钻井旋冲工具提速机理及结构设计

程汉列

摘要：钻井旋冲技术因其快速高效的特点，具有明显的经济效益，因此被广泛应用于各类勘探开发、钻探开采领域，尤其是在页岩气开发中具有巨大的发展潜力。射流式液动冲击工具的能量利用率高，相应的适应性好，具有很高的应用价值。在钻进过程中和螺杆马达钻具配合可以很好的避免施工周期长、钻进效率低、钻探成本高等难题。本文围绕射流式液动冲击共具理论分析与结构设计，对冲击工具工作原理进行简要分析，对工具结构强度进行校核，完成了钻井用射流式液动冲击工具的结构设计。

关键词：钻井工程;旋冲工具;机械设计;钻井提速

中图分类号：TE242文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）06-0186-04

在石油钻井过程中钻头的机械效率的高低直接影响钻井效率，而在如今的钻井过程中，随地层厚度的增加，在重力场的作用下，钻井液柱压力增大从而大幅提升了岩石的压缩性，使岩石颗粒间的距离变短，提升了岩石的强度，随围压的增加明显增高，迫使钻头的破岩体积减少，从而降低钻头机械转速，影响了钻井的效率。

如今的钻井工程具有技术密集、高投资和高风险的特点。钻井技术的优劣和水平直接影响油气勘探开发效益。在国外市场钻井设备配套、工具仪器研发、钻井高新技术研究与应用得到了高度重视和快速发展，钻井费用的投资也已经转矩了勘探开发总投资的一半以上，钻井新技术的不断滋生，研究力度的不断加大也使得工程研究人员看清钻井技术不仅仅只是打开和建立油气通道，更是为了提高采收率、提高油气井产量等增储上产的新途径和主要方法。

常规的旋转钻进方法在这些井的钻进过程中遇到的坚硬地层下并不能得到很好的收益，破岩效果差，钻进效率低问题是目前此方面应该重点解决的，其中井斜问题造成钻井成本的增加，也成为一个很棘手的问题。在水平井和大位移井中，在位移增加情况下，水平井段的加压难度也不断的提高，这样很容易导致钻具的损坏。页岩气勘探与开发的难题主要体现在钻进和钻进过程，需要钻穿大段坚硬地层，提高钻井速度对于降成本增效益具有特别突出的意义，而旋冲钻井技术正是突破岩层的一项新技术，旋冲工具提速是符合生产与综合经济效益需要的重要技术。

1 旋冲钻井提速机理

1.1旋冲钻井及钻具结构

旋冲钻井技术就是指旋转钻井时，附加一个由冲击器产生的高频冲击作用，从而能让钻头能周期性的受到冲击载荷的作用。作为一种利用井下动力钻井的技术，特别是PDC钻头钻遇特定岩层扭矩变化大，存在粘滑效应时，旋转冲击能较好的抑制影响钻速的粘滑效应。旋冲钻井利用的是冲击载荷和静压旋转协同进行破碎。

钻具组合：钻头+冲击器+钻铤+钻杆+方钻杆，地面使用与常规钻井相同的设备。

液动冲击回转钻探就是以回转钻探为基础，使用冲洗液驱动的液动潜孔锤将固定频率的冲击能量施加在钻头上，实际上就是利用钻头上所施加的冲击负荷进行回转钻探。进行钻进时，液动锤的安装位置为钻杆或岩心管与钻头之间，随着钻头钻孔的深入对其施加冲击负荷，其在多种钻探行业都有應用，如矿产、石油勘探等。作为回转钻探的重大变革，液动冲击回转钻探是在金刚石钻探之后的新钻探技术。此技术能够利用质地坚硬岩石脆性大、抗剪强度低及耐冲击力差的缺点去有效的应对坚硬岩石地层和部分复杂构造岩层钻探效率低、钻孔质量差的问题。对于硬脆性地层，此钻井技术能提高机械钻速30%。

1.2旋冲提速机理及优势

机械冲击与水力脉冲联合作用，改善井底岩石的受力状况，降低岩石破坏强度;对钻头施加5～20KN、500～700Hz的高频低幅冲击力，增大钻头吃深，有利于岩石形成体积破碎;在轴向冲击作用下，减少钻头粘滑现象，并有利于防止钻头泥包;“冲击传递杆”的游动行程可防止钻头跳动，有利于延长钻头寿命，增加进尺。

旋冲钻具的优势：能够大幅度提高硬脆性、破碎性，提升地层钻井速度，在应用时可以提高钻速达10%～50%以上，符合目前增产增效的需要;可配合牙轮钻头和PDC钻头使用，开始运用阶段多为牙轮钻头，随着技术的提高，加上录井的准确性提升，目前多配合PDC钻头使用;旋冲钻具使用中的敲击力与所加钻压相关，提离井底即停止敲击;旋冲钻具在使用中对遥测工具（如MWD等随钻仪器）无影响;旋冲钻具在使用中可以与油井马达组合使用，更能提高综合效率;旋冲钻具冲击锤与水力振荡器类似，产生轴向运动，降低近钻头摩阻，以此来有效的减少钻头磨损，降低相应的钻井成本，满足一定的井身质量要求，避免出现损坏的问题，而在此过程中应用旋冲钻井技术的更为关键;旋冲钻具的冲击锤与水力振荡器一起，在大位移钻井应用，改善应用效果，延长水平段;旋冲钻具可以满足旋冲钻井技术要求，可应用任何井型：硬地层/页岩/直井和水平井快速钻井，适用范围较广;旋冲工具的使用有利于录井，提高录井数据的准确值。

1.3旋冲钻具结构

旋冲钻具的组成分为动力、冲击、传压传扭等系统构成。其中动力系统可转化流体能量为机械能量，其组成为导流体、叶轮等;冲击系统是转化机械能为周向性的高频冲击能量，其组成为上盘阀、下盘阀、锤头等;传压扭矩系统是将钻压和扭矩进行有效传递，其组成为马达、液力锤等。其动力总成是钻头转速和输出扭矩的保障。

液力锤其组成分为上心轴与下心轴，钻头敲击力和机械和液压综合作用存在密切的关系，在此操作过程中提离井底即停止敲击。在钻探过程中两个心轴之间的相互啮合也可以导致出现轴向运动，在此基础上的传递钻压。旋冲钻具可以依次连接钻头（牙轮或PDC）、液力锤机构、马达驱动轴总成+弯角调节套、马达动力总成6-7/8”（/8头5级）、上接头，形成组合钻具配合适用。

1.4旋冲钻井破岩特点

旋转钻井的发展产生了旋冲钻井，在进行旋冲钻进的过程中，静载荷和动载荷是牙轮钻头受到的常规载荷，除了这两种，冲击器还能产生一个高频的冲击载荷施加在牙轮钻头上，能够有效的降低岩石形变时间，加快岩石变形速度，在冲击之后，相应的冲击力无法及分散，导致应力的波动很多，这也加速了岩石脆性降低。而对比分析可知硬度大的岩石抗压强度大，脆性也大，在一定的冲击载荷作用下，裂缝增大，这样很容易在破碎后形成坑穴和剪切体，而导致对于其后的体积破碎更明显。

2旋冲工具结构设计

2.1钻具结构设计

在钻井过程中，相应的冲击工具配合钻具进行钻进，而钻进的效果和螺杆，冲击功、工作频率等因素存在一定的相关性。结合页岩气地层物理属性、钻井液性能等因素，设计射流式液动冲击工具的外径为中203mm，长度在2.95～3.05m（3m左右），工具的额定工作流量一般为50L/s左右，而依据相应的标准，文章在设计过程中，活塞进行往返运动的行程范围暂定在20-100mm之间。设计单次冲击功为400J，稳定工作频率为5-25Hz，冲击力为5-40kN，适用钻孔直径为241-311.5ram，压力损失为2-7MPa。

射流式液动冲击工具结构如图3～2所示，旋冲工具开始工作后，钻井液自泥浆泵处输出，顺着钻杆流经工具上接头人液口、上压盖6，输出至射流元件。钻井液经元件喷嘴流出后形成高压流体附壁在射流元件左右侧，进而进入到缸体前后腔内带动活塞与冲锤在水平面上不断的迁移，而在高压流体的作用下，其先进入到后腔，可以在一定的速度作用下推动活塞运动，到而在达到终点后，活塞对缸体后腔产生压迫，后腔内压力线性递增，后腔压力使得高压流体在射流元件内切换至另外一侧，压力将流体压人缸体前腔，在一定的能量传递作用下，促使活塞与冲锤不断的回程运动。在活塞此方面的运动过程中，前腔内流体由元件孔排出，射流元件内的高速流体会不断的出现附壁切换的问题，而导致相应的活塞也不断往复运行。而根据结构设计，活塞与冲锤之间相连接，因此两者都会在水平面上进行往复運动。活塞与冲锤往复运动产生的冲击能传到到液动旋冲工具下部砧子，砧子将冲击能传递至钻头，实现冲击钻具的往复运动冲击击破地下岩层。

这种系统的组成结构较为复杂，主要的组成单元有射流元件、外缸、冲锤、下接头等，尤其是射流元件起到关键作用。为了确保工具的使用寿命满足相应的应用要求，同时保证元件不受到钻井液内药品的损害，不影响工具的准确性和灵敏性，应该确保冲击器的结构符合相关的标准。在选择材料时一般选择高强度的合金钢等专用金属材料，局部采用经济实惠、同时强度高的硬质合金材料加工，结合现场实际使用需求，完善结构设计图，做到解决工具本体内射流元件的磨损问题、运行过程中相应的摩擦问题、振动问题以等，提高使用寿命。

2.2工具强度

射流式液动冲击工具在钻井过程中正常工作时，除了有地层温度、地层岩性、地层流体压力、冲击力相关因素的影响，与此同时和外部扭矩也存在一定的相关性，对工具本体或多或少会造成损伤。作为整个工具最为核心的射流元件在使用过程中可能会与钻井液内药品发生腐蚀反应，在高速情况下也可能会被钻井液所携带的钻屑冲击损伤，使得其实际使用寿命不理想，达不到一趟钻井的寿命要求。西南地区地层浅层气、硫化氢气体活跃，容易发生氢脆断裂、脱扣事故，且钻井垂深较深，大部分为水平井，水平段在900-1300m左右，一旦发生断裂，工具的打捞困难很大，有可能会导致井段报废;同时根据甲方要求在三开使用油基钻井液，内含多种化学药品，一旦被钻井液腐蚀可能会导致零件不灵敏甚至损毁，对下步施工的准确性有一定的影响。

为了保证工具可靠耐用，对工具外壳、内部零件的强度要求极其严格，在实验前必须对工具各个部件进行刚度检测、探伤检测，保证能够满足与孔底螺杆钻具配合应用时的刚度要求，在此省略加工过程中对工件的强度校核过程。

3 现场应用

2018年7月30日至8月2日，在承钻的LY2井一开φ311.1井眼飞仙关组、长兴组、吴家坪组525-811m和811-842m井段进行了旋冲钻井提速试验。

第一趟钻钻进井段525-811m，冲击器进尺工作时间43h，其中纯钻时31.5h，总进尺286m，平均机械钻速9.08m/h，地层为飞仙关组、长兴组、吴家坪组（610m进入长兴组，770m进入吴家坪组）。

第二趟钻钻进井段811-842m，冲击器进尺工作时间5h，其中纯钻时2.5h，总进尺31m，平均机械钻速12.4m/h，地层为吴家坪组。

可以看出：隆页2井长兴组使用冲击器、钻压80-100kN钻进比隆页1井同地层提速幅度大幅提升，提高72.31%，初步可以验证使用冲击器钻井可以有效提高钻井速度，如果钻压能够提高到100-140kN正常钻压值，其提速效果应该更显著。

4 结语

目前射流式冲击器已在中石化、中石油、中海油及道达尔等国内外区块共计应用120多井次，平均提速40%以上，使用寿命120h以上。在相同成本下旋冲工具能够快速高效的钻进，不仅缩短了钻井周期，让钻井队能够更快的完井进行下一口的的作业，给钻井公司带来了盈利空间。