特點，對深溝球軸承、推力球軸承等零部件進行了優(yōu)選，以提高扭力沖擊器的使用壽命。

2.3.2 扭力發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)

扭力發(fā)生裝置是沖擊器的關(guān)鍵零部件，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由沖擊砧、沖錘和連接軸組成。

圖2 扭力發(fā)生裝置Fig.2 Torsion generator

具體工作原理為：單個扭力發(fā)生裝置是由1根連接軸（方形軸），2個沖錘，1個沖擊砧，共4個零部件組成。連接軸整體呈方形，與傳動軸上的方形孔配合，并留有合適的間隙量。沖錘沖擊面受到跟斜面垂直的一個作用力，該力可以分解為沖錘切向作用分力和連接軸軸向作用分力，該軸向作用分力帶動連接軸和沖錘一起沿連接軸軸向，向沖擊砧壁厚最薄處運動，從而使沖錘完成沖擊任務后，能夠繞過沖擊砧最厚處的沖擊面，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，進入下一個循環(huán)。單個扭力發(fā)生裝置只能產(chǎn)生沖擊力和沖擊振動，要產(chǎn)生扭力則需要成對設(shè)計安裝扭力發(fā)生裝置，使產(chǎn)生的成對的沖擊力，且沖擊力大小基本相等，方向相反，作用不在同一條直線上，符合扭力作用要求，故能夠產(chǎn)生扭力作用，又由于沖擊過程中有沖擊振動，故該裝置能夠產(chǎn)生扭力和沖擊。

在渦輪工作轉(zhuǎn)速為500～600 r/min下，根據(jù)所需沖擊頻率和沖擊力，選擇扭力發(fā)生裝置的對數(shù)和沖錘的質(zhì)量以及沖擊角。

2.3.3 工作原理

在鉆井施工過程中，地面鉆井液驅(qū)動裝置將一定流速和壓力的鉆井液輸送至渦輪處，以驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)動，渦輪帶動傳動軸轉(zhuǎn)動，傳動軸帶動連接軸轉(zhuǎn)動，連接軸又帶動沖錘轉(zhuǎn)動以沖擊沖擊砧，而產(chǎn)生扭力和振動。沖擊砧將扭力和振動通過扭力傳導接頭傳遞至下接頭，并由下接頭將扭力和振動傳遞給鉆頭，因此鉆頭在受到地面鉆機和螺桿鉆具提供的旋轉(zhuǎn)動力的同時還會受到扭力發(fā)生裝置提供的扭力和振動作用，從而可對鉆頭實現(xiàn)有效保護，并可使鉆頭在扭力沖擊和振動作用下鉆進，以實現(xiàn)高效碎巖，提高鉆井效率。

2.4 新型扭力沖擊器的性能參數(shù)及特點

190型新型扭力沖擊器性能參數(shù)為：尺寸?190 mm×565 mm，排量25～35 L/s，壓降2～5 MPa，沖擊頻率24～40 Hz，沖擊力9420～38096 N，沖擊扭矩1480～2501 N·m。

該新型扭力沖擊器的主要特點有：

（1）由渦輪提供動力，帶動沖錘旋轉(zhuǎn)沖擊沖擊砧，獲得沖擊力和沖擊扭矩。鉆井液流經(jīng)扭力沖擊器內(nèi)腔的渦輪、軸承座導流孔時流道通暢，工作壓降較低，工作性能穩(wěn)定可靠；

（2）該結(jié)構(gòu)設(shè)計比較巧妙，能夠根據(jù)需要，設(shè)計安裝多對扭力沖擊發(fā)生裝置，調(diào)節(jié)沖錘和沖擊砧的接觸面角度，以獲得不同的沖擊頻率和沖擊力，具備高沖擊頻率（24～40 Hz）、高沖擊力（9420～38096 N）、高沖擊扭矩（1480～2501 N·m）的能力；

（3）該新型扭力沖擊器是純機械式結(jié)構(gòu)，無電子元器件和橡膠件，可在干熱巖高溫鉆井環(huán)境中工作；

（4）沖擊振動部分結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，能夠解決鉆井過程中卡鉆和“粘滑”現(xiàn)象等難題；

（5）本結(jié)構(gòu)安裝簡單，配合螺桿鉆具、三牙輪鉆頭和PDC鉆頭等能夠有效提高深井硬巖地層的機械鉆速。

3 新型扭力沖擊器在花崗巖地層中的試驗應用

在青島即墨中深層同軸換熱地熱井項目中，扭力沖擊器首次進行入井試驗，地層巖性主要為花崗巖，自淺到深，暗色物質(zhì)逐漸減少，石英含量增加，硬度8～10級（見圖3）。鉆機為ZJ30型石油鉆機，泥漿泵為3NB-500型泥漿泵。

圖3 花崗巖巖屑Fig.3 Rock cuttings of granite

3.1 扭力沖擊器試驗情況

扭力沖擊器入井后，初始鉆壓選擇60～70 kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速64 r/min，泵量20.6 L/s，然后分別調(diào)整鉆壓、泵量、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，進行不同工況下的機械鉆速比對，見表1。在現(xiàn)場鉆機現(xiàn)有能力下，采用鉆壓70 kN、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速64 r/min、泵量20.6 L/s的鉆進參數(shù)達到了最優(yōu)機械鉆速，平均機械鉆速1.27 m/h。

表1 扭力沖擊器鉆進參數(shù)調(diào)試過程Table 1 Commissioning procedure for the torsional impactor

在相同工況條件下，使用三牙輪鉆頭+扭力沖擊器+5LZ172×7螺桿馬達的鉆效與使用三牙輪鉆頭+5LZ172×7螺桿馬達的鉆效相比，使用扭力沖擊器復合鉆進井段平均機械鉆速為1.27 m/h，而在未使用扭力沖擊器復合鉆進井段平均機械鉆速為0.98 m/h，同比鉆速提高29.59%，分別見表2和圖4。

圖4 花崗巖地層鉆速對比曲線Fig.4 Comparison curves of ROP in granite formation

表2 花崗巖地層平均機械鉆速對比Table 2 Comparison of ROP in granite formation

3.2 試驗過程中的問題

因中深層同軸換熱地熱井現(xiàn)場鉆機和鉆具及其附屬裝備能力所限，使轉(zhuǎn)盤+螺桿鉆具+扭力沖擊器復合鉆井工藝在現(xiàn)場測試應用時存在以下問題：

（1）因現(xiàn)場3NB-500型泥漿泵性能限制，最大允許排量20.6 L/s，未能達到扭力沖擊器的最優(yōu)使用排量，使扭力沖擊器的扭沖作用未得到最大效能的發(fā)揮，不能有效地穩(wěn)定牙輪鉆頭的沖擊碎巖效果，同時牙輪鉆頭的剪切碎巖能力亦沒有得到明顯增強。

（2）因現(xiàn)場鉆井液凈化裝置能力不足，鉆井液含砂量過高，造成扭力沖擊器腔體和轉(zhuǎn)子之間有巖屑充填。巖屑為高硬度、強研磨性的花崗巖，加大了扭力沖擊器渦輪葉片和腔體以及各過流斷面端口的磨損，使扭力沖擊器在進尺71.38 m后過早失效，這一點也反映出扭力沖擊器沒有發(fā)揮到最大效能，在材質(zhì)的選擇上也存在一定的問題。

（3）鉆進過程中，泵壓相對較高，鉆桿多次發(fā)生刺漏，導致泵壓不穩(wěn)，影響了扭力沖擊器的正常運轉(zhuǎn)。

4 新型扭力沖擊器在片麻巖地層中的試驗應用

4.1 現(xiàn)場試驗

在山西大同某干熱巖勘探項目，再次進行了轉(zhuǎn)盤+螺桿鉆具+扭力沖擊器復合鉆井工藝現(xiàn)場應用試驗。采用ZJ40型石油鉆機，F(xiàn)1300型泥漿泵，地層巖性主要為片麻巖（圖5），在2313.26～2500.94 m井段進行了不同工藝下的入井測試應用對比，平均機械鉆速見表3，不同工藝鉆速對比曲線見圖6。

圖5 片麻巖巖心Fig.5 Rock cores of gneiss

圖6 片麻巖地層鉆速對比曲線Fig.6 Comparison curves of ROP in gneiss formation

由表3可以看出，使用牙輪鉆頭+扭力沖擊器+螺桿的復合鉆進的平均機械鉆速與未使用扭力沖擊器沒有太大差距，扭力沖擊器未能有效提高牙輪鉆頭的碎巖能力和使用壽命。使用?215.9 mm六刀翼PDC鉆頭的扭力沖擊器+螺桿鉆具的復合鉆進，平均機械鉆速1.71 m/s，相對于牙輪鉆頭復合鉆進，平均機械鉆速提高了10.32%。

表3 片麻巖地層平均機械鉆速對比Table 3 Comparison of ROP in gneiss formation

從現(xiàn)場九刀翼PDC鉆頭配合扭力沖擊器進行的干熱巖復合鉆進看，鉆頭底唇面的切削齒崩損嚴重、保徑齒復合片基本上全部崩壞，鉆頭的底唇胎體亦有明顯磨損（見圖7）。從六刀翼PDC鉆頭配合扭力沖擊器進行的干熱巖復合鉆進看，鉆頭的底唇面切削齒損傷明顯，而保徑齒復合片損傷稍輕（圖8）?，F(xiàn)場使用PDC鉆頭沒有掉齒等現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為金剛石表層剝離，證明鉆頭在井底受到了非常大的沖擊作用，鉆頭外錐肩部唇面受損是受到了集中載荷的作用，可能和前期擴井眼鉆進存在一定的關(guān)系（現(xiàn)場采用九刀翼PDC鉆頭擴井眼鉆進3 h左右）。

圖7 九刀翼PDC鉆頭Fig.7 Nine-blade PDC bit

圖8 六刀翼PDC鉆頭Fig.8 Six-blade PDC bit

4.2 結(jié)果分析

（1）選用的扭力沖擊器和牙輪鉆頭匹配性差，未能更大地激發(fā)出牙輪鉆頭的剪切碎巖能力。

（2）PDC鉆頭在鉆進時，扭力沖擊器提供軸向沖擊荷載，沖擊激活巖石裂紋，產(chǎn)生大的開裂區(qū)，再通過剪切作用切削掉開裂區(qū)的巖石［18-21］。當沖擊荷載超過切削齒的承受值時，會造成切削齒的崩壞。九刀翼PDC鉆頭沒有得到很好的機械鉆速，因掉塊和掃孔時間過長造成切削齒損壞。六刀翼PDC鉆頭由開始的機械鉆速2～5 m/h到因切削齒損壞無法正常鉆進，是因在高轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)盤40 r/min+螺桿鉆具120 r/min）與低鉆壓（40 kN）下，加劇了PDC鉆頭在井底的不規(guī)則振動，沖擊荷載超過了PDC復合片的承受能力，導致切削齒崩壞。

5 結(jié)論

（1）在相同工況條件下，花崗巖地層使用三牙輪鉆頭+扭力沖擊器+5LZ172×7螺桿馬達的鉆效與使用三牙輪鉆頭+5LZ172×7螺桿馬達的鉆效相比，前者平均機械鉆速1.27 m/h，后者平均機械鉆速0.98 m/h，同比鉆速提高29.59%。PDC鉆頭+扭力沖擊器+復合鉆進在片麻巖地層的機械鉆速為1.71 m/h，相比牙輪鉆頭（1.55 m/h）提高10.32%，相比牙輪鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進（0.60 m/h）提高159.09%。

（2）扭力沖擊器+螺桿復合鉆進工藝通過現(xiàn)場試驗應用，利用扭力沖擊器提供軸向往復的扭力沖擊，產(chǎn)生的沖擊功有利于鉆壓的傳遞，保證了牙輪鉆頭能夠有效地沖擊碎巖，同時這種扭力沖擊也增強了牙輪鉆頭剪切碎巖的功效，驗證了兩者集成組合應用的可行性，有效地抑制了振動效應對鉆具的影響，提高了鉆頭碎巖效率；從鉆進參數(shù)對鉆具提速影響來看，大鉆壓下螺桿鉆具對扭力沖擊器短節(jié)亦無結(jié)構(gòu)性損傷，能夠更大限度地發(fā)揮鉆具碎巖性能。

（3）扭力沖擊器可以一定程度地消除螺桿鉆具因離心慣性力造成鉆具的橫向振動。在文中2次的試驗應用中，使用的扭力沖擊器和螺桿鉆具沒有達到理想耦合，需進一步加強兩者之間的耦合研究。

（4）需進一步加大對扭力沖擊器的研究和扭力沖擊器與鉆頭的匹配性研究；為進一步延長扭力沖擊器的使用壽命還應加大對腔體和轉(zhuǎn)子以及其他過流斷面部件的耐磨性研究；加大鉆機和附屬裝備與高溫硬巖鉆井的匹配性研究，以發(fā)揮扭力沖擊器的最大效能，減少井內(nèi)事故，實現(xiàn)高效、快速碎巖。