多功能振荡旋冲螺杆钻具研制与应用
时间：2023-06-17 18:20:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
王建龙，柳 鹤，于 琛，郑 锋，李亚锋，刘 烁
（中国石油渤海钻探工程有限公司工程技术研究院，天津 300280）
随着油气资源勘探开发力度不断加大，深井、大位移井、水平井不断增多，钻井提速提效的需求更加迫切，尤其中深部地层机械钻速低、定向效率低等问题凸显[1-4]。中深部坚硬、软硬交错等难钻地层，机械钻速低；
∅311.2mm 及以上大尺寸井眼，近钻头托压严重，定向困难；
长水平段轨迹控制难度大。这些难题长期制约钻井提速。为了解决这些难题，国内外相继研发了旋冲螺杆、扭力冲击器、液动冲击器、水力振荡器等提速工具。但是，扭力冲击器、多维冲击器、脉冲射流工具等不具备井底动力功能，少数具有冲击振动类螺杆钻具产品，不具备脉冲振荡和脉冲射流功能，无法满足中深部钻井综合提速需求[5-8]。为此，针对硬地层提速、近钻头托压、过平衡钻井岩屑压持效应显著的难题，自主创新研制了集转速扭矩、冲击振动、脉冲射流三种功能于一体的多功能振荡旋冲螺杆钻具，解决了系列提速难题，满足了中深部钻井提速需求，助力提升油气资源勘探开发效益。
螺杆钻具是最常见的井下动力钻具，螺杆转子转速可以通过钻井液排量进行调节，具有性能稳定、工作寿命长的特点[9-11]，通过传动轴回转给钻头输出扭矩。在螺杆钻具的基础上，设计了基于螺杆动力的机械冲击、脉冲振动、脉冲射流结构，集成在螺杆钻具上，形成一种集转速扭矩、冲击振动、脉冲射流于一体的多功能振荡旋冲螺杆钻具。
该工具主要由旁通阀总成、马达总成、万向轴总成、传动轴总成、上脉冲振荡机构、下脉冲振荡机构和冲击振动总成等7 部分组成（如图1所示）。万向轴总成主要作用是将马达产生的扭矩和转速向下传递给传动轴，将马达产生的行星运动转变为传动轴的定轴转动。传动轴总成可将扭矩和转速直接传给钻头，同时将上部动力总成和下部冲击振动总成连接起来，直接驱动冲击振动总成工作产生冲击振动能量。冲击振动总成由凸轮机构和滚轮组成，利用传动轴的回转运动，产生机械振动。
图1 多功能振荡旋冲螺杆钻具结构示意图
该工具能够实现给钻头提供转速扭矩、径向摆动和轴向冲击振动，同时产生脉冲射流。钻井液流经工具时，驱动马达总成高速旋转，带头钻头高速旋转，给钻头提供转速和扭矩；
在马达总成的带动下，钻井液流经上、下脉冲振荡机构的流道产生周期性的截流变化，形成水击脉冲效应，带动附近的钻具产生径向摆动，减缓近钻头处定向托压问题，同时脉冲效应经钻头作用在井底，提高钻头水眼射流冲击力，提高井底岩屑清洗效果，减少岩屑压持效应；
在马达总成的带动下，冲击振动总成产生轴向冲击，直接作用在钻头上，提高近钻头破岩效率。总之，工具能够产生径向摆动，大大降低摩阻，缓解托压，也能够为钻头提供冲击能量，提高破岩效率，还能为钻头提供脉冲射流，促进井底清洁，从而达到钻井提速的目的。
目前，已研发形成了∅127～∅244mm四种规格的系列化工具，利用测试系统测试工具压耗4.0～6.0MPa，工作频率24.0～36.0Hz，振幅4.0～8.0mm，冲击力5.0～25.0kN，耐温150.0℃，具体性能参数如表1所示。
表1 多功能振荡旋冲螺杆钻具性能参数表
上脉冲振荡机构、下脉冲振荡机构和冲击振动机构为多功能振荡旋冲螺杆钻具的核心机构，下面着重介绍3个机构的结构和设计理念。
2.1 上脉冲振荡机构设计
脉冲振动是依靠流体压力的变化而产生的，而流体压力的变化主要是依靠过流通道的变化实现的。多功能振荡旋冲螺杆钻具是流体驱动马达产生的转动，上脉冲振荡机构主要考虑利用马达的回转运动，带动上脉冲振荡机构产生钻井液过流通道的大小变化，进而产生周期性压力脉冲变化，带动附近钻具产生摆动。
上脉冲振荡机构主要由固定环、节流环、挠轴组成，如图2所示。挠轴在马达的带动下旋转，带动节流环相对于固定环转动，过流通道发生间歇性地打开和关闭，过流面积发生周期性变化，产生压力脉冲，在工具内部产生水击振动，带动工具产生摆动，达到降低摩阻、缓解近钻头托压的作用。
图2 上脉冲振荡机构结构示意图
2.2 下脉冲振荡机构设计
下脉冲振荡机构的设计思路与上脉冲振荡机构设计思路一致，只是其上下连接部件不同，导致结构设计有所差异。
下脉冲振荡机构主要由万向轴、水槽、阻水筋、传动轴组成，如图3所示。马达带动万向轴和水帽转动，钻井液通过万向轴外部进入水帽流道流向钻头，水帽对应外壳内壁镶嵌有硬质合金阻水筋，水帽流道不断被阻水筋阻挡，产生局部水击效应，形成水力脉冲引起工具振动。同时钻井液通过水帽直接输送给钻头，为钻头提供脉冲射流，促进井底清洁。水力脉冲频率由水帽流道个数和阻水筋个数决定，频率可调。
图3 下脉冲振荡机构结构示意图
2.3 冲击振动机构设计
轴向冲击振动是利用上部钻具施加的钻压进行控制，冲击振动机构是考虑依靠马达的回转运动转换为周向冲击振动，设计利用凸轮的结构，改变马达传动轴总成的轴向运动位移的变化，在上部钻具施加钻压的作用下产生轴向冲击振动。
冲击振动机构主要由凸轮、滚轮、冲击部件和上下传动轴组成，如图4所示。上下传动轴在马达和万向轴的带动下旋转，凸轮跟随传动轴旋转，滚轮受外管约束不动，二者发生相对运动，滚轮沿凹凸轨道运动，产生轴向冲击振动，提高钻头破岩效率。冲击力和冲击频率可依靠凸轮滚轮个数进行调整，同时也受马达转速影响。
图4 冲击振动机构结构示意图
多功能振荡旋冲螺杆钻具在井下作业时受力状况复杂，且自身处于动态振动过程，仅靠地面静态承压实验、拉扭试验不足以满足研发和测试需求。因此，综合考虑测试平台的采集功能、采样频率、测量精度等方面，开发了测试平台，配套开发了多通道数据采集系统。
测试系统主要由试验台架、数据采集和存储系统组成。其中，试验台架由夹持装置、泵站、电机、电动调节阀、截止阀、管路、法兰及附近；
数据采集和存储系统包括计算机、数据采集卡、传感器（压力、位移、流量、加速度、冲击器传感器）、电源、工具箱组成。能够实现对冲击振动类钻井提速工具的排量、压力、振动频率、振幅、加速度等参数进行测量。该套测试系统能够采集16路信号，采样频率达到1000Hz，测量精度达到0.1%，具备实时采集和事后回放功能。如图5所示。
图5 测试系统及实验结果示意图
多功能振荡旋冲螺杆钻具在山西、苏里格、冀东、大港、四川等地区现场试验48口井，提速效果明显，试验井段相比邻井平均机械钻速提高35.6%。现场试验表明：工具性能可靠、耐高温、使用寿命长，试验井段最高温度125℃，最长入井工作时间达到200h，均因中完或者其他原因起钻，起出工具仍可再次入井。
4.1 长宁页岩气
川渝页岩气上部∅311.2mm 井眼定向托压严重，滑动钻进机械钻速仅为3.44m/h，钻遇茅口组、栖霞组，含有黄铁矿和燧石结核，硬度高研磨性强，钻头磨损严重，机械钻速较低，仅为1.5～2.2m/h，是提速提效的关键阶段。
∅244mm 多功能振荡旋冲螺杆钻具在川渝页岩气应用了3 口井，平均机械钻速和滑动钻速分别提高43.1%和52.8%，钻井周期明显缩短，起下钻次数和钻头数量明显减少，如表2所示。与常规螺杆相比，采用小尺寸扶正器或无扶正器，仍能获得较高造斜率。其中，A 井一趟钻进尺1540m，平均机械钻速10.25m/h，滑动平均机械钻速4.20m/h，创造了∅311.2mm 井眼一趟钻完钻、单只钻头进尺最多两项记录。
表2 多功能振荡旋冲螺杆钻具在长宁页岩气应用情况统计
4.2 山西煤层气
山西煤层气二开∅215.9mm井眼纸坊组—石千峰组会钻遇大段致密砂岩、泥岩、石板层等地层，硬度高、研磨性强导致机械钻速低。∅172mm多功能振荡旋冲螺杆钻具在山西煤层气应用8口井，机械钻速提高20%～60%。其中，大吉19 井应用两趟钻，总进尺1284m，平均机械钻速提高47.2%。
4.3 冀东油田
冀东油田高尚堡区块三开215.9mm 井眼东营、沙河街组地层岩性主要以灰色泥岩、细砂岩并夹杂砾岩、玄武岩，岩石可钻等级5～7 级，地层坚硬且研磨性强，机械钻速较低，仅为3.0m/h。∅172mm多功能振荡旋冲螺杆钻具在冀东油田应用27 口井，平均机械钻速提高了12.3%～96.62%。其中，南堡36-3005井两趟钻进尺215.5m，平均机械钻速5.25m/h，较邻井井斜钻速提高75.0%。
（1）多功能振荡旋冲螺杆钻具是基于马达行星运动的稳定回转控制动作设计而成，在常规螺杆钻具的基础上，增设上下脉冲振荡机构和冲击振动机构，能够实现径向摆动和轴向冲击振动，同时产生脉冲射流。
（2）配套开发性能参数测试系统，检测压力、振幅、加速度、频率、排量等时域变化，多通道高精度采集分析功能够满足工具性能测试需求。
（3）现场48口井试验表明，多功能振荡旋冲螺杆钻具具有缓解近钻头托压、提高近钻头破岩效率的功能，平均机械钻速提高35.6%，该工具性能可靠、耐高温、使用寿命长。
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