自激振蕩式旋轉沖擊鉆井工具的優化及應用

路峰

摘 要：自激振蕩式旋轉沖擊鉆井工具是鉆井提速的主要措施之一。通過實驗證明，影響其性能的主要因素是上、下噴嘴直徑，兩腔室連接處直徑和腔室尺寸。從結構設計、材料優選和處理工藝優化三方面進行了針對性的強化設計。大大提高了工具的使用壽命和提速效果。在牛28-斜15井得到成功應用。

關鍵詞：自激振蕩式旋轉沖擊；性能；強化設計；牛28-斜15

自激振蕩式旋轉沖擊鉆井工具是通過適當的水力能量轉換機構，將水力能量的脈動效應轉換為作用于鉆頭的周期性沖擊作用力，使鉆頭在旋轉的同時還具有振動效應，這可顯著改善鉆頭與井底附近巖石的受力狀況，有效提高鉆井速度。由于是采用水力脈沖效應直接誘發機械振動，減少了當前旋轉沖擊鉆井技術中普遍采用的沖擊錘等能量傳遞機構，工具結構大大簡化，提高了系統的可靠性和安全性，同時因為水力脈沖的無因次幅值一般在2.0左右，且頻率較高，所以該技術具有“小振幅、高頻率”的特點，這可顯著降低對鉆頭等配套工具的要求，有效降低系統的制造和使用成本。

1工具的原理與結構設計

1.1機械沖擊

鉆井液高速流經自激振蕩器，形成水力脈沖作用于下噴嘴，產生低幅高頻機械沖擊力經鉆頭連接短節傳遞至鉆頭，對鉆頭施加5-20KN、40Hz左右的沖擊力，提高鉆頭破巖效果。

1.2水力脈沖

鉆井液高速流經自激振蕩器所產生的水力脈沖向下傳遞，經鉆頭水眼噴出，形成脈沖射流作用于井底，強化井底清洗，改善井底巖石的受力狀況，降低巖石破壞強度。

1.3結構

鉆頭連接短節與殼體下端的配合通孔段加工成多邊形，鉆頭連接短節穿過殼體下端的通孔，工具內部形成兩級水力振蕩腔，殼體上端通過上接頭與上部鉆柱相連，鉆井液進入水力振蕩腔后，經過諧振、反饋、選頻及放大等自激振蕩過程，形成壓力脈動作用于下噴嘴頂端，經鉆頭連接短節傳遞，形成對鉆頭的周期性的沖擊作用力，使鉆頭產生縱向的機械振動，通過改善鉆頭與井底附近巖石的受力狀況，有效提高鉆頭的破巖鉆進效率，鉆頭機械振動的頻率、峰值和幅值通過調整水力振蕩器的結構尺寸、下噴嘴與水力振蕩腔出口之間的距離以及下噴嘴的尺寸等來獲得。

2 自激振蕩元件的優化及強化設計

2.1 優化

對于該脈沖射流調制工具的結構來講，影響其性能的主要因素是上、下噴嘴直徑，兩腔室連接處直徑和腔室尺寸。

通過對正交試驗的結果分析，優選出一組最優結構，對這組結構的調制工具進行數值模擬，得到出口流速脈動值為26.23m/s，明顯高于其它結構的出口流速脈動值。在泵壓為15MPa，噴嘴出口噴距為20mm、射流介質為清水的條件下，對該組結構的調制工具進行破巖試驗，試驗計時2min，測得破巖深度為19mm。破巖效果明顯優于其他結構。

經過優化設計，自激振蕩式旋轉沖擊鉆井工具水力結構經過優化設計后，沖擊力振幅有明顯提高，從30000N提高到110000N，且調制的脈沖頻率相比優化前更高，沖擊力更加穩定，這對于保護鉆頭，提高破巖效率具有明顯優勢。通過本次研究，提供了一種脈沖調制工具結構優化方法，也為以后系列工具的研制奠定了基礎。2.2關鍵水力元件強化設計。

根據前期的試驗結果，我們發現工具的第一級振蕩腔上噴嘴上端面及第二級振蕩腔的下噴嘴上端面磨損嚴重，是整套工具的薄弱環節；另外，工具在使用時間超過200h后，密封性能逐漸下降，偶見密封失效現象發生，極大降低了工具的提速效果。

在對以上工具磨損原因認識的基礎上，開展了第一級水力振蕩腔上噴嘴部位和第二級水力振蕩腔下噴嘴部位的數值模擬研究。找到了工具的易磨損部位以及發生磨損的原因，繼而我們從結構設計、材料優選和處理工藝優化三方面進行了針對性的強化設計，主要包括以下幾個方面：：

（1）上噴嘴及下噴嘴端面均采用流線型設計，改變了鉆井泥漿的流場及速度突變情況，有效降低了鉆井液對上、下噴嘴的沖刷和磨蝕，提高了其使用壽命；

（2）采用硬質合金材料對上下噴嘴進行了局部加強，提高了水力元件的整體強度，從而提高了其抗沖蝕磨損能力；

（3）水力元件其他易磨損部位采用碳氮共滲處理的合金鋼，從而從整體上提高了水力元件的抗磨損能力，提高了鉆井工具的壽命；

（4）密封選用抗高溫密封材料，可耐溫210℃，有效降低了由于高溫引起的工具密封失效。

3、現場應用

自激振蕩式旋轉沖擊鉆井工具于2012年10月在牛28-斜15井進行了現場應用。

試驗井段：1872-2456m。

試驗地層：東營組、沙一段、沙二段；

巖性：泥巖為主，沙河街組多夾層；

鉆頭型號：P3254M型PDC鉆頭。

鉆具結構：φ215.9PDC鉆頭×0.3m+φ178自激振蕩式旋轉沖擊鉆井工具×1.23+φ177.8無磁×9m+φ177.8鉆鋌×44.92m+411×4A10轉換接頭×0.5m+φ210扶正器×1.38m+4A11×410轉換接頭×0.5m+φ177.8鉆鋌×45.43m+φ127承壓×9.25m+φ127加重鉆桿×102.72m+鉆桿柱。

鉆井參數：鉆壓：20～40KN，轉速：70-90RPM，排量：31L/s，泵壓：10～15MPa，泥漿密度：1.18～1.20g/cm3。

自激振蕩式旋轉沖擊鉆井工具在牛28-斜15井的純鉆時間50小時，進尺584m，工具平均機械鉆速為11.67m/h，鉆速有了明顯提高。鄰井平均鉆速9.6 m/h，相比之下本井平均提速22%，顯著縮短了鉆井周期。

4 結論

（1）工具結構合理、工作安全可靠。

（2）提速效果明顯。依照地層相同，鉆具結構類似，鉆井參數相近的原則進行對比分析。結果顯示，使用自激振蕩式旋轉沖擊鉆井工具鉆速達11.67m/h，與鄰井相比平均提速22%，提速效果明顯。