旋沖鉆井用液動(dòng)射流式?jīng)_擊器缸體一體化設(shè)計(jì)

旋沖鉆井用液動(dòng)射流式?jīng)_擊器缸體一體化設(shè)計(jì)

0提高破巖效率根據(jù)國(guó)家“863”計(jì)劃，脈沖鉆孔技術(shù)是解決硬巖石鉆探問(wèn)題最有效的方法之一。將該技術(shù)應(yīng)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(shù)是在常規(guī)鉆井鉆具組合的基礎(chǔ)上,根據(jù)射流附壁效應(yīng)及切換原理,利用液動(dòng)射流式?jīng)_擊器對(duì)鉆頭施加高頻沖擊,致使鉆頭齒下巖石產(chǎn)生強(qiáng)應(yīng)力集中,以降低巖石塑性,增加脆性,并迅速產(chǎn)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(guó)統(tǒng)一機(jī)制下的“兩網(wǎng)”實(shí)現(xiàn)旋沖鉆井技術(shù)的核心工具是液動(dòng)射流式?jīng)_擊器。該沖擊器的工作原理示意圖如圖1所示。鉆井液經(jīng)鉆桿輸入射流元件,根據(jù)射流元件的附壁效應(yīng)和雙穩(wěn)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(dòng)活塞在缸體中上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng),活塞帶動(dòng)沖錘頻繁沖擊砧子,砧子將沖擊能量傳遞到鉆頭,達(dá)到破巖目的。2液動(dòng)射流式?jīng)_擊器機(jī)構(gòu)目前,液動(dòng)射流式?jīng)_擊器缸體的加工方式主要是焊鑲和粘接。將金屬環(huán)片和缸本體焊鑲或粘接在一起,同缸本體一起圍出下腔進(jìn)水道。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,現(xiàn)場(chǎng)條件十分惡劣,在活塞和沖錘的反復(fù)高頻振擊下,焊鑲和粘接部位極易開(kāi)裂導(dǎo)致泄漏、卸壓,再加上鉆井液的長(zhǎng)時(shí)間沖蝕,裂縫會(huì)越來(lái)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(xù)不穩(wěn),影響沖擊器的性能。此外,受環(huán)境、人工誤差等諸多因素的影響,焊鑲及粘接質(zhì)量不穩(wěn)定,影響缸體的成品率和工具的加工質(zhì)量及加工周期,沖擊器的使用壽命很難保證。為此,筆者對(duì)液動(dòng)射流式?jīng)_擊器缸體進(jìn)行一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),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(qiáng)度、高耐磨、高韌性、適合氮化等優(yōu)點(diǎn),且具有良好的力學(xué)性能,可提高沖擊器缸體的質(zhì)量,增強(qiáng)其加工穩(wěn)定性,延長(zhǎng)沖擊器使用壽命。缸體內(nèi)表面采用液體氮化加氧化工藝處理,缸體內(nèi)壁被均勻氮化,既增強(qiáng)缸體內(nèi)壁的耐磨性,又提高其潤(rùn)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(cè)量原理對(duì)該結(jié)構(gòu)的液動(dòng)射流式?jīng)_擊器進(jìn)行了性能測(cè)試試驗(yàn)。圖3～圖5為試驗(yàn)測(cè)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(dòng)射流式?jīng)_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(shù)增大趨勢(shì);沖擊功與行程之間呈二次多項(xiàng)式的關(guān)系;而沖擊頻率隨行程的增加呈線性下降趨勢(shì)。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(shù)均呈增大趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)液動(dòng)射流式?jīng)_擊器的性能參數(shù)得到優(yōu)化,具有良好的工作穩(wěn)定性,在不同排量下具有穩(wěn)定的沖擊末速度、沖擊功和沖擊頻率。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中,可以通過(guò)調(diào)節(jié)沖擊器的行程參數(shù)和操作參數(shù)獲得最佳的沖擊功和沖擊頻率,以滿(mǎn)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(yù)探井,其三開(kāi)設(shè)計(jì)井段為2010～3800m,鉆遇登婁庫(kù)組、營(yíng)城組、沙河子組和火石嶺組等地層。為了探索提高松南地區(qū)深部地層機(jī)械鉆速的配套技術(shù),該井在三開(kāi)鉆井期間引進(jìn)了旋沖鉆井技術(shù),使用液動(dòng)射流式?jīng)_擊器進(jìn)行旋沖提速試驗(yàn)研究。4.1鉆頭使用情況松南地區(qū)一般在2000m以下鉆進(jìn)速度開(kāi)始變慢,在2800m以下提速是提高機(jī)械鉆速的關(guān)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(shí)施旋沖鉆井技術(shù)前,該井在2826～3229m井段鉆進(jìn)共使用5只牙輪鉆頭,鉆頭使用及機(jī)械鉆速情況如表1所示。由表可知,機(jī)械鉆速雖然為1.01～1.18m/h,但隨著井的不斷加深,機(jī)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(jìn)旋沖鉆井技術(shù)。4.2旋沖鉆井技術(shù)旋沖鉆井期間的鉆井參數(shù)為:鉆壓180～220kN,轉(zhuǎn)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(dòng)射流式?jīng)_擊器+?158.8mm無(wú)磁鉆鋌×1根+?158.8mm鉆鋌×1根+?213.1mm穩(wěn)定器+?158.8mm鉆鋌×16根+411×410轉(zhuǎn)換接頭+?127.0mm加重鉆桿×15根+411×520轉(zhuǎn)換接頭+?139.7mm鉆桿+521×410轉(zhuǎn)換接頭+?127.0mm方鉆桿。在旋沖鉆井前,于3234m處測(cè)得井斜為13.1°,方位角為95°。旋沖鉆井鉆至井深3308m,進(jìn)行了1次測(cè)斜。測(cè)斜結(jié)果為:井斜12.8°,方位角98.7°,與上段測(cè)斜點(diǎn)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(jìn)階段,旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井在3244～3352m段正常鉆進(jìn)并取得了明顯的效果。旋沖鉆井鉆頭使用及機(jī)械鉆速情況如表2所示。在營(yíng)城組2844.35～2918.21m井段平均機(jī)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(shù)鉆進(jìn),雖然地層比營(yíng)城組埋藏深,但平均機(jī)械鉆速達(dá)1.860m/h,提高63.2%。鉆進(jìn)至3281m進(jìn)入火石嶺組,鉆速有所下降,為1.412m/h。同型號(hào)MXL-DS44CDX鉆頭在同樣的砂泥巖地層鉆進(jìn),使用旋沖鉆井技術(shù)與不使用旋沖鉆井技術(shù)機(jī)械鉆速對(duì)比如圖6所示。由圖可見(jiàn),使用旋沖鉆井技術(shù)后,正常鉆進(jìn)的平均機(jī)械鉆速達(dá)到1.636m/h。與上部地層同型號(hào)鉆頭的平均機(jī)械鉆速相比提高43.5%,與上部相鄰井段的平均機(jī)械鉆速相比提高53%。旋沖鉆井技術(shù)為該井段節(jié)約鉆探成本約48.25%。由此可見(jiàn),該結(jié)構(gòu)的液動(dòng)射流式?jīng)_擊器可以有效地提高深部硬地層的機(jī)械鉆速,防止井斜,降低鉆井成本。同時(shí),在硬地層采用旋沖鉆井技術(shù)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(wú)(1)將液動(dòng)射流式?jīng)_擊器缸體進(jìn)行一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)具有良好的工作穩(wěn)定性。(2)在現(xiàn)