旋沖鉆井用液動射流式沖擊器缸體一體化設計

0提高破巖效率根據國家“863”計劃，脈沖鉆孔技術是解決硬巖石鉆探問題最有效的方法之一。將該技術應用于油氣田勘探深部硬地層鉆井中,可使鉆探成本下降20%～50%。旋沖鉆井技術是在常規鉆井鉆具組合的基礎上,根據射流附壁效應及切換原理,利用液動射流式沖擊器對鉆頭施加高頻沖擊,致使鉆頭齒下巖石產生強應力集中,以降低巖石塑性,增加脆性,并迅速產生脆性破壞坑,從而提高破巖效率。隨著巖石脆性的增大與硬度的升高,旋沖破巖效果就更顯著。1圖1:美國統一機制下的“兩網”實現旋沖鉆井技術的核心工具是液動射流式沖擊器。該沖擊器的工作原理示意圖如圖1所示。鉆井液經鉆桿輸入射流元件,根據射流元件的附壁效應和雙穩射流元件的切換原理,鉆井液交替從射流元件的C口和E口射出,推動活塞在缸體中上、下往復運動,活塞帶動沖錘頻繁沖擊砧子,砧子將沖擊能量傳遞到鉆頭,達到破巖目的。2液動射流式沖擊器機構目前,液動射流式沖擊器缸體的加工方式主要是焊鑲和粘接。將金屬環片和缸本體焊鑲或粘接在一起,同缸本體一起圍出下腔進水道。但在實際應用過程中,現場條件十分惡劣,在活塞和沖錘的反復高頻振擊下,焊鑲和粘接部位極易開裂導致泄漏、卸壓,再加上鉆井液的長時間沖蝕,裂縫會越來越大,缸體上、下腔工作壓力不能建立,造成沖擊器停止工作或工作斷續不穩,影響沖擊器的性能。此外,受環境、人工誤差等諸多因素的影響,焊鑲及粘接質量不穩定,影響缸體的成品率和工具的加工質量及加工周期,沖擊器的使用壽命很難保證。為此,筆者對液動射流式沖擊器缸體進行一體化結構設計,如圖2所示。缸體加工采用整體鑄造方式成型,代替了焊鑲和粘接工藝。鑄造精選新型特制高性能熱作模具鋼材料(HHD),該種材料具有高強度、高耐磨、高韌性、適合氮化等優點,且具有良好的力學性能,可提高沖擊器缸體的質量,增強其加工穩定性,延長沖擊器使用壽命。缸體內表面采用液體氮化加氧化工藝處理,缸體內壁被均勻氮化,既增強缸體內壁的耐磨性,又提高其潤滑性。3沖擊器性能得到改善采用沖擊功沖擊頻率非接觸測量原理對該結構的液動射流式沖擊器進行了性能測試試驗。圖3～圖5為試驗測得的不同排量和行程下沖擊器的沖擊末速度、沖擊功和沖擊頻率曲線。由圖可知,沖擊器最大沖擊功為686.94J,最大沖擊末速度為4.28m/s,最大沖擊頻率為11.34Hz。最大沖擊功和沖擊末速度較以往有所增加,沖擊器的性能得到改善。隨著液動射流式沖擊器行程的增加,沖擊末速度和沖擊器行程之間呈線性函數增大趨勢;沖擊功與行程之間呈二次多項式的關系;而沖擊頻率隨行程的增加呈線性下降趨勢。由沖擊末速度、沖擊功和沖擊頻率在20、25、30L/s流量下的3組曲線可以看出,流量增加,沖擊器的性能參數均呈增大趨勢。試驗結果表明,該結構液動射流式沖擊器的性能參數得到優化,具有良好的工作穩定性,在不同排量下具有穩定的沖擊末速度、沖擊功和沖擊頻率。在現場應用過程中,可以通過調節沖擊器的行程參數和操作參數獲得最佳的沖擊功和沖擊頻率,以滿足地層巖性的鉆井需求。4地層及地層條件某井是松遼盆地的一口預探井,其三開設計井段為2010～3800m,鉆遇登婁庫組、營城組、沙河子組和火石嶺組等地層。為了探索提高松南地區深部地層機械鉆速的配套技術,該井在三開鉆井期間引進了旋沖鉆井技術,使用液動射流式沖擊器進行旋沖提速試驗研究。4.1鉆頭使用情況松南地區一般在2000m以下鉆進速度開始變慢,在2800m以下提速是提高機械鉆速的關鍵。巖性以灰色粉砂巖、灰黑色泥巖和灰綠色安山巖為主。在實施旋沖鉆井技術前,該井在2826～3229m井段鉆進共使用5只牙輪鉆頭,鉆頭使用及機械鉆速情況如表1所示。由表可知,機械鉆速雖然為1.01～1.18m/h,但隨著井的不斷加深,機械鉆速不斷下降。按照某石油公司的提速安排,決定于該井井深3234m處引進旋沖鉆井技術。4.2旋沖鉆井技術旋沖鉆井期間的鉆井參數為:鉆壓180～220kN,轉速54～70r/min,排量28～33L/s。旋沖鉆井入井鉆具組合為:?215.9mmMXL-DS44CDX鉆頭+?178.8mm液動射流式沖擊器+?158.8mm無磁鉆鋌×1根+?158.8mm鉆鋌×1根+?213.1mm穩定器+?158.8mm鉆鋌×16根+411×410轉換接頭+?127.0mm加重鉆桿×15根+411×520轉換接頭+?139.7mm鉆桿+521×410轉換接頭+?127.0mm方鉆桿。在旋沖鉆井前,于3234m處測得井斜為13.1°,方位角為95°。旋沖鉆井鉆至井深3308m,進行了1次測斜。測斜結果為:井斜12.8°,方位角98.7°,與上段測斜點3234m井斜13.1°相比有所減小,井斜得到有效控制。3234～3244m井段為劃眼和非正常鉆進階段,旋轉沖擊鉆井在3244～3352m段正常鉆進并取得了明顯的效果。旋沖鉆井鉆頭使用及機械鉆速情況如表2所示。在營城組2844.35～2918.21m井段平均機械鉆速為1.14m/h,而沙河子組3244～3281m井段砂泥巖使用旋沖鉆井技術鉆進,雖然地層比營城組埋藏深,但平均機械鉆速達1.860m/h,提高63.2%。鉆進至3281m進入火石嶺組,鉆速有所下降,為1.412m/h。同型號MXL-DS44CDX鉆頭在同樣的砂泥巖地層鉆進,使用旋沖鉆井技術與不使用旋沖鉆井技術機械鉆速對比如圖6所示。由圖可見,使用旋沖鉆井技術后,正常鉆進的平均機械鉆速達到1.636m/h。與上部地層同型號鉆頭的平均機械鉆速相比提高43.5%,與上部相鄰井段的平均機械鉆速相比提高53%。旋沖鉆井技術為該井段節約鉆探成本約48.25%。由此可見,該結構的液動射流式沖擊器可以有效地提高深部硬地層的機械鉆速,防止井斜,降低鉆井成本。同時,在硬地層采用旋沖鉆井技術可有效控制井斜。5覆蓋厚度小、覆蓋小的地層沖擊器最大沖擊頻率無(1)將液動射流式沖擊器缸體進行一體化結構設計后,其性能得到改善,沖擊器最大沖擊功為686.94J,最大沖擊末速度為4.28m/s,最大沖擊頻率為11.34Hz,同時具有良好的工作穩定性。(2)在現