强力液动射流式冲击器在彭州4-2D井的应用

尹慧博

（中国石化石油工程技术研究院，北京 100101）

彭州页岩气区块须家河组垂深为2 500 m～4 600 m。地层岩性主要为深灰、黑色（炭质）页岩、粉砂质页岩与灰色粉砂岩、细粒岩屑砂岩略等厚互层。该层段岩石硬度高、研磨性强，还伴随漏失、掉块、缩径等井下复杂情况。采用马达配合PDC 钻头，机械钻速仍然较低，在2 m/h 左右，造成钻井周期长，成本高。因此，有必要在该层段引进有效的提速提效技术。液动射流冲击器旋冲钻井技术是解决硬地层机械钻速低的有效技术手段之一，该技术用于使用液体（泥浆或清水）作为循环介质钻井提速。液动射流冲击器在钻具组合中通常装在钻头上部，在钻进过程中，当钻井液流经该提速工具时，基于射流附壁原理，液体有规律的流经工具内部缸体的上腔和下腔，驱动活塞冲锤产生往复运动，在轴向对钻头施加高频动载冲击，辅助钻头高效破岩。同时，有利于防止钻头憋卡或打滑，也有助于减少跳钻等有害振动，进而延长钻头的使用寿命，提高钻头单次进尺，降低钻井成本，缩短钻井周期[1-4]。YSC-228 型强力液动射流式冲击器在涪陵区块Φ333.4 mm 井眼取得成功提速，为本区块提速奠定了很好的实践基础。因此，结合本区块的地层岩性特点，通过优化钻井参数、钻具组合，优选射流冲击器匹配钻头，将为该区块提供一种新的钻井提速技术。

1 彭州4-2D 井地层概况

YSC-228 型强力液动射流式冲击器应用层段为须家河组，以泥岩、页岩及砂岩为主，地层坚硬、研磨性强，在该钻井区块，层段岩石抗压强度平均为148 MPa，最小抗压强度为67 MPa，最大抗压强度达278 MPa。由于上部页岩不稳定，造成泥浆黏度增大，泥浆黏度达1.96 mD。该层段采用井下电动机及其他井下动力工具提速效果不明显，使用混合钻头提速效果也不明显，目前主要采用PDC 钻头与螺杆配套使用，机械钻速在2 m/h 左右。YSC-228 型强力液动射流式冲击器应用井段深度及地层岩性情况（见表1）。

表1 应用井段地层岩性情况

2 强力液动射流式冲击器开发及参数设计

强力液动射流式冲击器与常规冲击器对比，一方面，通过对核心部件缸体结构创新设计，研发了加工材料，优化了加工工艺，大幅度提升了缸体的性能，进而提高了整机有效工作时间；另一方面，在整机工作寿命提高的基础上，结合拟应用井段的岩石抗钻特性强化工具的性能参数，实现高频大功率冲击辅助破岩，提高破岩效率。

2.1 核心部件缸体设计

前期射流冲击器试验应用过程中，缸体流道采用橡胶密封方式，密封很快失效，尝试采用焊接方式构成缸体流道，但焊缝在高压交变压力和冲击振动下产生开裂，造成缸体失效，成为制约射流冲击器工业化应用的瓶颈。为彻底解决上述问题，创新设计了一体化非橡胶密封铸造缸体，由于没有橡胶密封材料，也无需焊接，消除了以往出现的密封失效、焊接开裂等问题。同时研制出具有高强度、高耐磨、高韧性材料，整体铸造成型，消除残余应力，表面渗氮处理，表面硬度达1 100 HV，提高了缸体内壁的耐磨性，大大提高了缸体的性能，并将冲击器的整体寿命提高到了120 h 以上。

2.2 工具整机参数设计

常规冲击器冲击功通常在400 J，强力液动射流式冲击器冲击功达660 J，适于提高坚硬岩石破岩的破岩效率。在实际应用中还要考虑钻头的抗冲击性能，因此，有必要分析钻头的抗冲击性能，确保工具性能参数与钻头抗冲击参数合理匹配（见表2）。YSC-228 型强力射流冲击器结构示意图（见图1）。

表2 YSC-228 型强力液动射流式冲击器参数

图1 YSC-228 强力射流冲击器结构示意图

2.3 匹配钻头优选

结合本次试验井段的岩石抗钻特性及钻头选型原则，本次试验优选了MQ616J/S323 型钻头为冲击器配套试验钻头。该钻头为6 刀翼，双排齿钻头，为了确保该钻头与液动射流冲击器配合使用的安全性和可靠性，对该钻头的抗冲击性能进行了深入分析。液动射流冲击器在井下工作时，对钻头产生轴向冲击，为此，本文重点分析了钻头在轴向冲击载荷作用下的受力情况。钻头冠部的PDC 齿承受轴向载荷，在轴向冲击载荷的作用下，钻头冠部PDC 齿所受到轴向力是不同的，与冲击器匹配钻头冠部PDC 齿所受轴向力分布规律[5-9]，其中内锥齿承受最大的轴向力为1 kN，由内向外PDC 齿承受的轴向力逐渐减小（见图2）。布置在钻头外侧的保径齿则不承受轴向载荷。

图2 钻头冠部PDC 齿承受轴向力的分布规律

MQ616J/S323 型钻头总共有62 颗PDC 齿，其中承载轴向冲击能的冠部齿有51 颗。该钻头的PDC 单齿抗冲击功为28 J，冠部齿整体抗冲击能力为1 428 J，而液动射流冲击器设计最大冲击功为348 J，远远小于钻头所能承载的冲击功。实际上，钻头PDC 齿所受轴向力的分布规律是内锥部位最大，向外依次减小。内锥承受载荷为平均载荷的1.8 倍，单齿受到冲击功平均6.8 J（348 J/51），内锥受到的最大冲击功为12.24 J（1.8×6.8 J），远远低于PDC 单齿所能承受的冲击功28 J。综上分析，PDC 钻头整体抗冲击功大于冲击器设计的冲击功，钻头单齿承受最大冲击功是安全的。因此，该钻头完全可与液动射流冲击器配合使用，不会产生崩齿和损坏现象。

为了分析与射流冲击器配套钻头综合性能，在对钻头轴向承载能力分析的基础上，进一步分析了该钻头冠部PDC 齿的扭矩分布规律，分析结果（见图3）。

图3 钻头冠部PDC 齿扭矩的分布规律

从图3 可见，在冲击载荷下，钻头冠部齿扭矩从内向外逐渐增大，最大达105 N·m。图中序号1～6，分别代表钻头的6 个刀翼，彩色小球代表刀翼上的各个单齿。

2.4 旋冲钻井参数设计

旋冲钻井参数包括：排量、钻压、转速、冲击功（冲击力）及冲击频率，即在常规钻井参数的基础上增加了冲击器的性能参数（冲击功和冲击频率）。通常情况下，常规钻井参数保持原钻井设计参数不变，冲击功和冲击频率则依据拟应用井段的岩石抗钻特性（抗压强度）确定。通过试验分析，岩石的抗压强度与破岩冲击功存在匹配关系，岩石产生体积破碎需要一个最小的冲击功，不同岩石体产生体积破碎所需要的最小冲击功不同，存在一定的规律[10，11]，依据上述规律优化冲击功，冲击频率作为辅助设计参数，当确定了冲击功，相应的确定出冲击频率（见图4）。为满足不同岩层破岩所需冲击功，冲击功设计为可调节的，通常采用改变冲锤的质量、活塞运动的行程、分流孔的孔径等方式调节。旋冲钻井优化设计参数（见表3）。

图4 泥岩、页岩、砂岩抗压强度与冲击功的关系

表3 旋冲钻井参数设计

3 现场应用

彭州4-2D 井为一口评价井，设计井深6 545 m，YSC-228 型强力液动射流式冲击器应用井段2 657 m～3 051 m，该层段岩石抗压强度在128 MPa～278 MPa。现场应用采用前述提速方案，优化了冲击器性能参数冲击功和冲击频率；依据岩石特性、钻头模拟分析优选匹配钻头；通过水力参数计算，设计最优排量、泵压等参数。优化了井下钻具组合：φ333.4 mmPDC+φ244.5 mm 0.75°单弯螺杆+731×630+631×631+YSC-228 型强力液动射流式冲击器+631×730+φ330 mm 扶正器+731×731+φ229 mm 浮阀+常规钻具+顶驱。实时跟踪井下工况，及时调整钻压和转速，优选钻压100 kN～120 kN，转速90 r/min～100 r/min，排量45 L/s～50 L/s。

钻进井段2 657 m～3 051 m，进尺294 m，纯钻时间92.5 h，循环时间18 h。工作时间110.5 h，钻至3 051 m，中完起钻，起钻后检查工具保持完好。

YSC-228 型强力液动射流式冲击器钻进井段平均机械钻速4.3 m/h，较上部相邻井段机械钻速（3.3 m/h）提高30.3 %，较邻井鸭深1 井平均机械钻速（2.5 m/h）同比提高72 %，较邻井平均机械钻速（2.2 m/h）同比提高95.5 %（见表4）。

表4 与邻井钻速对比情况

由表4 可以看出：在彭州4-2D 井须家河组5 段使用冲击器与邻井提速效果显著。验证了使用冲击器钻井可以有效提高钻井速度。

综上，在正常钻进条件下，使用液动射流冲击器钻井，机械钻速同比可以得到大幅度提升，为该区块须家河硬地层钻井提供了一种新的有效的技术手段。

4 结论与建议

（1）通过钻具组合优化设计，YSC-228 型强力液动射流式冲击器匹配钻头优选，以及液动射流冲击器旋冲钻井参数设计，在彭州4-2D 井Φ333.4 mm 井眼硬地层成功提速，较邻井平均机械钻速同比提高了95.5 %，为该区块提供了有效的提速手段；

（2）在坚硬研磨性地层，使用YSC-228 型强力液动射流式冲击器在现场应用中，针对应用井况，通过旋冲钻井参数及钻具优化，钻头抗冲击参数分析及合理匹配，是提高钻井机械钻速，减少了钻头磨损，增加了钻头单次进尺关键；

（3）基于液动射流冲击器与PDC 钻头及螺杆马达配合的钻具组合在彭州页岩气区块须家河上部应用，其提速效果得到了充分的证明，在须家河下部地层提速应用有待进一步验证。