射吸式冲击器在塔里木地区的现场应用

李 玮， 高海舰

(东北石油大学 石油工程学院，黑龙江 大庆 163318)

射吸式冲击器在塔里木地区的现场应用

李 玮， 高海舰

(东北石油大学 石油工程学院，黑龙江 大庆 163318)

随着油气勘探开发向纵深发展，深井、超深井数量逐渐增多，钻遇地层硬度随之增大，机械钻速大大降低。针对该问题，研制了射吸式冲击器。通过给钻头提供高频的轴向冲击力，辅助破岩，从而大大提高机械钻速。室内实验验证了射吸式冲击器的高频轴向冲击振动可以为钻头提供一定的冲击力。现场试验结果表明，使用射吸式冲击器后，机械钻速提高了133.0%，并且射吸式冲击器的井底纯钻时间达到130 h，工具井下工作时间154 h，寿命大幅度提高。该项研究结果为射吸式冲击器在钻井过程中的合理应用提供了理论依据。

钻井提速； 机械钻速； 射吸式冲击器； 轴向冲击

在石油钻井中，常规的旋转钻井是目前应用最广泛的钻井方式[1]。这种钻井方式在浅部地层有较快的机械钻速，在深部地层中机械钻速较低。针对深井、超深井中地层岩性复杂、单位进尺成本高的问题，国内外学者提出了旋转冲击钻井技术，该技术的核心是在钻头前安装一套液动冲击器[2]。液动冲击器增加了钻头在深部地层的破岩效率，提高了机械钻速。当前常用的轴向液动冲击器有脉冲接头、水力振荡器、射流式冲击器和射吸式冲击器等，其中射吸式冲击器是我国自主研发的一种液动冲击器。袁光杰[3]分析了背压式液动冲击器的工作过程，建立了冲击器动力学模型，并且结合现场数据提供了一套冲击参数设计方法，为冲击器的改进提供了依据；陈晶晶等[4]对液动射流式冲击器的工作过程进行了分析，建立了冲击器运动方程，并设计了冲击器辅助设计软件；秦华伟等[5]设计了一种基于海洋高压的液动轴向冲击器，在能量利用方式上更简单直接，操作实现更容易。针对水平井直井段，采用液动冲击器也可大幅度提高机械钻速[6]。国内外的研究和现场应用试验表明，使用液动冲击器能够大幅度提高破岩效率[7-15]。但目前液动冲击工具的推广应用进展十分缓慢，主要是因为冲击器井下工作寿命短、提速效果不明显等问题。本文分析了射吸式冲击器的工作原理，通过室内实验和现场应用，验证了工具提高机械钻速效果，为钻井提速工具的高效利用提供了一定的指导意义。

1 射吸式冲击器结构及原理

1.1 工具结构

射吸式冲击器结构剖面图如图1所示。冲击器主要由主体短接、上下接头、中心阀、锤内套、冲锤和一系列喷嘴组成。射吸式冲击器结构较为简单，没有弹簧和射流元件，具有使用方便、能量利用率高、性能可靠、工作寿命长的特点。

图1 射吸式冲击器结构剖面图

1.2 工作原理

利用高压钻井液流过喷嘴时产生的射流卷吸作用和控制阀液压随动的反馈关系，使控制阀与冲锤的上下腔产生交变压差，从而推动冲锤进行往复运动。其中冲锤向下冲击砧子，砧子将冲击能传递给钻头，最终完成钻头破岩。

1.3 工艺参数

射吸式冲击器，外径为100 mm，工作排量为2～10 L/s，冲击频率可达1 000～4 000次/min，冲击力为1 000～2 000 N。

2 射吸式冲击器的室内实验

2.1 实验目的

实验目的是验证射吸式冲击器结构的合理性和原理的可行性、能否正常启动并且稳定工作，初步测量相关基础参数。

2.2 实验装置

实验工作系统示意图见图2。室内实验装置见图3。系统工作时，开关控制系统控制高压泵开始工作，实验介质(清水)从水箱中抽出，经过高压泵加压，通过实验台从冲击器上接头流入被测试的冲击器中，实验介质流入水箱，如此循环工作，使得被测试冲击器连续稳定工作。在被测试冲击器稳定工作时，通过数据采集系统可以测试工作中的冲击器的基本参数。

图2 实验工作系统示意图

图3 室内实验装置

实验主要通过改变高压泵排量、喷嘴尺寸和节流环尺寸来测试冲击器相关参数。高压泵排量为120～600 L/min，喷嘴和节流环实验配对如下：12 mm和8 mm、14 mm和8 mm、12 mm和10 mm、14 mm和10 mm。实验时将冲击器吊起，固定在架子上，冲击器上接头接入进水管线，施加一定的钻压压紧冲击器。启动高压泵缓慢增加流量，观察射吸式冲击器是否工作，听到冲锤撞击砧子的声音说明射吸冲击器己经正常工作，三声撞击为一个循环周期。

2.3 参数计算公式的建立

工作频率：

f=1/T=1/(t1+t2+t3)

(1)

式中，t1、t2、t3分别为回程、冲程、惯性冲击阶段时间，s。

流体流速：

v=Q/s4

(2)

式中，Q为流体流量，L/min；s4为喷嘴面积，m2。

冲击力：

F=G+m1vt/t

(3)

式中，G为冲锤重力，N；m1为冲锤质量，kg；vt为冲锤速度，m/s；t为冲击时间，s。

2.4 实验结果

对于喷嘴和节流环尺寸为12 mm和8 mm一组配对，在流量240 L/min、泵压2 MPa时，液动冲击器正常启动并且持续稳定工作，测得冲击频率为12 Hz，冲击力为350 N。冲击力、冲击功在不同工作流量下与冲锤质量的关系见图4、图5。

图4 在不同工作流量下冲击力和冲锤质量的关系

图5 在不同工作流量下冲击功和冲锤质量的关系

由图4、图5可知，冲击力、冲击功在喷嘴尺寸一定时，随着冲锤质量增加而增加；冲锤质量一定时，喷嘴尺寸越大，冲击力和冲击功也随之增大。

3 射吸式冲击器的现场试验

3.1 A井地质概况

A井为开发井，井型为直井。设计井深为7 245 m，工具钻进从井深5 735 m起，地层为泥盆系地层的东河砂岩，岩性分布包括浅灰色细砂岩，底部为灰色细砂岩与褐色泥岩互层。志留系的塔塔埃尔塔格组，厚约445 m，以深灰、褐灰色含沥青、沥青质细砂岩及浅灰、灰色细砂岩为主间夹薄层灰绿及灰紫色泥岩。

3.2 实钻试验

工具经过室内实验证明原理可行后，在井上进行测试试验，测试时间为15 min。试验结果表明，工具可产生周期性的轴向冲击振动，冲击频率为1 500～4 500 次/min，泵压为2 MPa。随后进行井下对比试验。

(1)对比试验1。A井射吸式冲击器和B井螺杆钻具+PDC钻头钻进的井段从5 735 m到6 367 m，共632 m，具体对比试验结果见表1。

表1 A井和B井对比试验结果

(2)对比试验2。A井射吸式冲击器和C井扭力冲击器+PDC钻头钻进的井段进行钻速对比，具体对比试验结果见表2。

表2 A井和C井对比试验结果

图6为A井与B井、C井实钻数据对比。

图6 实钻数据对比

由图6可知，A井平均钻时低于邻井B井和C井，提速效果明显。通过对A井深度5 735～6 367 m的射吸式冲击器井下钻进试验，得出现场应用情况，结果见表3。

表3 现场应用情况

3.3 工具应用情况及效果

应用射吸式冲击器A井相对于B井常规钻具组合提速133.0%，相对于C井扭力冲击器+PDC钻头提速105.0%。对比分析显示，A井使用射吸式冲击器，机械钻速得到大幅度提高。射吸式冲击器的井底纯钻时间达到130 h，工具井下累计工作时间154 h，寿命大幅度提高。

4 结 论

(1)自主研发了可产生1 000～4 000 次/min冲击频率的射吸式冲击器，通过室内实验，验证了高频率的轴向冲击能够为钻头提供较大的轴向冲击力，进而辅助破岩，提高破岩效率。

(2)现场试验表明，射吸式冲击器能显著提高机械钻速，使用寿命大幅度提高。

[1] 营志军，张文华，刘国辉，等.石油钻井用液动冲击器研究现状及发展趋势[J].石油机械，2001,29 (11):43-46.

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On-Site Application of Fire-Suction Hydraulic Impactor in Tarim Area

Li Wei， Gao Haijian

(SchoolofPetroleumEngineering,NortheastPetroleumUniversity,DaqingHeilongjiang163318,China)

With the development of oil and gas exploration and development in depth, the number of deep and ultra deep wells has gradually increased. Meanwhile, the hardness of the drilled formations has subsequently increased, the drilling speed is also greatly reduced. To solve this problem, a fire-suction impactor is developed. By providing the high frequency axial impact force to the drill bit, auxiliary rock breaking is achieved, thus greatly improving the rop. Otherwise, laboratory experiments show that the high frequency axial impact vibration of the fire-suction hydraulic impactor can provide some impact to the drill bit. On-site experimental results show that the rate of mechanical drilling speed is increased by 133.0% after using the fire-suction hydraulic impactor. And the drilling time of fire-suction hydraulic impactor reaches 130 h, the downhole working time is 154 h, greatly improving the service life. The results of the study provide a theoretical basis for the reasonable application of the fire-suction hydraulic impactor in the drilling process.

Increase drilling speed; Mechanical drilling speed; Fire-suction hydraulic impactor; Axial impact

2017-02-28

2017-04-01

“十三五”国家科技重大专项项目(2016ZX05020-002)。

李玮(1979-)，男，博士，教授，从事高效钻井破岩、水力压裂、钻井优化等方面的研究；E-mail:our.126@126.com。

1672-6952(2017)06-0036-04

投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn

TE2

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2017.06.007

(编辑 宋官龙)