旋冲钻井液动冲击器性能参数测试

旋冲钻井液动冲击器性能参数测试

1冲击破岩作用近年来，随着石油工业的发展，这种钻井技术在地层相对平坦的固体矿物勘探中得到了成功应用。该技术能有效地提高深度和硬层开采效率，因此受到石油天然气勘探负责人的高度重视。简单地说,旋冲钻井技术就是在常规旋转钻井工艺中,在不增加其它地面设备的情况下,在钻头的上面和钻铤的下面安装与钻铤直径大致相当的冲击器,并且在钻进过程中,跟随上部钻柱转动的冲击器带动钻头旋转的同时,利用上部钻井液的流动能量使冲击器本身产生周期的向下作用在钻头上的冲击力,从而加速破碎岩石。由岩石力学特性可知,岩石的破坏与外载荷的大小和作用速度有关,作用时间较短的冲击载荷可以使岩石由塑性体变为脆性体,冲击作用时,冲击点的作用力还来不及重新分配,应力便很快接近或超过岩石的强度极限,产生微裂隙,同时岩石中裂隙进一步扩展,岩石整体强度降低,易形成体积破碎。旋冲钻进过程中,钻头除冲击岩石外,还有切削破岩的作用,即旋转剪切两次冲击间已经产生裂纹但还没有崩离的脊部,正是冲击破碎和旋转剪切两种破岩方式的交互作用以及静载和冲击载荷相结合的特点切实提高了钻进效率。旋冲钻井技术具有如下优点:旋冲钻井技术可以大幅提高整体钻井速度;减缓钻头磨损,延长钻头寿命,减少起下钻次数,从而大幅降低钻井成本;解决深井中比载荷不足和与岩石接触时间短的矛盾,降低钻压,减少钻具损坏,提高井身质量,有效提高深井硬地层的钻进效率;冲击器的特殊结构使钻井液由连续流变为高压脉冲射流,高压脉冲射流对井底垫层和岩屑的反复、突发冲刷有利于消除岩屑压持效应,改善了喷射效果;以低于常规旋转钻井的钻压钻进,降低了功率消耗,在不增加任何设备的情况下提高了钻深能力;一次冲击侵入深度大,冲击造成的大体积破碎减小了旋转剪切阻力矩,有利于防止井斜,而且大块体积破碎有利于地质录井。2冲锤冲击过程人们致力于旋冲钻井技术在石油工业中的应用研究已经走过了几十年的历程。而如何提高已有冲击器的工作寿命和研制开发新型冲击器一直是研究热点,也是液动冲旋技术能否在石油工业中成功应用的关键。至今已研制了多种类型的冲击器,主要包括如下:阀式正作用冲击器、阀式反作用冲击器、阀式双作用冲击器(含活阀式和节流式)、气动冲击器、机械式冲击器、射吸式冲击器、射流式冲击器、背压式冲击器等。下面以2种常用类型的冲击器为例说明一下冲击器的工作原理。图1为YSC-178型射流冲击器,钻井液通过射流元件上的喷嘴产生高压流体,分别由输出通道C、E进入活塞的上下缸体。由于活塞上端面积大于下端面积,向下运动时带动冲锤冲击砧子,运动到缸体下端时静止;上缸体内压力升高,压力信号反馈到控制道D,从而使侧向流推动主射流附壁于E通道一边,液流推动活塞带动冲锤向上运动,直到活塞在缸体上端静止,下缸体内压力升高;压力信号反馈于控制道F,推动主射流切换附壁于C通道,液流推动活塞及冲锤向下运动,上缸体内压力升高,信号反馈于控制道D,推动主射流切换附壁于E通道,如此反复工作,实现活塞及冲锤的往复运动。如图2所示,钻井液从上接头流进冲击器,经上阀套流进上配水阀内,再经冲锤最上端处的分流作用,经中接头的环空间隙,最后到达冲锤锤头中水槽里。此时由于下配水阀紧靠在铁砧上,封死了流道,具有较高速度的钻井液在此受堵发生水击,液压迅速升高,高压钻井液抬起冲锤并使之向上快速运动。冲锤运行到一定高度后,带动下阀离开铁砧,于是冲击器下部原先关闭的流道打开,钻井液从铁砧、下接头中的流道里流出冲击器。而冲锤则靠原有的惯性继续向上运动,直到抵住了上配水阀,堵住由上接头进入上配水阀中钻井液的通道。于是,受堵的钻井液又发生巨大的水击作用促使上配水阀和冲锤一起快速下行。运行一定行程后,上配水阀受中接头阻挡而与冲锤分开,它在液压的作用下自动上返至与上阀套相接触。而冲锤则在惯性、重力、液压的作用下继续下行,直到与铁砧发生碰撞,实现冲击过程。当然,由于在冲锤下行过程中下配水阀也在独自下行,并在冲锤冲击铁砧瞬间堵死流道,整个钻井液通道又重现开始的情形。如此反复工作,对铁砧进行周期性的冲击作用。近十多年来,液动冲击器和旋冲钻井技术在石油工业中取得了较好的应用效果。例如我国自行研制的YSC-178型射流式冲击器在川合148井、川孝164井和川峰188井中的应用表明,可以有效提高机械钻速20%～160%。但是冲击器的工作寿命不够高,已是制约液动旋冲钻井技术在石油钻探中进一步应用的核心问题之一。冲击器性能参数的正确测定对评价其技术性能、改进结构设计、提高工作性能,从而有效提高冲击器的使用寿命具有重要意义。从已公开发表的测试工作来看,主要测试的参数有:冲击频率、单次冲击功、液能利用率、冲击末速度及泵压、排量。在测试冲击频率、冲击功和冲击末速度时一般采用触点法,而通常将冲击频率、冲击功、能量利用率作为衡量冲击器优劣的主要性能参数。长春科技大学研制了新型破岩监测系统,测试装置如图3所示,测试系统主要由三部分组成:测试台架、传感器及预处理电路。文献使用该装置研究了水力参数(泵量、泵压、背压)和冲击器结构参数对冲击器性能参数的影响。大港油田钻采工艺研究院研制了液动冲击器的参数测试系统,如图4所示,测试系统由五部分组成:动力系统、测试台架、传感器部分、数据采集部分和计算机数据处理部分。文献使用该集成系统测试了冲击频率和冲击功以及活塞上下腔压力的时程曲线,为冲击器的性能评价、结构改进以及能量传递模型的建立奠定了一定的基础。研究者们通过大量的室内实验,得出了泵量、活塞上端压力、背压、压降、冲击器活塞回程与冲击器主要性能参数之间的关系曲线。对冲击器性能参数的现场测试工作较少,文献完成了DGSC-203型射流冲击器在地热井中的试验。据报道,已有研究者使用国外的钻井集成系统和井眼模拟器测试冲击器在模拟钻井过程中的性能参数,这种测试方法比室内单元测试更能反映冲击器的实际性能参数。3冲击器使用效果的优化国内已有的测试装置能够较好的完成液动冲击器的性能参数测试工作。但是为了更好的测定冲击器结构参数和工艺参数对冲击器性能的影响,以及更准确的评定冲击器的使用性能,在现有测试工作的基础上,笔者建议:(1)开发专用的冲击器使用性能测试装置,或者使用前文提及的集成钻井系统、井眼模拟器以更好的评估冲击器的使用寿命,减少下井风险;(2)将室内实验和计算机仿真分析技术相结合,针对当前影响冲击器工作寿命