國內外扭力沖擊器的研究現狀及展望

趙金成，陳杰，陳立偉，劉禹銘，柴龍順，蔣暢

（中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452）

0 引言

隨著對油氣資源開發力度的加大，淺層易開發資源日益枯竭，勘探開發領域逐漸向深井、超深井延伸，鉆頭遇到花崗巖、硬砂巖、礫巖等超硬巖層的幾率也逐漸增大，PDC鉆頭在破碎超硬巖層時，對比常規牙輪鉆頭、金剛石鉆頭，在鉆進速度、鉆頭壽命、作業成本等方面更具優勢，因此PDC鉆頭在超深復雜地質井中得到廣泛應用[1]。PDC鉆頭在破碎超硬巖層時，易出現黏滑現象，對機械鉆速、鉆頭壽命影響嚴重，為消除黏滑振動，國內外進行了大量研究，其中扭力沖擊器+PDC鉆頭作業模式可明顯減緩或消除該問題[2]。目前，國內外已有多家機構推出該類型工具，并在各大油田超硬地層中得以應用，在延長鉆頭壽命、提高機械鉆速等方面有一定成果，但也存在一些問題，本文梳理國內外扭力沖擊器研究情況，結合現場應用，給出該類工具的發展建議。

1 PDC鉆頭黏滑振動產生機理

PDC鉆頭在破碎巖石過程中，與鉆柱系統、巖石特性有著密切關系，在理想狀態下，鉆頭與鉆具以相同速度轉動，PDC齒連續剪切巖石，實際上，在超硬地層鉆柱傳遞給鉆頭的轉矩不足以使PDC齒切削巖石時，鉆頭不再與鉆具同速轉動，處于黏滯狀態，鉆機持續提供轉矩，當鉆柱中儲存的能量足以剪切巖石時，鉆頭繞軸變速轉動，鉆頭處于滑脫狀態[3]。

2 國內外研究現狀

為提高超硬地層破巖速度，延長鉆頭壽命，減少起下鉆時間，國內外已就扭力沖擊器進行了大量研究與試驗。其中包括Ulterra研發的TorkBuster液壓式扭力發生器和渦輪式扭力發生器、Halliburton公司研發的旋轉沖擊裝置。與國外相比，國內扭力沖擊器的研究起步相對較晚，其中以中石化勝利鉆井研究院聯合中國石油大學（華東）研制的SLTIDT型扭沖工具[4]、中國石油大學（北京）研制的復合沖擊鉆具[5]較為典型。

2.1 渦輪式扭力發生器

Ulterra研發的渦輪式扭力沖擊器在作業時，泥漿經過濾分流器，驅動上下渦輪動力機構，從而使非平衡動力機構高速運動，再由動力軸將非平衡動力機構上聚集的動能傳遞給沖擊器牙嵌結構，牙嵌結構將均勻、高頻扭擊傳遞給鉆頭，實現扭力沖擊鉆井。該扭力沖擊器可通過調整非平衡動力機構質量，調節輸出的高頻扭擊力，結構形式如圖1所示[6]。

圖1 渦輪式扭力沖擊器結構

2.2 TorkBuster液壓式扭力發生器

Ulterra研發的TorkBuster液壓式扭力發生器，通過可調流量噴嘴（節流機構）產生壓耗，泥漿進入換向腔中，使沖擊機構內部高低壓腔交替進行，沖擊錘高頻、均勻、穩定撞擊沖擊面，沖擊面將沖擊力傳遞到牙嵌結構上，牙嵌結構與鉆頭相連，從而在鉆頭上形成高頻扭轉沖擊，結構形式如圖2所示[7]。

圖2 TorkBuster液壓式扭力發生器結構

2.3 旋轉沖擊裝置

Halliburton旋沖裝置由砧座、葉輪、沖擊塊和渦輪頭等零部件構成。在正常鉆進時，砧座與葉輪之間的縫隙很大，泥漿可全部由中心孔流走；當出現鉆頭遇阻時，砧座與葉輪之間的縫隙迅速減小，泥漿流入渦輪頭，沖擊機構會高速往復旋轉，沖擊砧座，砧座將高頻轉矩傳遞到鉆頭上，結構形式如圖3所示[8]。由于旋沖裝置的沖擊機構為分體，無法保證同步旋轉沖擊，輸出的沖擊波可能存在紊亂現象，導致機械鉆速降低，因此Halliburton旋沖裝置未能規模性應用。

圖3 旋轉沖擊裝置結構

2.4 SLTIDT型扭沖工具

勝利鉆井院聯合中國石油大學（華東）研制的SLTIDT型扭沖工具，鉆鋌短節與鉆具組合中的鉆鋌連接，鉆頭座與鉆頭直接連接。泥漿流經噴嘴時，會截留部分泥漿進入扭沖工具內部沖擊錘與導向機構中，泥漿推動沖擊錘敲擊鉆頭座，由此傳遞給鉆頭，完成一次扭擊；換向機構在泥漿的推動下，實現換向，泥漿再推動沖擊錘反向敲擊鉆頭座，再完成一次反向扭擊。PDC鉆頭在接收鉆柱傳遞轉矩的同時，可接收來自扭沖12～40 Hz的周向沖擊能量[9]。

2.5 復合沖擊鉆具

中國石油大學（北京）研制的復合沖擊鉆具，泥漿在流經噴嘴時會產生壓耗，有一部分泥漿通過換向軸進入徑向扭擊腔和軸向振擊腔。其中徑向扭擊腔與SLTIDT型扭沖工具工作原理相同，通過流道變化，可以輸出徑向扭擊，軸向振擊腔在換向軸的往復轉動中，高低壓腔輪流切換，軸向沖擊錘上下錘擊工具本體，再傳遞到鉆頭座上，復合沖擊鉆具的軸向沖擊由軸向沖錘的軸向運動來實現，往復扭轉沖擊由擺錘的周向往復轉動來實現，結構形式如圖4所示[10]。

圖4 復合沖擊鉆具結構

3 問題探討與發展建議

Ulterra研發的渦輪式扭力沖擊器采用多渦輪部件，如果泥漿質量不佳，渦輪部件極易被大顆粒固相卡轉、堵塞，導致工具失效。由于渦輪高轉速的特點，需要采用減速器機構或中心管泄流部分泥漿的方式降低轉速，因此還存在輸出頻率高、單次輸出能量小的問題。

TorkBuster扭力沖擊器+PDC鉆頭在元壩氣田、塔河油田、玉門油田、新疆油田等地區成功應用，機械鉆速提高率普遍大于50%，應用效果比較明顯，如表1所示。但也發現了一些問題，以新疆油田環瑪湖地區為例，在泥巖地層時，鉆頭易產生泥包和發生崩齒，如圖5、圖6所示[11-15]。

圖5 PDC 鉆頭泥包

圖6 PDC 鉆頭崩齒

表1 TorkBuster扭力沖擊器應用情況

旋轉沖擊裝置沖擊機構為分體，在理想狀態下，分體結構可周期性輸出能量，但實際中，由于鉆壓與鉆速、泥漿排量等參數的不確定性，因此旋轉沖擊裝置極易出現紊亂問題。

SLTIDT扭沖與TorkBuster扭力沖擊器工作原理相同，但結構更加簡單、成本更低、井下適用性也較好，目前已經在新疆油田、勝利油田成功應用，對延長鉆頭壽命、減少起下鉆時間等方面有明顯提升。由于只能提供徑向扭擊，因此在提高機械鉆速方面有待于進一步提升。

復合沖擊鉆具是SLTIDT扭沖的改進型，在提供徑向扭轉沖擊的基礎上，提供軸向高頻振蕩，在葡4-32井試驗，總進尺為539.00 m，機械鉆速為8.42 m/h，而鄰井相同層位，機械鉆速為5.25 m/h，速度提高60.2%[10]。

4 結語

1）經過國內外大量作業實例證實，扭力沖擊器在消除鉆頭黏滑振動、提高機械鉆速、延長鉆頭壽命和減少起下鉆方面應用效果明顯，但目前大部分扭力沖擊器只能提供純扭轉沖擊，性能仍有很大提升空間，未來可融合和借鑒軸向振擊、水力振蕩和水力脈沖等技術，實現提升工具性能的目標。

2）隨著油氣勘探開發向深井、超深井等復雜地質構造領域延伸，扭力沖擊器也將圍繞著簡化結構、提高可靠性、擴大適用范圍等方面進行，扭力沖擊器+PDC鉆頭模式可能成為未來鉆井技術的新標配。