鉆井提速用振動沖擊工具研究進展

甘 心

（中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南濮陽457001）

0 引言

鉆井工程最終目標是以最低的成本鉆出高質(zhì)量的井眼，而在鉆頭成本和鉆機作業(yè)費用不變的條件下，若要實施低成本鉆井施工，必須在盡可能少的時間內(nèi)，獲得更多的進尺。實踐表明，振動沖擊工具可以在不增加地面設(shè)備能力的條件下合理利用并轉(zhuǎn)化泥漿水力能量進行輔助破巖，其作為降本增效的最直接有效手段之一，已經(jīng)被行業(yè)內(nèi)廣泛認同和重視［1-2］。自 20 世紀以來，美、蘇、中、德等國對鉆井提速工具進行了大量的研究和創(chuàng)新，試驗和應(yīng)用結(jié)果表明振動沖擊工具具有以下幾個優(yōu)點：（1）提高硬地層機械鉆速和進尺深度；（2）有效控制井眼軌跡，提高井身質(zhì)量；（3）緩解鉆柱彎曲和惡性振動；（4）改善鉆頭破巖環(huán)境，提高破巖能量，降低破巖阻力。

本文將油氣鉆井提速用振動沖擊工具按作用方式分為軸向振動沖擊工具、扭轉(zhuǎn)沖擊工具和復合沖擊工具3 大類，并對每種工具的工作原理、技術(shù)特點、性能指標、應(yīng)用效果及發(fā)展方向進行介紹，為振動沖擊工具更好地發(fā)揮提速效果提供借鑒。

1 軸向振動沖擊工具

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在油氣鉆井領(lǐng)域得到成功應(yīng)用的軸向振動沖擊工具主要有射流式?jīng)_擊器、射吸式?jīng)_擊器、自激振蕩沖擊器、脈沖式提速器和旋沖螺桿等。

1.1 射流式?jīng)_擊器

射流式?jīng)_擊器又稱射流式液動錘（見圖1），主要利用一個雙穩(wěn)態(tài)射流元件的射流附壁切換特性，控制高壓液體交替進入沖擊器缸體上下腔，從而推動活塞沖錘往復運動［3］。其結(jié)構(gòu)尺寸及性能參數(shù)如表1 所示。

圖1 射流式?jīng)_擊器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of the fluid?jet impactor

表1 射流式?jīng)_擊器性能參數(shù)Table 1 Main technical parameters of the fluid?jet impactor

射流式?jīng)_擊器具有結(jié)構(gòu)簡單、運動件少、工作穩(wěn)定、不受井底背壓影響等特點，與此同時也存在射流元件易沖蝕、液體能量利用率低等不足。近幾年吉林大學對射流式?jīng)_擊器內(nèi)部的射流元件（見圖2）的結(jié)構(gòu)與材質(zhì)進行了改進優(yōu)化［4］，將射流元件從傳統(tǒng)三體式結(jié)構(gòu)改進成臉譜型兩體式結(jié)構(gòu)，將原有底板和蓋板的長條形上下腔控制信號孔改為在基板上采用電火花方式加工而成的矩形截面控制道，并且在材質(zhì)上全部采用YG11C 硬質(zhì)合金。中國石化石油工程技術(shù)研究院對缸體、砧子的結(jié)構(gòu)與材質(zhì)進行了改進，提高了工具的使用壽命，并且通過優(yōu)化性能參數(shù)，首次與PDC 鉆頭配合在6000 m 井段實現(xiàn)成功應(yīng)用［5-6］。

圖2 射流元件Fig.2 Fluid?jet device

射流式?jīng)_擊器在新疆塔里木、內(nèi)蒙古和重慶涪陵等地區(qū)70 余口井的硬脆性地層進行了應(yīng)用，平均機械鉆速提高30%以上［7］。

當前，射流式?jīng)_擊器正朝著改進元件結(jié)構(gòu)及材質(zhì)、降低壓降、提高油基泥漿適應(yīng)性等方向持續(xù)開展攻關(guān)研究。

1.2 射吸式?jīng)_擊器

射吸式?jīng)_擊器結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 射吸式?jīng)_擊器結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure of the fluid ejection type impactor

該沖擊器主要利用高壓液流噴射時產(chǎn)生的卷吸作用，使控制閥和活塞的上下腔產(chǎn)生交變壓力差，從而推動活塞和沖錘往復運動。其主要技術(shù)特點有：（1）無彈簧元件，運動部件少；（2）結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便；（3）液體在腔體內(nèi)暢通性好；（4）對密封性能要求低［8］。

近年來，東北石油大學、西安石油大學和中國石油大學（北京）等高校都在開展射吸式?jīng)_擊器研究。其中，中國石油大學（北京）運用計算流體力學軟件對射吸式?jīng)_擊器內(nèi)部流速場和壓力場進行了分析，進一步優(yōu)化了沖擊器排量、噴嘴直徑、噴嘴結(jié)構(gòu)、沖程等參數(shù)［9］。東北石油大學通過室內(nèi)性能測試，明確了沖擊功和沖擊頻率會隨著排量和沖錘質(zhì)量的增大而增大，研制的?100 mm 射吸式?jīng)_擊器總長 1.2 m、工作頻率為 1000～4000 次/min（16～66 Hz）、沖擊力為 500～1000 N、壓降 1～2 MPa，該沖擊器在新疆塔里木地區(qū)配合PDC 鉆頭進行了現(xiàn)場應(yīng)用，機械鉆速同比常規(guī)鉆具組合提高133%［10-11］。西安石油大學對射吸式?jīng)_擊器噴嘴、控制閥和活塞等零件進行了優(yōu)化設(shè)計，引入激光熔覆技術(shù)，提高了零部件耐磨性，研制的?178 mm 射吸式?jīng)_擊器工作頻率 8.8 Hz、沖擊功 134.3 J、壓降 2.56 MPa，該沖擊器在新疆瑪湖地區(qū)配合PDC 鉆頭進行了現(xiàn)場應(yīng)用，機械鉆速同比常規(guī)鉆具組合提高31%［12］。

當前，射吸式?jīng)_擊器應(yīng)用規(guī)模較小，需要在配流行程優(yōu)化、關(guān)鍵零部件材質(zhì)優(yōu)選、工作穩(wěn)定性和鉆井液能量利用率提升等方面開展深入的攻關(guān)。

1.3 自激振蕩沖擊器

自激振蕩沖擊器結(jié)構(gòu)如圖4 如示。

圖4 自激振蕩沖擊器結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Structure of the self?excited oscillating impactor

該沖擊器主要利用鉆井液流經(jīng)自激振蕩腔時產(chǎn)生的高頻低幅水力脈沖，作用在沖擊傳遞桿上端，并對下部鉆具或鉆頭進行柔和的液力沖擊［13-14］。其性能參數(shù)見表2。自激振蕩沖擊器主要技術(shù)特點有：（1）可靠性和安全性好，結(jié)構(gòu)簡單，無沖擊錘等活動件；（2）適應(yīng)性強，對鉆井液性能無特殊要求；（3）能夠改善井底巖石狀態(tài)并凈化井底。

中國石油大學（華東）研制的自激振蕩式?jīng)_擊器近幾年在新疆塔里木地區(qū)進行了多次應(yīng)用，機械鉆速與常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進相比提高50%以上，鉆時減少45%以上。其中在TH10435 井，使用螺桿+自激振蕩旋沖工具+PDC 鉆頭鉆井方式，機械鉆速22.63 m/h，較鄰井復合鉆進提高 60.9%［15］。

表2 自激振蕩沖擊器性能參數(shù)Table 2 Main technical parameters of the self?excited os?cillating impactor

目前，自激振蕩式?jīng)_擊器正朝著精簡工具長度、拓展沖擊作用方式、提高與螺桿鉆具匹配性等方面不斷完善，并且應(yīng)用規(guī)模也正在逐步增加。與此同時，研究人員也在積極融入脈沖粒子射流理念，研發(fā)自吸環(huán)空流體式脈沖粒子射流沖擊器［16-17］。

1.4 脈沖式提速器

脈沖式提速器的結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 脈沖式提速器結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Structure of the adjustable frequency pulse impactor

該提速器通過將偏心軸與導流板周期性連通形成的機械強制脈沖與鉆井液流經(jīng)諧振脈沖腔產(chǎn)生的自激振蕩脈沖相結(jié)合，使常規(guī)連續(xù)流動的鉆井液轉(zhuǎn)換成脈沖射流，提高鉆頭破巖能量和效率。其主要技術(shù)特點有：（1）高壓射流可以輔助破巖，提高破巖效率；（2）減輕井底巖屑壓持效應(yīng)，避免巖屑重復破碎；（3）井底壓力波動可以改善待破碎層壓差。

近年來，中石油鉆井工程技術(shù)研究院和中石化華東工程公司都在開展脈沖式提速器研究。其中，中國石油鉆井工程技術(shù)研究院研制的?178 mm 脈沖式提速器總長810 mm、壓降1.5～2.5 MPa、壓力脈沖2～4 MPa。該工具脈沖幅值隨排量的增大而增大，并且在相同排量下，低脈沖頻率對應(yīng)的脈沖幅值大，高脈沖頻率對應(yīng)的脈沖幅值?。?8］。中國石油鉆井工程技術(shù)研究院研制的脈沖式提速器近幾年在吐哈、大慶、蘇里格和川東北等地區(qū)現(xiàn)場應(yīng)用，平均提高25%以上，火成巖等堅硬地層鉆速提高50%。中石化華東工程公司研制的?165 mm 和? 203 mm 兩種規(guī)格脈沖式提速器在江蘇油田應(yīng)用9口井，平均機械鉆速提高26.08%［19］。

目前，脈沖式提速器受限于腔體暢通性不足、密封性能要求高、鉆井液性能要求苛刻等因素，未能進行大規(guī)模應(yīng)用。

1.5 旋沖螺桿

旋沖螺桿又稱螺桿沖擊器，由動力總成、可調(diào)彎角外殼總成和沖擊錘總成組成。動力總成提供轉(zhuǎn)速和輸出扭矩，通過傳動軸傳遞給沖擊錘總成內(nèi)部凸輪，使凸輪和滾輪之間形成差動，并產(chǎn)生3～4倍于轉(zhuǎn)速的沖擊次數(shù)，從而實現(xiàn)沖擊功能與螺桿集成化一體化應(yīng)用。其主要技術(shù)特點有：（1）沖擊功與鉆壓有關(guān)，沖擊頻率與馬達轉(zhuǎn)速有關(guān)；（2）工作時外筒產(chǎn)生軸向振蕩；（3）純機械傳動，無泥漿壓力脈沖，對泥漿性能無限制［20］。

目前中石化石油工程技術(shù)研究院、勝利石油工程公司鉆井工藝研究院、中國石油大學（華東）等科研院所都在開展旋沖螺桿的研制［21-23］。其中，中石化石油工程技術(shù)研究院研制的螺桿沖擊器如圖6 所示，具體技術(shù)參數(shù)如表3 所示。勝利石油工程公司鉆井工藝研究院研制的機械式旋沖螺桿（見圖7）外徑172 mm，配套螺桿馬達頭數(shù)7∶8，沖擊頻率4～8 Hz，工作扭矩 3.8～7.8 kN·m，工作鉆壓 15～50 kN，沖程5 mm，并且沖擊功與鉆壓和沖程成正比，工作扭矩與鉆壓和沖程成反比。

圖6 螺桿沖擊器結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Structure of the impactor based on PDM

表3 螺桿沖擊器性能參數(shù)Table 3 Main technical parameters of the impactor based on PDM

圖7 機械式旋沖工具結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Structure of the mechanical percussive?rotary drilling tool

中國石油大學（華東）研制的彈性蓄能式旋沖螺桿（見圖8）外徑180 mm，螺桿轉(zhuǎn)速273～428 r/min，沖擊頻率 27～43 Hz，彈簧預緊力 2.4 kN，沖錘質(zhì) 量 7.8 kg，沖 程 20 mm，排量 24～36 L/s，壓耗1.1～1.3 MPa，并且沖擊力與彈簧預緊力成正比，沖擊頻率隨排量增大而增大。

旋沖螺桿近年來在新疆、四川、重慶等多個工區(qū)的難鉆地層進行了推廣應(yīng)用，其中在重慶涪陵焦石壩頁巖氣田茅口組、棲霞組和韓家店組平均機械鉆速較常規(guī)螺桿提高20%以上，在四川達州普光工區(qū)下沙溪廟組和千佛崖組平均機械鉆速較常規(guī)螺桿提高 40% 以上［24］。

圖8 彈性蓄能式旋沖螺桿結(jié)構(gòu)示意Fig.8 Structure of the percussive?rotary drilling tool with spring energy accumulation

旋沖螺桿作為近幾年新出現(xiàn)的鉆井提速工具，由于融合了常規(guī)螺桿大扭矩高轉(zhuǎn)速的輸出特性和軸向沖擊器高頻大沖擊功的功能特性，與其他類型軸向振動沖擊工具相比，對鉆井施工條件和地層適應(yīng)性更好，應(yīng)用規(guī)模和領(lǐng)域也在逐漸擴大。與此同時，該工具本身正在朝著提高動密封性能，降低沖擊機構(gòu)關(guān)鍵零部件磨損等方面不斷提升和完善。

2 扭轉(zhuǎn)沖擊工具

扭轉(zhuǎn)沖擊工具又稱扭力沖擊器或扭沖工具，它利用泥漿驅(qū)動內(nèi)部沖擊擺錘做來回的旋轉(zhuǎn)沖擊，將泥漿壓力能轉(zhuǎn)換成一定頻率、周向扭轉(zhuǎn)、沖擊型機械破巖能量傳遞給PDC 鉆頭。其主要技術(shù)特點有：（1）消除粘滑、渦旋、跳鉆振動，減少了反沖扭矩和扭矩振蕩；（2）高頻扭轉(zhuǎn)沖擊能夠提高PDC 切削齒剪切巖層效率，提高了機械鉆速；（3）延長了鉆頭壽命、減少了起下鉆次數(shù)，緩解了下部鉆具組合疲勞損傷；（4）有效地控制井眼軌跡，提高了井身質(zhì)量［25-26］。目前應(yīng)用較為成熟的扭轉(zhuǎn)沖擊器的主要性能參數(shù)如表4 所示。

表4 扭轉(zhuǎn)沖擊工具性能參數(shù)Table 4 Main technical parameters of the torsional impactor

目前應(yīng)用較為成熟的扭轉(zhuǎn)沖擊器均采用的是基于噴嘴驅(qū)動的扭轉(zhuǎn)沖擊器（見圖9），壓降更小，流通性更好，能夠通過大顆粒的堵漏材料，并且扭轉(zhuǎn)沖擊力可以通過排量和噴嘴大小進行調(diào)節(jié)。

與此同時，中國石油大學（華東）、中石化中原石油工程公司鉆井院開展了基于射流元件驅(qū)動的扭轉(zhuǎn)沖擊器（見圖10）［27］研制，它通過雙穩(wěn)態(tài)射流元件附壁切換特性，驅(qū)動泥漿左右交替進入擺錘腔室內(nèi)，推動擺錘左右擺動沖擊，從而引起鉆頭扭矩波動。中國石油大學（華東）也提出了一種基于渦輪驅(qū)動的扭轉(zhuǎn)沖擊器（見圖11）［28］，它主要通過渦輪葉片的旋轉(zhuǎn)來帶動扭轉(zhuǎn)沖擊機構(gòu)中的沖擊架順時針和逆時針沖擊傳動軸，從而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)沖擊力。

圖9 基于噴嘴驅(qū)動的扭轉(zhuǎn)沖擊器結(jié)構(gòu)示意Fig.9 Structure of the nozzle?driven torsional impactor

圖10 基于射流元件驅(qū)動的扭轉(zhuǎn)沖擊器結(jié)構(gòu)示意Fig.10 Structure of the fluid?jet device driven torsional impactor

在現(xiàn)場應(yīng)用方面，阿特拉扭轉(zhuǎn)沖擊器在新疆塔里木、青海和川東北等地區(qū)進行了推廣應(yīng)用，其中在塔里木地區(qū)平均機械鉆速提高110%以上，在川東北元壩地區(qū)平均機械鉆速3.46 m/h，較鄰井提高44.17%。中石化勝利鉆井院的扭轉(zhuǎn)沖擊器先后在東海、南海、玉門、遼河等地區(qū)累計應(yīng)用150 余井次，累計進尺超40000 m，機械鉆速平均提高59%［29］。中石化石油工程技術(shù)研究院研制的扭轉(zhuǎn)沖擊器先后在山東、內(nèi)蒙古、四川等地區(qū)應(yīng)用10 余口井，其中在山東臨盤油田盤2-斜125 井配合液力加壓器使用，機械鉆速同比提高33%以上［30］。中石油渤海鉆探的扭轉(zhuǎn)沖擊器近兩年在大港、冀東、蘇里格和華北等地區(qū)應(yīng)用26 口井，平均機械鉆速提高53.6%［31］。成都迪普DeepDrill 扭轉(zhuǎn)沖擊器在浙江油田YS108 區(qū)塊應(yīng)用4 口井，平均機械鉆速提高20%以上，扭矩波動減小50%以上。

圖11 基于渦輪驅(qū)動的扭轉(zhuǎn)沖擊器結(jié)構(gòu)示意Fig.11 Structure of the turbine?driven torsional impactor

目前，雖然扭轉(zhuǎn)沖擊器研發(fā)已較為成熟，行業(yè)認可度也較高，但國內(nèi)外各大科研院校和企業(yè)仍然在提高沖擊能量、延長使用壽命以及提升不同地層適應(yīng)性等方面開展攻關(guān)，目的是讓扭轉(zhuǎn)沖擊器性能更優(yōu)，提速效果更好。

3 復合沖擊工具

復合沖擊工具又稱復合沖擊器，主要由扭轉(zhuǎn)沖擊機構(gòu)和軸向沖擊機構(gòu)兩部分組成，并將高頻軸向沖擊和扭轉(zhuǎn)沖擊傳遞給鉆頭，實現(xiàn)“立體破巖”。其主要技術(shù)特點如下：

（1）同時產(chǎn)生高頻軸向沖擊和往復扭轉(zhuǎn)沖擊；

（2）能夠與井下動力鉆具配合使用；

（3）提高鉆頭破巖能量，減少鉆頭破巖阻力，提高鉆頭使用壽命［32］。

近年來，中國石油大學（北京）、中海油研究總院和深圳新速通等科研院校和企業(yè)都在開展復合沖擊工具研發(fā)。其中，中海油研究總院研制的復合沖擊器（見圖12）具有相同軸向沖擊頻率和扭轉(zhuǎn)沖擊頻率的特點，其中軸向沖擊功和沖擊頻率主要與排量和上噴嘴直徑大小有關(guān)，扭轉(zhuǎn)沖擊頻率主要與排量和下噴嘴直徑大小有關(guān)［33］。其性能參數(shù)見表5所示。

中海油研究總院?190 mm 復合沖擊器在鄂爾多斯盆地致密氣區(qū)塊YH-115-4H 井直井段平均機械鉆速較鄰井提高50%以上，定向段平均機械鉆速提高 139.2%［34］。

圖12 復合沖擊器結(jié)構(gòu)示意Fig.12 Structure of the compound impactor

深圳新速通研制了 ?131、186、197 和 261 mm共4 種規(guī)格復合沖擊工具，并在新疆、四川、海南等地區(qū)應(yīng)用20 余口井，平均機械鉆速提高30%以上。

目前復合沖擊器研制處于起步階段，軸向沖擊與扭轉(zhuǎn)沖擊的能量分配、內(nèi)部流場優(yōu)化、工具與地層匹配性等方面仍然需要進一步研究。

表5 復合沖擊器性能參數(shù)Table 5 Main technical parameters of the compound impactor

4 結(jié)論

通過列舉以上振動沖擊提速工具的最新研究進展，可以清楚地看到，振動沖擊提速工具通過合理利用并轉(zhuǎn)化泥漿水力能量，有效提高了破巖能量，改善了鉆頭破巖環(huán)境，降低了破巖阻力。根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用情況來看，可以不同程度地提高鉆井過程中的機械鉆速，縮短鉆井周期。

而振動沖擊提速工具在未來的發(fā)展過程中，需要進一步開展的優(yōu)化研究分別為：射流式?jīng)_擊器需要降低壓降、提高壽命；射吸式?jīng)_擊器需要提升穩(wěn)定性和能量利用率；自激振蕩沖擊器和脈沖式提速器需要優(yōu)化內(nèi)部流場、提升振動沖擊能量；旋沖螺桿需要降低關(guān)鍵部件磨損速率、減少內(nèi)部損耗；扭轉(zhuǎn)沖擊器需要提高扭轉(zhuǎn)沖擊能量；復合沖擊器需要優(yōu)化軸向沖擊與扭轉(zhuǎn)沖擊的能量分配。

與此同時，針對上述鉆井提速用振動沖擊工具尚未得到大面積推廣應(yīng)用的情況，還需要深入開展不同類型振動沖擊工具與配套鉆頭的優(yōu)選研究，最大限度地發(fā)揮工具與鉆頭的功能特點，進而達到最優(yōu)的協(xié)同提速效果。