鉆井用液動沖擊器技術研究進展及應用對比

賈 濤，徐丙貴，李 梅，王敦威，王海燕

（1.中國石油集團 鉆井工程技術研究院，北京100195；2.中國石油集團 渤海鉆探工程有限公司，天津300457；3.中國石油長城鉆探工程有限公司 物資公司，天津300457）①

隨著油氣鉆井深度的不斷增加，鉆井的難度和成本成倍增長，硬地層鉆進的難題日益突出，如何提高鉆頭在硬地層的鉆井速度已迫在眉睫。利用液動沖擊器提高鉆井速度已經有上百年的歷史，該類工具是在常規旋轉鉆井的基礎上，通過將鉆井液的能量轉化為沖擊力直接施加給鉆頭，使鉆頭靠旋轉和沖擊共同作用破碎巖石，提高了鉆井效率［1－4］。另外，液動沖擊器對鉆頭產生的周期性高頻沖擊，可以大幅度減少或消除PDC鉆頭的粘滑振動，在提高機械鉆速的同時，能夠保護鉆頭，延長鉆頭壽命，減少起下鉆次數，有效降低了鉆井成本。

液動沖擊器種類繁多，按照沖擊力的方向可分為軸向沖擊器和扭力沖擊器。20世紀初，俄國工程師B·沃爾斯基設計出石油鉆井用液動沖擊鉆具，隨后美、德、挪威等國廣泛開展了此項技術的研究，并在油氣勘探開發中應用。我國從1958年開始對液動沖擊鉆井技術進行研究，有很多新型的沖擊器問世并得到推廣應用。例如，石油大學、西南石油大學、國土資源勘探技術研究所、德州石油鉆井研究所等單位均進行過液動沖擊鉆井的相關研究，有的還進行了鉆井試驗。盡管液動沖擊鉆井技術具有提高硬巖破巖效果、提高鉆井速度、改善鉆井工藝參數等優點，但是工具壽命短、單次沖擊功偏低、鉆井深度較淺，應用效果不夠理想［5］。這也是該技術至今未被廣泛應用的原因。

2000年之前，液動沖擊鉆井使用的液動沖擊器均為軸向沖擊器。2000年以來，相關研究機構開展了扭力沖擊鉆井技術的研究，并進行了應用，其主要工具為扭力沖擊器。由于其提高鉆速效果顯著，已受到國內外鉆井專家的密切關注。該工具的出現，使液動沖擊鉆井技術再次成為關注的焦點。

1 軸向沖擊器

按照其結構及工作原理的不同，軸向沖擊器又可分為閥式正作用沖擊器、閥式反作用沖擊器、閥式雙作用沖擊器、射流式沖擊器等。液動沖擊器使用方便，串接于井下鉆具組合近鉆頭位置即可實現液動沖擊鉆井。

1.1 研究情況

20世紀40年代以來，前蘇聯、美國、德國等國的相關研究單位均進行了軸向沖擊器的研制。其中，美國Smith tool公司、Andergauge公司、Sperry鉆井服務公司等都進行了各類閥式沖擊器的研制，具有較先進的水平。圖1為Andergauge公司研發的液動沖擊器結構［6］。

圖1 Andergauge公司液動沖擊器結構

20世紀60年代以來，國內的多家單位開展了各種類型液動沖擊器的研制，并進行了現場試驗。圖2是由長春科技大學研制的YSC－178型液動射流式沖擊器，依靠雙穩的射流元件控制活塞沖錘的上下運動，結構簡單，運動部件少，除活塞沖錘外無其他運動零件，因而工作壽命長。該沖擊器進行了3輪現場試驗，比普通牙輪鉆頭鉆進效率［7］提高161%。

圖2 YSC－178型液動射流式沖擊器結構

1.2 特點

在鉆井過程中，軸向沖擊器將鉆井液的能量轉化為高頻的軸向沖擊力，在鉆頭上形成高頻脈沖鉆壓。試驗證明：軸向沖擊器較普通旋轉鉆井可提高鉆井速度30%以上，可以在較低的鉆壓下取得較好的使用效果，避免鉆井過程中由于大鉆壓產生的井斜和鉆柱磨損及疲勞損壞。軸向沖擊器在產生高頻沖擊力的同時，可以形成高壓脈沖射流，增強鉆井液沖洗井底的能力。此外，鉆井液壓力的脈沖變化，導致了井底壓力周期性發生變化，改善了井底巖石的應力狀態，有利于消除巖屑壓持效應，增強了水力輔助破巖效果。

2 扭力沖擊器

在硬地層鉆井過程中，PDC鉆頭發生著無序的振動，包括橫向、縱向和扭轉振動。這些有害振動不僅會損害PDC鉆頭切屑齒，降低鉆頭壽命，還造成井眼不規則，降低井身質量。扭力沖擊鉆井是一項新興的鉆井技術，主要依靠扭力沖擊器配合PDC鉆頭來實現。鉆井過程中，扭力沖擊器連接在鉆頭上方，該工具可以將鉆井液的能量轉化為低幅、高頻脈沖扭矩，該扭矩與鉆機旋轉系統產生的穩態扭矩同時傳遞給鉆頭。二者共同作用，不僅可以顯著提高鉆井速度，而且可以有效減少或消除硬地層鉆井過程中鉆頭的有害振動，保護鉆頭，延長鉆頭壽命。扭力沖擊鉆井改變了PDC鉆頭傳統的破巖方式，使PDC鉆頭不再單純依靠剪切破巖，而是以沖擊和剪切共同作用破碎巖石，從而有效提高機械鉆速。

相對于軸向沖擊器，扭力沖擊器出現的時間要晚，但是其使用效果卻遠勝前者，提高鉆井速度可達150%以上。

2.1 液壓式扭力沖擊器

2000年，加拿大的Ulterra公司首先提出了扭力沖擊鉆井的構想，成功研制了液壓式和渦輪式扭力沖擊器，命名為torkbuster，并于近幾年進行了商業化應用。圖3為液壓式torkbuster工作原理圖。圖4為液壓式扭力沖擊器內部結構圖。該工具通過變流量噴嘴產生壓降，從而在工具內部形成了高壓區和低壓區。在壓差的作用下，通過工具內部的流道切換，撞擊錘與啟動錘形成高速反轉，撞擊錘不斷撞擊沖擊面，沖擊面又將沖擊力傳遞給鉆頭，形成高頻的脈沖扭矩。該類型扭力沖擊工具結構簡單，部件較少，可靠性高，適應性較好。

圖3 液壓式扭力沖擊器工作原理及結構

扭力沖擊器（torkbuster）主要技術參數如表1所示，圖5為扭力沖擊器（torkbuster）外觀。

圖4 液壓式扭力沖擊器內部結構

表1 扭力沖擊器（torkbuster）主要技術參數

圖5 扭力沖擊器（torkbuster）

2.2 渦輪式扭力沖擊器

圖6為渦輪式扭力沖擊器內部結構圖。鉆井時，鉆井液經過過濾分流系統后，通過上部和下部渦輪動力系統帶動非平衡配重系統高速旋轉。中心傳動軸將動力系統和非平衡配重系統的高速旋轉傳遞給沖擊系統，沖擊系統將穩態的高速旋轉轉化為高頻的脈沖沖擊，與穩態的鉆具扭矩共同作用于鉆頭，實現扭力沖擊鉆井。非平衡配重系統的作用是在渦輪轉速相同的情況下，可以通過改變其自身重力實現不同的沖擊力。與液壓式扭力沖擊器相比，渦輪式扭力沖擊器結構更復雜，其壽命受渦輪壽命的制約，對鉆井液性能的要求更高。

圖6 渦輪式扭力沖擊器內部結構

2.3 國內研究情況

西南石油大學和勝利石油管理局鉆井工藝研究院也分別進行了扭力沖擊工具的研制。西南石油大學研制的扭沖工具依靠渦輪和棘輪機構實現，通過扭沖工具內部的傳動軸將渦輪的轉動傳遞給棘輪機構，棘輪機構的撞擊砧塊不斷地撞擊承撞砧塊，從而形成了脈沖扭矩［8］。勝利石油管理局鉆井工藝研究院研制了SLTIT型扭沖工具，該工具通過節流和內部的流道轉換，使工具的撞擊錘和啟動錘持續高速反轉，形成高頻沖擊［9］。

3 扭力沖擊器應用情況

目前，中石油玉門油田、塔里木油田，中石化川東北元壩地區、塔河油田等多個油田試驗使用torkbuster扭力沖擊器，配合個性化PDC鉆頭一起使用，取得了良好的效果。

3.1 在祁參1井應用

祁參1井是中石油集團公司的重點探井，也是目前世界海拔最高的油氣探井。該井在鉆至3 400 m后難以提高鉆井速度，地質資料不全、巖層反復夾層多、鉆頭選型困難、參數無法強化都成為提高鉆井速度的瓶頸問題。為提高機械鉆速，該井在3 458.5～3 678.5m井段試驗使用torkbuster扭力沖擊器，提速效果顯著。與之前常規技術相比，在同樣地層下平均鉆速提高了2.72倍。表2為祁參1井各井段使用常規鉆具組合和鉆頭與使用torkbuster＋PDC鉆頭的效果對比情況。

表2 祁參1井各井段鉆井參數對比

3.2 在新墾8－H井應用

中石油塔里木油田哈拉哈塘區塊引進該技術后提高鉆井速度尤為明顯。該區塊5 400m鉆井段的鉆井周期僅為30d，而下部井段由于巖石研磨性強、可鉆性差，常規螺桿加PDC鉆頭提速方式不再適用，平均機械鉆速＜2m／h，耗時50～70d。該技術在新墾8－H井共使用114.9h，完成進尺559m，平均機械鉆速4.87m／h，比鄰井提高50%以上。表3為新墾8－H井與鄰井同井段的鉆井數據對比。

表3 新墾8－H井與鄰井同井段鉆井數據對比

經過對現場試驗的對比分析，扭力沖擊鉆井效果遠優于常規鉆具組合鉆井，其根本原因在于：扭力沖擊鉆井改變了傳統意義上PDC鉆頭高轉速、低鉆壓的使用方式，使PDC鉆頭實現了高轉速、高鉆壓正常鉆井，突破了傳統PDC鉆頭的使用極限。相對于常規情況下PDC鉆頭在硬地層鉆井過程中的鉆壓，使用扭力沖擊器后鉆壓可提高2～4倍；同時，扭力沖擊器能有效消除鉆井過程中PDC鉆頭無序的粘滑振動，從而能夠在大幅提高機械鉆速的同時，延長鉆頭壽命，成倍增加單只鉆頭的進尺。

4 結論

1） 扭力沖擊鉆井是一項極具創新的技術，該技術使用PDC鉆頭以沖擊和剪切作用共同破巖，改變了PDC鉆頭傳統的破巖方式，大幅提高了我國西部地區難鉆地層的機械鉆速，極大地縮短了建井周期。

2） 在鉆井過程中，完全依靠鉆井液帶動工具產生低幅高頻的脈沖扭矩，但鉆井液中的有害固相對工具具有較強的沖蝕破壞，直接影響了工具的使用壽命。

3） 現場應用證明，扭力沖擊鉆井工藝是提高深部硬地層鉆井速度的有效途徑。扭力沖擊工具的可靠性高，綜合成本較低，使用簡單，具有廣泛的應用前景。

4） 建議進一步加強對扭力沖擊鉆井配套PDC鉆頭的研究，以達到提高機械鉆速和延長鉆頭壽命的目的；加強扭力沖擊工具內表面的處理，增加工具抗鉆井液沖蝕能力，延長工具壽命；開展扭力沖擊鉆井破巖機理的研究，優化扭力沖擊器技術參數，同時為鉆頭選型及現場作業提供理論依據。

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