扭轉(zhuǎn)沖擊器研究及應(yīng)用

盧玲玲，何東升，張偉東，賈禮霆（．西南石油大學(xué)　機(jī)電工程學(xué)院，成都60500；．寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西　寶雞700）

扭轉(zhuǎn)沖擊器研究及應(yīng)用

盧玲玲1，何東升1，張偉東2，賈禮霆1
（1．西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，成都610500；2．寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞721002）①

扭轉(zhuǎn)沖擊器作為深部硬地層快速鉆進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)，是一種集機(jī)械剪切、水力和扭轉(zhuǎn)沖擊為一體的新型鉆井工具。介紹了國內(nèi)外現(xiàn)有扭轉(zhuǎn)沖擊器的研究現(xiàn)狀和實(shí)際應(yīng)用情況，闡述了其結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)以及工作原理，對(duì)比分析了各扭轉(zhuǎn)沖擊器關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與不足，指出了扭轉(zhuǎn)沖擊器應(yīng)朝著提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可靠性、適應(yīng)高密度鉆井液下工作等方向研究，同時(shí)也指出了扭轉(zhuǎn)沖擊器在鉆井領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用及發(fā)展前景。研究結(jié)論對(duì)提高和完善國內(nèi)扭轉(zhuǎn)沖擊器技術(shù)、實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化以及配套P D C鉆頭的研制和改進(jìn)具有一定的參考價(jià)值。

扭轉(zhuǎn)沖擊；快速鉆進(jìn)；研究現(xiàn)狀；現(xiàn)場應(yīng)用

在高硬度或礫巖地層中實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)是鉆井過程中的技術(shù)難題，當(dāng)P D C鉆頭鉆硬地層或研磨性地層時(shí)，鉆頭可能會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩不足而無法破碎地層，此時(shí)鉆柱因彈性勢(shì)能的積蓄持續(xù)扭轉(zhuǎn)，直至P D C鉆頭克服地層阻力，鉆柱中的能量便會(huì)瞬間釋放出來，使鉆柱與鉆頭一起產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，鉆頭突然加速，造成鉆頭損壞，即粘滑現(xiàn)象［1］。P D C鉆頭配合扭轉(zhuǎn)沖擊器使用，此時(shí)的P D C鉆頭上有2個(gè)力作用在切削地層，一個(gè)是鉆盤提供的扭力，另一個(gè)是扭轉(zhuǎn)沖擊器直接傳遞到鉆頭上的額外扭向沖擊力，鉆頭無需等待扭力積蓄就可以直接切削地層，并且對(duì)鉆桿不產(chǎn)生任何作用，只作用在鉆頭本身，此時(shí)鉆桿的轉(zhuǎn)矩基本穩(wěn)定，鉆桿傳達(dá)的轉(zhuǎn)矩可以完全用于切削地層。在鉆井過程中，圍繞由粘滑現(xiàn)象造成的鉆頭失效問題，扭轉(zhuǎn)沖擊器是旋轉(zhuǎn)鉆井體系下簡便且綜合效益較高的技術(shù)［2］。扭轉(zhuǎn)沖擊器直接安裝在P D C鉆頭的上方，給鉆頭直接施加低幅高頻扭轉(zhuǎn)沖擊，產(chǎn)生高效的破巖轉(zhuǎn)矩，從而大幅地降低鉆頭的粘滑現(xiàn)象。扭轉(zhuǎn)沖擊器的關(guān)鍵技術(shù)在于利用鉆井液驅(qū)動(dòng)內(nèi)部沖擊錘做反復(fù)的扭轉(zhuǎn)沖擊，將流體能量轉(zhuǎn)換成一定頻率、周向扭轉(zhuǎn)、沖擊型的機(jī)械破巖能量，并直接傳遞給鉆頭［3］。扭轉(zhuǎn)沖擊器外部尺寸緊湊，內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)合理，流道通暢，無任何橡膠件，無任何電子元件。當(dāng)扭轉(zhuǎn)沖擊器失效時(shí)，不會(huì)對(duì)整個(gè)鉆進(jìn)過程產(chǎn)生任何影響，無需起下鉆，只是相當(dāng)于一個(gè)鉆頭短節(jié)和P D C鉆頭一起旋轉(zhuǎn)，只是性能回到?jīng)]有扭轉(zhuǎn)沖擊器時(shí)的狀態(tài)，機(jī)械鉆速降低。

1 國內(nèi)外扭轉(zhuǎn)沖擊器研究現(xiàn)狀

目前，國外Ulterra公司、H alliburton公司，國內(nèi)西南石油大學(xué)、中國石油大學(xué)對(duì)扭轉(zhuǎn)沖擊器都有一定的研究。Ulterra公司的TorkBuster利用高速的鉆井液驅(qū)動(dòng)渦輪，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)器敲擊傳動(dòng)軸，將扭轉(zhuǎn)沖擊能量傳遞給鉆頭。H alliburton公司的旋轉(zhuǎn)沖擊裝置，利用鉆井液帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，使沖擊塊反向沖擊砧座，傳遞能量。西南石油大學(xué)公布的一種扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具是利用螺桿帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，其原理與Ulterra公司的TorkBuster工作原理相似。另外，中國石油大學(xué)公布的SL TID T型扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井提速工具，利用鉆井液的流體壓差，直接驅(qū)動(dòng)內(nèi)部沖擊錘做圓周反復(fù)沖擊。

1．1 Torkbuster工具以及扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具

Torkbuster扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具主要由殼體、傳動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)器、滑動(dòng)塊、傳動(dòng)銷、推力軸承、定軸、渦輪等組成［4 7］（如圖1），利用高速鉆井液驅(qū)動(dòng)渦輪（或螺桿）旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)滑動(dòng)塊凸起旋轉(zhuǎn)敲擊傳動(dòng)軸凸起，將扭轉(zhuǎn)沖擊能量傳遞給鉆頭。工具上端經(jīng)轉(zhuǎn)換接頭與鉆鋌相連，下端傳動(dòng)軸直接與鉆頭相連。鉆井液驅(qū)動(dòng)固定在定軸上的渦輪轉(zhuǎn)子（螺桿）轉(zhuǎn)動(dòng)，定軸隨渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)的定軸通過螺紋帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)器同速轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)渦輪轉(zhuǎn)子、定軸、驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)速相同。而進(jìn)入渦輪段的鉆井液大部分經(jīng)定軸上開有的導(dǎo)流孔流入傳動(dòng)軸，其余通過定軸與殼體之間的間隙進(jìn)入沖擊碰撞處，再經(jīng)流砂孔流出?；瑒?dòng)塊上開有環(huán)形凹槽和條形凹槽，條形凹槽具有導(dǎo)向作用，滑動(dòng)塊以環(huán)形凹槽中的傳動(dòng)銷為軸轉(zhuǎn)動(dòng)，條形凹槽則作為另一傳動(dòng)銷的運(yùn)動(dòng)軌道，傳動(dòng)軸和滑動(dòng)塊都設(shè)有凸起，凸起部分配合形成棘輪結(jié)構(gòu)（如圖1a）。驅(qū)動(dòng)器位于殼體與傳動(dòng)軸之間，依靠傳動(dòng)銷將扭矩傳遞到滑動(dòng)塊，驅(qū)使滑動(dòng)塊轉(zhuǎn)動(dòng)?；瑒?dòng)塊轉(zhuǎn)動(dòng)，使滑動(dòng)塊凸起與傳動(dòng)軸凸起發(fā)生碰撞，從而將流體能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械沖擊能量，同時(shí)迫于傳動(dòng)軸的阻力，凸起部分快速分離，使傳動(dòng)軸得到頻率較高的沖擊性轉(zhuǎn)矩，滑動(dòng)塊繼續(xù)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行下一次碰撞。

該工具的長度小，用鉆井液驅(qū)動(dòng)渦輪提供動(dòng)力，結(jié)構(gòu)簡單；殼體上端與轉(zhuǎn)換接頭連接，殼體內(nèi)部設(shè)有臺(tái)階，安裝方便；驅(qū)動(dòng)器與殼體間留有間隙，傳動(dòng)軸開有流砂孔，可以用鉆井液冷卻碰撞處并清除沉積砂粒；但該工具渦輪（螺桿）部件多，易損壞，傳遞效率低。

圖1 TorkBuster扭轉(zhuǎn)發(fā)生沖擊鉆井工具

1．2 Haiiiburton公司的旋轉(zhuǎn)沖擊裝置

哈里伯頓旋轉(zhuǎn)沖擊裝置［8］（如圖2）主要由砧座、沖擊塊、葉輪、渦輪頭等部分組成。當(dāng)鉆柱的轉(zhuǎn)矩滿足鉆頭的正常鉆進(jìn)時(shí)，葉輪和砧座之間有較大的間隙，鉆井液全部流入主軸孔，裝置不提供沖擊轉(zhuǎn)矩；當(dāng)鉆頭遇到阻力時(shí)，間隙變小，進(jìn)入渦輪頭的鉆井液不再進(jìn)入主軸孔中，而是經(jīng)渦輪頭的斜流道流入殼體與葉輪之間的空腔中，當(dāng)葉輪的弧形腔與砧座弧形腔對(duì)齊時(shí)，流體密封在此空腔中，高壓流體作用在沖擊塊斜面，帶動(dòng)與其連接在一起的扭轉(zhuǎn)彈簧轉(zhuǎn)動(dòng)，儲(chǔ)蓄能量，直到?jīng)_擊塊的相對(duì)速度為零時(shí)扭轉(zhuǎn)彈簧蓄能完畢，此時(shí)的葉輪轉(zhuǎn)過一定角度，流體也不再進(jìn)入弧形空腔，密封在弧形空腔中的流體由砧座內(nèi)側(cè)流道流出并進(jìn)入主軸孔，弧形空腔中的鉆井液壓力降低，扭轉(zhuǎn)彈簧開始釋放能量，使2個(gè)沖擊塊迅速反向旋轉(zhuǎn)，沖擊砧座，并完成一個(gè)撞擊周期。

沖擊塊采用分體式設(shè)計(jì)，使用連接軸連接，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，相同頻率時(shí)沖擊能量小，且分體設(shè)計(jì)不能保證扭轉(zhuǎn)沖擊同步，有沖擊紊亂、起反作用的可能。H alliburton公司的旋轉(zhuǎn)沖擊裝置采用鉆井液直接驅(qū)動(dòng)，沒有渦輪（或螺桿）部件，可靠性高。

圖2 哈里伯頓扭轉(zhuǎn)沖擊裝置

1．3 SLTID T型扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井提速工具

SL TID T型扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井提速工具是根據(jù)TorkBuster工具和H alliburton公司的旋轉(zhuǎn)沖擊裝置改進(jìn)的［9］，由鉆鋌接頭和扭轉(zhuǎn)沖擊器組成。扭轉(zhuǎn)沖擊發(fā)生器主要由導(dǎo)流蓋、截流噴嘴、沖擊錘、定位套、篩管、錘座和支撐裝置組成（如圖3）；鉆鋌接頭與扭轉(zhuǎn)沖擊器以花鍵組合定位，由聯(lián)接體間隙聯(lián)接；導(dǎo)流蓋與錘座固定后內(nèi)部形成空腔，空腔內(nèi)由內(nèi)到外依次為截流噴嘴、篩管、定位套、沖擊錘。

工作時(shí)，由錘座和沖擊錘形成相互隔離的鉆井液流道。鉆井液經(jīng)截流噴嘴分流成3部分：一部分通過錘座上的主軸孔直接到達(dá)鉆頭；另一部分鉆井液經(jīng)過錘座上的導(dǎo)流道與第3部分經(jīng)過篩管上開有的過流槽流出的鉆井液相互作用驅(qū)動(dòng)沖擊錘旋轉(zhuǎn)，沖擊錘與錘座形成沖擊倉，隨著沖擊錘的轉(zhuǎn)動(dòng)，沖擊倉中的鉆井液流出，壓差增大，推動(dòng)沖擊錘繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至沖擊錘敲擊錘座，此時(shí)定位套的流道打開，定位套反向觸發(fā)帶動(dòng)沖擊錘向反方向旋轉(zhuǎn)，周而復(fù)始。該鉆井工具內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)部件少，易損件少，結(jié)構(gòu)簡單。

圖3 SL TID T型扭轉(zhuǎn)沖擊裝置

2 現(xiàn)場應(yīng)用研究

2．1 地層性質(zhì)

目前，TorkBuster在國內(nèi)外的應(yīng)用比較廣泛，國內(nèi)在祈參1井、元壩地區(qū)、塔河油田、玉北區(qū)塊、青西白堊系現(xiàn)場等地區(qū)都有應(yīng)用［10 13］。祈參1井的地質(zhì)資料不完整，巖層夾層多，鉆頭型號(hào)選擇困難，參數(shù)無法強(qiáng)化都是制約鉆井提速的瓶頸問題；元壩地區(qū)地層砂泥巖交錯(cuò)、研磨性強(qiáng)，地層可鉆性差，粘滑現(xiàn)象嚴(yán)重；青西現(xiàn)場鉆井提速難點(diǎn)主要表現(xiàn)在白堊系地層巖性硬度大，最高達(dá)到6～8級(jí)，鉆頭牙齒難以吃入地層，30%的進(jìn)尺耗用60%的鉆井周期。綜合可知，扭轉(zhuǎn)沖擊發(fā)生器可適用于地層溫度高、壓力大、巖石堅(jiān)硬、可鉆性差的地層。

2．2 技術(shù)參數(shù)［14］

TorkBuster主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 TorkBuster主要技術(shù)參數(shù)及規(guī)格

2．3 效果分析

1） 機(jī)械鉆速大幅提高。扭轉(zhuǎn)沖擊器很好地解決了地層鉆速較慢的問題，消除鉆頭鉆進(jìn)時(shí)可能出現(xiàn)的振動(dòng)以及粘滑現(xiàn)象，平均機(jī)械鉆速可以達(dá)到常規(guī)鉆速的3倍以上。即使后期泥漿密度比較高，提高機(jī)械鉆速的效果仍比較明顯，但是壽命縮短。

2） 鉆頭壽命得到提高。綜合現(xiàn)場來看：第一趟鉆，鉆頭提取出來完好，沒有損害，沖蝕也不是很嚴(yán)重，具備再次入井的條件，經(jīng)濟(jì)效益大幅提高；第二趟鉆，在高密度、高沖蝕的情況下，鉆頭平滑磨損，鉆頭性能比較之前選型，壽命大幅提高。

3） 使用扭轉(zhuǎn)沖擊器配合P D C鉆頭鉆井后，轉(zhuǎn)盤扭矩平穩(wěn)，額外提供的力對(duì)鉆桿沒有任何作用，只作用在鉆頭體本身，鉆桿的扭矩基本穩(wěn)定，所以使用扭轉(zhuǎn)沖擊器鉆井時(shí)不會(huì)影響錄井和測井。

4） 經(jīng)濟(jì)效益得到提高。配合P D C使用，鉆頭壽命延長，起下鉆次數(shù)減少，鉆井時(shí)間減短，節(jié)省鉆機(jī)租賃費(fèi)用、材料和人工成本。

5） 自帶穩(wěn)定器的扭轉(zhuǎn)沖擊器在提速的同時(shí)，還能起到防斜的作用，保證井身質(zhì)量。

3 結(jié)論

1） 扭轉(zhuǎn)沖擊器能夠減少鉆井粘滑現(xiàn)象，提高機(jī)械鉆速，延長鉆頭壽命，減小鉆柱振動(dòng)，降低鉆進(jìn)成本。

2） 不同結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)沖擊器，其工作原理基本類似，都是將鉆井液的流體能量轉(zhuǎn)換為扭轉(zhuǎn)沖擊力，進(jìn)而將能量傳遞給鉆頭。

3） 根據(jù)地層因素選擇和調(diào)整相應(yīng)的鉆頭類型、優(yōu)化施工參數(shù)和鉆具組合，尤其鉆硬地層時(shí)，應(yīng)調(diào)整好合適的鉆井參數(shù)，將扭轉(zhuǎn)沖擊器的提速作用發(fā)揮到最大。

4） 扭轉(zhuǎn)沖擊器還有待改進(jìn)，使之在高密度鉆井液中也能持續(xù)高效工作，通過提前預(yù)處理，使重漿粘度得到控制，避免直接加重晶石吸附井壁以及粘度突升情況的發(fā)生。

5） 扭轉(zhuǎn)沖擊器技術(shù)的研究，在現(xiàn)場取得了良好的應(yīng)用試驗(yàn)效果，但是，國外扭轉(zhuǎn)沖擊器先進(jìn)技術(shù)及設(shè)備引進(jìn)成本較高，國內(nèi)鉆機(jī)配套鉆頭又很難與進(jìn)口扭轉(zhuǎn)沖擊器匹配，所以，國內(nèi)應(yīng)加大自主研發(fā)力度，早日突破該項(xiàng)技術(shù)瓶頸。

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Research and Appiication Prospect of Torsionai Impact Hammer

LU Lingling1，H E Dongsheng1，ZHANGWeidong2，JIA Liting1
（1．School of M echanical and Electronic Engineering，South west Petroleu m Universitu，Chengdu610500，China；2．Baoji Oilfield M achineru Co．，Ltd．，Baoji721002，China）

Torsionalim pact ha mmer is the key technology of fast drilling in deep and hard forma tion．Itis a new type of drilling tool collecting of mechanical shear，hydraulic and torsionalim pact．T he study intended to introduce the current research and actual application of torsional im pact ham mer both at ho me and abroad，specifically expound its structure，characteristics and w orking principle，co m paratively analysis the key technology of the torsionalim pact ha m mer’s advantages and disadvantages，point out that the localization of the ha m mer should focus on such aspects as reliable tool structure，w orking in high density drilling fluid，as well as a good application and prospect for develop mentin the field of drilling．T he study conclusion is certainly and referentially valuable for im provement and perfection of torsionalim pact ha m mer，realizing nationalization，the sa me too supporting the develop ment and im provement of P D C bit．

torsionalim pact；fast drilling；research status；field appl ication

T E921．2

A

10．3969／j．issn．1001 3842．2015．06．019

1001 3482（2015）06 0082 04

①2014 12 03

中地共建資助項(xiàng)目（010086012）

盧玲玲（1990 ），女，江蘇南通人，碩士研究生，主要從事鉆井機(jī)械的研究，Email：lingling2xl＠163．co m。