钻井用液动冲击器技术研究进展及应用对比

2012-09-07徐丙贵王敦威王海燕

石油矿场机械 2012年12期

贾涛，徐丙贵，李梅，王敦威，王海燕

（1.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京100195；2.中国石油集团渤海钻探工程有限公司，天津300457；3.中国石油长城钻探工程有限公司物资公司，天津300457）①

随着油气钻井深度的不断增加，钻井的难度和成本成倍增长，硬地层钻进的难题日益突出，如何提高钻头在硬地层的钻井速度已迫在眉睫。利用液动冲击器提高钻井速度已经有上百年的历史，该类工具是在常规旋转钻井的基础上，通过将钻井液的能量转化为冲击力直接施加给钻头，使钻头靠旋转和冲击共同作用破碎岩石，提高了钻井效率［1－4］。另外，液动冲击器对钻头产生的周期性高频冲击，可以大幅度减少或消除PDC钻头的粘滑振动，在提高机械钻速的同时，能够保护钻头，延长钻头寿命，减少起下钻次数，有效降低了钻井成本。

液动冲击器种类繁多，按照冲击力的方向可分为轴向冲击器和扭力冲击器。20世纪初，俄国工程师B·沃尔斯基设计出石油钻井用液动冲击钻具，随后美、德、挪威等国广泛开展了此项技术的研究，并在油气勘探开发中应用。我国从1958年开始对液动冲击钻井技术进行研究，有很多新型的冲击器问世并得到推广应用。例如，石油大学、西南石油大学、国土资源勘探技术研究所、德州石油钻井研究所等单位均进行过液动冲击钻井的相关研究，有的还进行了钻井试验。尽管液动冲击钻井技术具有提高硬岩破岩效果、提高钻井速度、改善钻井工艺参数等优点，但是工具寿命短、单次冲击功偏低、钻井深度较浅，应用效果不够理想［5］。这也是该技术至今未被广泛应用的原因。

2000年之前，液动冲击钻井使用的液动冲击器均为轴向冲击器。2000年以来，相关研究机构开展了扭力冲击钻井技术的研究，并进行了应用，其主要工具为扭力冲击器。由于其提高钻速效果显著，已受到国内外钻井专家的密切关注。该工具的出现，使液动冲击钻井技术再次成为关注的焦点。

1 轴向冲击器

按照其结构及工作原理的不同，轴向冲击器又可分为阀式正作用冲击器、阀式反作用冲击器、阀式双作用冲击器、射流式冲击器等。液动冲击器使用方便，串接于井下钻具组合近钻头位置即可实现液动冲击钻井。

1.1 研究情况

20世纪40年代以来，前苏联、美国、德国等国的相关研究单位均进行了轴向冲击器的研制。其中，美国Smith tool公司、Andergauge公司、Sperry钻井服务公司等都进行了各类阀式冲击器的研制，具有较先进的水平。图1为Andergauge公司研发的液动冲击器结构［6］。

图1 Andergauge公司液动冲击器结构

20世纪60年代以来，国内的多家单位开展了各种类型液动冲击器的研制，并进行了现场试验。图2是由长春科技大学研制的YSC－178型液动射流式冲击器，依靠双稳的射流元件控制活塞冲锤的上下运动，结构简单，运动部件少，除活塞冲锤外无其他运动零件，因而工作寿命长。该冲击器进行了3轮现场试验，比普通牙轮钻头钻进效率［7］提高161%。

图2 YSC－178型液动射流式冲击器结构

1.2 特点

在钻井过程中，轴向冲击器将钻井液的能量转化为高频的轴向冲击力，在钻头上形成高频脉冲钻压。试验证明：轴向冲击器较普通旋转钻井可提高钻井速度30%以上，可以在较低的钻压下取得较好的使用效果，避免钻井过程中由于大钻压产生的井斜和钻柱磨损及疲劳损坏。轴向冲击器在产生高频冲击力的同时，可以形成高压脉冲射流，增强钻井液冲洗井底的能力。此外，钻井液压力的脉冲变化，导致了井底压力周期性发生变化，改善了井底岩石的应力状态，有利于消除岩屑压持效应，增强了水力辅助破岩效果。

2 扭力冲击器

在硬地层钻井过程中，PDC钻头发生着无序的振动，包括横向、纵向和扭转振动。这些有害振动不仅会损害PDC钻头切屑齿，降低钻头寿命，还造成井眼不规则，降低井身质量。扭力冲击钻井是一项新兴的钻井技术，主要依靠扭力冲击器配合PDC钻头来实现。钻井过程中，扭力冲击器连接在钻头上方，该工具可以将钻井液的能量转化为低幅、高频脉冲扭矩，该扭矩与钻机旋转系统产生的稳态扭矩同时传递给钻头。二者共同作用，不仅可以显著提高钻井速度，而且可以有效减少或消除硬地层钻井过程中钻头的有害振动，保护钻头，延长钻头寿命。扭力冲击钻井改变了PDC钻头传统的破岩方式，使PDC钻头不再单纯依靠剪切破岩，而是以冲击和剪切共同作用破碎岩石，从而有效提高机械钻速。

相对于轴向冲击器，扭力冲击器出现的时间要晚，但是其使用效果却远胜前者，提高钻井速度可达150%以上。

2.1 液压式扭力冲击器

2000年，加拿大的Ulterra公司首先提出了扭力冲击钻井的构想，成功研制了液压式和涡轮式扭力冲击器，命名为torkbuster，并于近几年进行了商业化应用。图3为液压式torkbuster工作原理图。图4为液压式扭力冲击器内部结构图。该工具通过变流量喷嘴产生压降，从而在工具内部形成了高压区和低压区。在压差的作用下，通过工具内部的流道切换，撞击锤与启动锤形成高速反转，撞击锤不断撞击冲击面，冲击面又将冲击力传递给钻头，形成高频的脉冲扭矩。该类型扭力冲击工具结构简单，部件较少，可靠性高，适应性较好。

图3 液压式扭力冲击器工作原理及结构

扭力冲击器（torkbuster）主要技术参数如表1所示，图5为扭力冲击器（torkbuster）外观。

图4 液压式扭力冲击器内部结构

表1 扭力冲击器（torkbuster）主要技术参数

图5 扭力冲击器（torkbuster）

2.2 涡轮式扭力冲击器

图6为涡轮式扭力冲击器内部结构图。钻井时，钻井液经过过滤分流系统后，通过上部和下部涡轮动力系统带动非平衡配重系统高速旋转。中心传动轴将动力系统和非平衡配重系统的高速旋转传递给冲击系统，冲击系统将稳态的高速旋转转化为高频的脉冲冲击，与稳态的钻具扭矩共同作用于钻头，实现扭力冲击钻井。非平衡配重系统的作用是在涡轮转速相同的情况下，可以通过改变其自身重力实现不同的冲击力。与液压式扭力冲击器相比，涡轮式扭力冲击器结构更复杂，其寿命受涡轮寿命的制约，对钻井液性能的要求更高。

图6 涡轮式扭力冲击器内部结构

2.3 国内研究情况

西南石油大学和胜利石油管理局钻井工艺研究院也分别进行了扭力冲击工具的研制。西南石油大学研制的扭冲工具依靠涡轮和棘轮机构实现，通过扭冲工具内部的传动轴将涡轮的转动传递给棘轮机构，棘轮机构的撞击砧块不断地撞击承撞砧块，从而形成了脉冲扭矩［8］。胜利石油管理局钻井工艺研究院研制了SLTIT型扭冲工具，该工具通过节流和内部的流道转换，使工具的撞击锤和启动锤持续高速反转，形成高频冲击［9］。

3 扭力冲击器应用情况

目前，中石油玉门油田、塔里木油田，中石化川东北元坝地区、塔河油田等多个油田试验使用torkbuster扭力冲击器，配合个性化PDC钻头一起使用，取得了良好的效果。

3.1 在祁参1井应用

祁参1井是中石油集团公司的重点探井，也是目前世界海拔最高的油气探井。该井在钻至3 400 m后难以提高钻井速度，地质资料不全、岩层反复夹层多、钻头选型困难、参数无法强化都成为提高钻井速度的瓶颈问题。为提高机械钻速，该井在3 458.5～3 678.5m井段试验使用torkbuster扭力冲击器，提速效果显著。与之前常规技术相比，在同样地层下平均钻速提高了2.72倍。表2为祁参1井各井段使用常规钻具组合和钻头与使用torkbuster＋PDC钻头的效果对比情况。

表2 祁参1井各井段钻井参数对比

3.2 在新垦8－H井应用

中石油塔里木油田哈拉哈塘区块引进该技术后提高钻井速度尤为明显。该区块5 400m钻井段的钻井周期仅为30d，而下部井段由于岩石研磨性强、可钻性差，常规螺杆加PDC钻头提速方式不再适用，平均机械钻速＜2m／h，耗时50～70d。该技术在新垦8－H井共使用114.9h，完成进尺559m，平均机械钻速4.87m／h，比邻井提高50%以上。表3为新垦8－H井与邻井同井段的钻井数据对比。

表3 新垦8－H井与邻井同井段钻井数据对比

经过对现场试验的对比分析，扭力冲击钻井效果远优于常规钻具组合钻井，其根本原因在于：扭力冲击钻井改变了传统意义上PDC钻头高转速、低钻压的使用方式，使PDC钻头实现了高转速、高钻压正常钻井，突破了传统PDC钻头的使用极限。相对于常规情况下PDC钻头在硬地层钻井过程中的钻压，使用扭力冲击器后钻压可提高2～4倍；同时，扭力冲击器能有效消除钻井过程中PDC钻头无序的粘滑振动，从而能够在大幅提高机械钻速的同时，延长钻头寿命，成倍增加单只钻头的进尺。