路峰

摘 要：自激振荡式旋转冲击钻井工具是钻井提速的主要措施之一。通过实验证明，影响其性能的主要因素是上、下喷嘴直径，两腔室连接处直径和腔室尺寸。从结构设计、材料优选和处理工艺优化三方面进行了针对性的强化设计。大大提高了工具的使用寿命和提速效果。在牛28-斜15井得到成功应用。

关键词：自激振荡式旋转冲击；性能；强化设计；牛28-斜15

自激振荡式旋转冲击钻井工具是通过适当的水力能量转换机构，将水力能量的脉动效应转换为作用于钻头的周期性冲击作用力，使钻头在旋转的同时还具有振动效应，这可显著改善钻头与井底附近岩石的受力状况，有效提高钻井速度。由于是采用水力脉冲效应直接诱发机械振动，减少了当前旋转冲击钻井技术中普遍采用的冲击锤等能量传递机构，工具结构大大简化，提高了系统的可靠性和安全性，同时因为水力脉冲的无因次幅值一般在2.0左右，且频率较高，所以该技术具有“小振幅、高频率”的特点，这可显著降低对钻头等配套工具的要求，有效降低系统的制造和使用成本。

1工具的原理与结构设计

1.1机械冲击

钻井液高速流经自激振荡器，形成水力脉冲作用于下喷嘴，产生低幅高频机械冲击力经钻头连接短节传递至钻头，对钻头施加5-20KN、40Hz左右的冲击力，提高钻头破岩效果。

1.2水力脉冲

钻井液高速流经自激振荡器所产生的水力脉冲向下传递，经钻头水眼喷出，形成脉冲射流作用于井底，强化井底清洗，改善井底岩石的受力状况，降低岩石破坏强度。

1.3结构

钻头连接短节与壳体下端的配合通孔段加工成多边形，钻头连接短节穿过壳体下端的通孔，工具内部形成两级水力振荡腔，壳体上端通过上接头与上部钻柱相连，钻井液进入水力振荡腔后，经过谐振、反馈、选频及放大等自激振荡过程，形成压力脉动作用于下喷嘴顶端，经钻头连接短节传递，形成对钻头的周期性的冲击作用力，使钻头产生纵向的机械振动，通过改善钻头与井底附近岩石的受力状况，有效提高钻头的破岩钻进效率，钻头机械振动的频率、峰值和幅值通过调整水力振荡器的结构尺寸、下喷嘴与水力振荡腔出口之间的距离以及下喷嘴的尺寸等来获得。

2 自激振荡元件的优化及强化设计

2.1 优化

对于该脉冲射流调制工具的结构来讲，影响其性能的主要因素是上、下喷嘴直径，两腔室连接处直径和腔室尺寸。

通过对正交试验的结果分析，优选出一组最优结构，对这组结构的调制工具进行数值模拟，得到出口流速脉动值为26.23m/s，明显高于其它结构的出口流速脉动值。在泵压为15MPa，喷嘴出口喷距为20mm、射流介质为清水的条件下，对该组结构的调制工具进行破岩试验，试验计时2min，测得破岩深度为19mm。破岩效果明显优于其他结构。

经过优化设计，自激振荡式旋转冲击钻井工具水力结构经过优化设计后，冲击力振幅有明显提高，从30000N提高到110000N，且调制的脉冲频率相比优化前更高，冲击力更加稳定，这对于保护钻头，提高破岩效率具有明显优势。通过本次研究，提供了一种脉冲调制工具结构优化方法，也为以后系列工具的研制奠定了基础。2.2关键水力元件强化设计。

根据前期的试验结果，我们发现工具的第一级振荡腔上喷嘴上端面及第二级振荡腔的下喷嘴上端面磨损严重，是整套工具的薄弱环节；另外，工具在使用时间超过200h后，密封性能逐渐下降，偶见密封失效现象发生，极大降低了工具的提速效果。

在对以上工具磨损原因认识的基础上，开展了第一级水力振荡腔上喷嘴部位和第二级水力振荡腔下喷嘴部位的数值模拟研究。找到了工具的易磨损部位以及发生磨损的原因，继而我们从结构设计、材料优选和处理工艺优化三方面进行了针对性的强化设计，主要包括以下几个方面：：

（1）上喷嘴及下喷嘴端面均采用流线型设计，改变了钻井泥浆的流场及速度突变情况，有效降低了钻井液对上、下喷嘴的冲刷和磨蚀，提高了其使用寿命；

（2）采用硬质合金材料对上下喷嘴进行了局部加强，提高了水力元件的整体强度，从而提高了其抗冲蚀磨损能力；

（3）水力元件其他易磨损部位采用碳氮共渗处理的合金钢，从而从整体上提高了水力元件的抗磨损能力，提高了钻井工具的寿命；

（4）密封选用抗高温密封材料，可耐温210℃，有效降低了由于高温引起的工具密封失效。

3、现场应用

自激振荡式旋转冲击钻井工具于2012年10月在牛28-斜15井进行了现场应用。

试验井段：1872-2456m。

试验地层：东营组、沙一段、沙二段；

岩性：泥岩为主，沙河街组多夹层；

钻头型号：P3254M型PDC钻头。

钻具结构：φ215.9PDC钻头×0.3m+φ178自激振荡式旋转冲击钻井工具×1.23+φ177.8无磁×9m+φ177.8钻铤×44.92m+411×4A10转换接头×0.5m+φ210扶正器×1.38m+4A11×410转换接头×0.5m+φ177.8钻铤×45.43m+φ127承压×9.25m+φ127加重钻杆×102.72m+钻杆柱。

钻井参数：钻压：20～40KN，转速：70-90RPM，排量：31L/s，泵压：10～15MPa，泥浆密度：1.18～1.20g/cm3。

自激振荡式旋转冲击钻井工具在牛28-斜15井的纯钻时间50小时，进尺584m，工具平均机械钻速为11.67m/h，钻速有了明显提高。邻井平均钻速9.6 m/h，相比之下本井平均提速22%，显著缩短了钻井周期。

4 结论

（1）工具结构合理、工作安全可靠。

（2）提速效果明显。依照地层相同，钻具结构类似，钻井参数相近的原则进行对比分析。结果显示，使用自激振荡式旋转冲击钻井工具钻速达11.67m/h，与邻井相比平均提速22%，提速效果明显。