脉冲射流式液动冲击工具的研制及现场应用

李 玮 李世昌 闫立鹏 秦 东 孙士慧 赵 欢

1.东北石油大学石油工程学院 2.中国石化石油工程技术研究院 3.中国石油大庆油田有限责任公司第九采油厂

0 引言

为适应井深日益增加和复杂地层的钻探要求，钻井方式从古代的顿钻钻井发展到近现代的旋转钻井[1-4]。近年来，研究者正在探索通过两种钻井方式的结合，来提高钻井速度，就是在旋转钻进的同时，施加轴向的冲击力[5-8]，冲击力需要借助冲击工具产生，许京国等[9]研究自激振荡式冲击钻井工具并在大港油田进行应用。李思琪等[10]对高频谐波振动冲击破岩机制进行分析，并通过室内试验进一步验证其破岩效果。李玮等[11]将扭转冲击提速工具在文安区块进行现场应用，机械转速提高一倍。冲击工具大多由液体驱动，因此在狭义上冲击工具被称为液动冲击工具[12]。液动冲击作用能够有效提高钻头切削齿啮合岩石的深度，并增加岩石内部裂缝的延伸距离，从而提高破岩速度，但驱动冲击体需要消耗较多能量，而且能量转化的效率较低。

高压射流有协助破岩与清理破碎岩屑的作用[13-15]，而随着钻进深度的增加，钻井液的液柱压力变大，液柱压力除了能增强井底岩石的硬度以外，还会在岩石破碎面上产生正压力，从而沿破碎面形成摩擦阻力，这种摩擦阻力阻止了已与母体脱离的岩屑离开母体。这样，岩屑就等于被液柱压力压在破碎坑内出不来。与常规射流相比，脉冲射流的巨大瞬态能量，能够对岩石产生强有力的冲击，加速岩石破碎。脉冲射流的间断性冲击能够不断改变岩石破碎表面所受应力场，降低压持效应，提高射流的清屑能力，并对岩石产生非对称、非均匀的切割，增加钻进速度[16-17]。国内外学者对水力脉冲射流的研究主要集中在脉冲流场及其作用效果等方面[18-23]，在液动冲击与脉冲射流协同破岩方面的研究，还是空白。

根据液动冲击工具已有的研究成果与面临的问题，结合脉冲射流相关理论，设计冲击体冲击与脉冲射流协同破岩的钻井工具，分析工具工作原理与实现条件，通过室内试验研究液动冲击与脉冲射流协同作用下钻具组合的破岩能力，并在现场应用，验证其提速效果。

1 工具工作原理与实现条件

1.1 工作原理

设计能够实现液动冲击与脉冲射流协同作用的工具，如图1所示，主要由轴承、涡轮、中心轴、外壳、旋转筒、冲击体、隔压筒、调压座与喷嘴构成。钻井液被泵送到工具内部，驱动涡轮带动旋转筒旋转，旋转筒下部有与隔压筒相通的流体通道，随着旋转筒的旋转，两通道间断性对应。隔压筒与旋转筒的通道错开时，流体从喷嘴流过，在旋转筒下方产生憋压并伴随水力振荡，下部高压流体将冲击体推到上部，旋转筒与隔压筒通道相对时，下部压力骤降，上部高压流体将冲击体推到下方，冲击体完成一次冲击。两通道错开时，流体从较小的孔道流过，储蓄大量能量，两通道相对时，液体从大孔道流出，能量被瞬间释放，高能流体从钻头水眼喷出，产生脉冲射流。

1.2 工具工作的条件

1.2.1 工具能够提升冲击体的重力

工具工作的条件是冲击体能够上下冲击。冲击体位于旋转筒下部时，冲击体下表面与上表面的压差和冲击体的自身重量决定了冲击体能否被提升。冲击体在工具内部受到自身重力，上部压力与下部压力，冲击体向上运动过程中受到液体作用力为：

液体对冲击体做的功为：

重力对冲击体所做的功为：

冲击体所受到的总功为：

工具能够提升冲击体的重力为：

式中F1表示冲击体所受液体合力，N；Pd、Pu分别表示冲击体的上部压力、下部压力，Pa；l表示冲击体移动的距离，m；A表示冲击体上下表面积，m2；W1表示冲击体在向上运动过程中，液体对冲击体所做功，J；WG为重力对冲击体所做功，J；W为冲击体所受总功，J；G表示工具内部受到自身重力，N。

在旋转筒与隔压筒通道错开时，应用有限元模拟软件模拟得到旋转筒内部压力情况，从而确定冲击体受到液体的作用力。模拟过程中设定的条件来自实际工况，模拟得到如图2所示的旋转筒内部压力云图。

图2 旋转筒内部压力云图

图3 为旋转筒内部的压力曲线，由图3可知在旋转筒内，下部压力大于上部压力，冲击体受到向上的合力，结合以上公式计算得到冲击体的质量不超过60 kg时，冲击体能够到达旋转筒上部。

图3 旋转筒的不同截面位置压力曲线图

1.2.2 冲击体产生的冲击力

当旋转筒与隔压筒的流体通道相对时，冲击体下部压力较低，由于自身重量与流体流动对其产生的压力，冲击体能够向下加速运动。冲击体向下运动过程中受到液体的作用力为：

液体对冲击体所做的功为：

重力所做的功为：

冲击体产生的冲击力为：

式中F2表示下冲程冲击体受到液体的合力，N；x表示钻头的钻进深度，m；F表示产生的冲击力，N；W2表示冲击体向下运动过程中，液体对冲击体所做功，J。

2 室内试验及结果分析

2.1 设计试验及试验条件

试验1：在垂直钻进与水平钻进状态下，进行常规钻具组合的破岩试验、液动冲击的钻具组合的破岩试验与液动冲击与脉冲射流协同作用下的钻具组合的破岩试验，钻头下部放有岩性相同的岩石，测量破碎岩石深度，比较两种钻进状态下三组钻具组合的破岩能力，在垂直钻进状态下，钻压由工具自身重量提供，在水平钻进状态下，钻压由外部提供，所提供钻压与垂直钻进状态下的钻压相同。

试验2：改变液动冲击工具的冲击体质量，进行钻进压力对比试验，通过钻头下部的压力传感器，测量钻头对岩石产生的压力。

试验3：卸掉工具内部的冲击体，改变喷嘴直径大小，测量只有脉冲射流作用下钻具组合的破岩深度与岩屑质量。

试验4：进行常规钻具组合、液动冲击钻具组合和液动冲击与脉冲射流协同作用下的钻具组合的破岩试验，分别钻进砂岩与花岗岩，测量破岩深度。

泵的排量为30 L/s，PDC钻头直径120.6 mm，使用密度1.0 g/cm3的水作为循环液体，钻具组合的整体重量为150 kg，试验4以外，其他试验采用的岩样均为砂岩。

2.2 试验结果分析

2.2.1 不同钻具组合的破岩能力比较

试验1是为了验证在液动冲击与脉冲射流协同作用下，钻具组合的提速效果，如图4、5所示。

图4 垂直状态下破岩深度与时间的关系图

图5 水平状态下破岩深度与时间的关系图

图4 、5为试验1所得破岩深度与时间的关系曲线。由图4、5可知，钻具在垂直钻进和水平钻进状态下，液动冲击与脉冲射流协同作用下的钻具组合破岩速度最快，其次为液动冲击作用的钻具组合。当试验系统保持垂直状态时，与常规钻具组合相比，液动冲击与脉冲射流协同作用下的钻具组合的破岩速度提高了87.5%，液动冲击的钻具组合的破岩速度提高了50.3%；当试验系统在水平状态时，液动冲击与脉冲射流协同作用下的钻具组合的破岩速度比常规钻具组合的破岩速度提高了98.5%，液动冲击的破岩速度比常规钻具的破岩速度提高了65.8%。液动冲击与脉冲射流协同作用下的钻具组合水平钻进时，其破岩速度提高的幅度比垂直钻进时提高的幅度要大，说明在水平钻进过程中，该钻具组合更具优势。

2.2.2 冲击体质量对破岩能力的影响

试验2是为了研究不同质量的冲击体对钻具组合的破岩能力的影响，在不同质量冲击体的钻具组合与常规钻具组合的钻进状态下，钻头下部压力与时间的关系曲线如图6所示。

图6 压力与时间的关系图

由图6可知，正常钻进状态下，钻压由工具自身重力产生，在0.127 MPa左右变化。在有冲击体冲击时，钻压周期性升高，随着冲击体质量的变大，钻压的幅值变大，冲击体的冲击频率变小。钻压幅值小冲击频率大、钻压幅值大冲击频率小，无法比较哪种质量冲击体的破岩能力更强，破岩过程是钻具组合的能量转换为岩石破碎所需能量的过程，因此，对图6中的压力曲线进行积分，通过叠加的压能来衡量破岩能力，如图7所示，在冲击体未冲击时，随时间的增加，叠加压能成线性增加，当冲击体冲击时，叠加压能增加迅速。正常钻进时，叠加压能最小，安装30 kg冲击体的工具的叠加压力最大，安装20 kg和40 kg冲击体的工具的叠加压能交替上升，因此可以推测工具的破岩能力随冲击体质量增大先增强后减弱，最优冲击体质量为30 kg。

图7 叠加压能与时间的关系图

2.2.3 脉冲射流对破岩能力的影响

试验3是为了研究脉冲射流对破岩能力的影响（图 8）。

图8 不同喷嘴直径下的破岩能力图

脉冲射流的大小由工具内部喷嘴直径与泵的排量决定。喷嘴直径越小，钻头水眼瞬间释放的能量越大，脉冲射流越大，因此通过研究喷嘴直径对破岩能力的影响，反应脉冲射流对破岩能力的影响。由图8可知，随着喷嘴直径的变小，一定时间内，破岩深度与岩屑质量先变大，这是由于脉冲射流蕴含巨大能量，加快岩石破碎速度。随着喷嘴直径的进一步减小，喷嘴的压耗损失过大，导致脉冲射流的增长趋于平缓，工具破岩能力增加变缓。增大泵的排量同样能够增大脉冲射流，但在现场施工过程中很难大范围的调控泵的排量，因此这里不做详细研究。

2.2.4 工具适用岩性分析

为研究液动冲击与脉冲射流对不同岩性岩石的作用效果，分别研究常规钻具组合、液动冲击钻具组合和液动冲击与射流脉冲协同作用下的钻具组合钻进砂岩与花岗岩时的提速效果（表1）。

表1 不同钻具组合的破岩提速效果表

由表1可知，在钻进相同深度时，3种钻具组合钻进花岗岩比钻进砂岩更耗时，主要由于花岗岩硬度大。与钻进砂岩相比，在钻进花岗岩时，两种非常规钻具组合提速幅度更大，这是由于花岗岩脆性比较大，液动冲击加速岩石破碎与岩石裂缝延展。液动冲击与脉冲射流协同作用下的钻具组合，与液动冲击钻具组合相比，钻进砂岩的破岩速度提高了37.5%，钻进花岗岩的破岩速度提高了17.0%，说明在钻进砂岩地层时，在液动冲击的基础上增加脉冲射流，钻具组合的提速效果更明显。为有效发挥工具的破岩能力，钻进岩石硬度高的地层时，增加工具的冲击力，钻进较松散岩石地层时，增大脉冲射流。

3 工具使用规范及现场应用试验

3.1 工具使用规范及技术要求

3.1.1 工具适用地层

工具在软到坚硬地层均有良好的提速效果，考虑到工具寿命和成本，在中硬到坚硬的地层，工具的应用性价比更好。

3.1.2 工具配合钻头

工具配合使用的钻头为PDC钻头，建议使用五刀翼或者六刀翼、13 mm切削齿、钻头冠部平缓的钻头，不建议使用四刀翼钻头。

3.1.3 施工参数

工具能够承受的最大钻压为110～130 kN，钻井泵的合理排量为26～34 L/s，最大工作温度为240 ℃，转速介于45～80 r/min。

3.2 现场应用试验

工具在塔里木油田某区块A井进行试验，该井为水平井，设计井深为4 716 m，设计垂深4 482 m，水平位移299 m。将工具在4 256～4 516 m井段应用，现场数据如图9所示。该段地层岩石岩性分别为褐灰色砂砾岩、沙泥岩、黑色玄武岩和灰褐色粉砂质泥岩，井深4 461 m处为造斜点位置。设计钻压70 kN，钻井泵排量26～34 L/s。钻井液密度1.28～1.45 g/cm3。该井应用工具后的机械钻速为2.52 m/h，邻井B在该层位的机械钻速为1.36 m/h，邻井C在该层位的机械钻速为1.55 m/h，验证了在液动冲击与脉冲射流的协同作用下，钻具组合的钻进速度得到大幅度提高，与2口邻井相比，试验井段的机械钻速提高了72.5%。

3.3 钻进过程中参数的优化

根据实钻地层的岩石岩性，合理的调节相关参数，从而达到提高机械钻速的目的。

根据上文试验得到液动冲击在硬脆性岩石地层提速效果更明显，脉冲射流对较松散岩石地层提速效果更明显，因此在钻进玄武岩地层时，提高工具的冲击力，在钻进砂岩与沙泥岩地层时，增大脉冲射流。

图9 现场试验机械钻速图

图9 为针对不同地层改变钻井参数与工具结构参数试验获得机械钻速图，分为4个阶段，第1阶段（4 250～4 350 m）钻进砂岩地层时，钻井泵的排量为30 L/s，工具内部喷嘴直径为20 mm，冲击体质量为30 kg，平均钻速为3.02 m/h，钻到4 300 m左右，泵的排量升高到34 L/s，换成16 mm直径的喷嘴，平均钻速较之前提高0.28 m/h，钻进泥岩地层平均机械钻速为3.88 m/h，该阶段工具的机械钻速较常规钻具的机械钻速提高68.5%。第2阶段，钻进玄武岩时的机械钻速迅速下降，把泵的排量降低到28 L/s，换成质量为35 kg冲击体，机械钻速提高0.42 m/h，该阶段机械钻速为1.69 m/h，比常规钻具的机械钻速提高78.7%。第3阶段，钻进灰褐色粉砂质泥岩，机械钻速提高65.6%。第4阶段，水平井造斜阶段，机械钻速为1.52 m/h，与常规钻具钻进相比，提高89.6%。

4 结论

1）设计了能够实现冲击体冲击与脉冲射流协同作用的高效破岩工具，并通过室内试验与现场应用验证其可行性。

2）通过理论计算与数值模拟得到工具的工作条件是冲击体的质量不大于60 kg。与常规钻具组合、液动冲击的钻具组合相比，液动冲击与脉冲射流协同作用下的钻具组合的破岩速度更快，并且工具更适合水平井的钻进过程。

3）通过室内试验可得，冲击体重量越大，产生的冲击力越大，冲击频率越小，质量为30 kg的冲击体的破岩能力最强。随着工具内部喷嘴直径的变小，脉冲射流先增大后趋于平缓，工具破岩能力先增强后趋于平缓。通过增大工具的冲击力，可提高坚硬地层的破岩速度，在钻进胶结程度小的岩石地层时，增大脉冲射流可提高破岩速度。

4）工具的现场应用进一步证明了在液动冲击与脉冲射流协同作用下钻具组合的破岩效果：工具在应用井段的平均机械钻速可达2.52 m/h，与常规钻具相比，平均提速可达72.5%。针对不同岩性层位、水平井段与直井段，改变钻井参数和工具结构参数，机械钻速又有一定程度的提高。

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