油氣鉆井扭力沖擊器的研究進展

近年來，隨著深井和超深井的勘探開發比例不斷增加，深部地層巖石硬度和塑性增大，常規牙輪鉆頭可鉆性差、機械轉速低、鉆井周期長。為提高鉆頭行程機械鉆速，PDC 鉆頭得到廣泛使用，但在深部地層PDC 鉆頭出現的粘滑振動現象，不僅嚴重制約機械鉆速進一步提升，還極大地影響了其使用壽命。為消除PDC 鉆頭的粘滑振動現象，國內外對此進行了大量的試驗研究和現場應用，其中配合使用扭力沖擊器是目前可以減小或消除鉆頭該現象的最有效方法。

本文通過跟蹤國內外扭力沖擊器的技術進展，分析各種不同的扭力沖擊器結構、工作原理、優缺點以及現場應用情況，并提出下一步發展趨勢，對完善扭力沖擊器技術,提高PDC 鉆頭行程機械鉆速,實現技術國產化有一定參考價值。

1 PDC 鉆頭粘滑振動現象

粘滑振動現象是指PDC 鉆頭在鉆進瞬間遇到非均值地層，鉆柱扭矩能量不能滿足破碎巖石扭矩時，鉆頭瞬間停止轉動，這時外加能量儲存在鉆柱中，當儲存扭矩能量大于巖石破碎所需要的扭矩時，鉆柱能量會瞬間釋放，使鉆頭與鉆柱一起產生劇烈振動。扭力沖擊器通過產生直接作用于鉆頭上的高頻、低幅的扭力沖擊來降低或消除粘滑振動現象，提高機械鉆速,延遲鉆頭壽命（如圖1 所示）。

圖1.扭力沖擊器使用前后粘滑振動分析曲線圖

2 油氣鉆井扭力沖擊器研究進展

最早于2004 年，加拿大聯合金剛石公司提出一套扭力沖擊裝置設計圖，該工具雖然沒有得到推廣應用，但成為后續扭力沖擊器研究的開端。

目前，國外的扭力沖擊鉆井提速技術趨于完善，并得到商業化的應用，其中以Ulterra 公司、Halliburton 公司和Tomax 公司三家公司發明的扭力沖擊產品最具代表性，而Ulterra公司的TorkBuster扭力沖擊器是一款應用效果最好、現場使用范圍最廣的工具,該工具對國內的扭力沖擊技術的發展產生了很大的影響。受到國外技術成功應用的影響，國內最早從2006 年開始了扭力沖擊器的研究，隨后各種類型的扭力沖擊器不斷問世。雖然國內研究種類繁多、部分產品設計理念比較先進，但距離大規模的商業應用還有一定差距。目前油氣鉆井扭力沖擊器從動力端結構上可以分為渦輪驅動類型、高壓鉆井液直接驅動兩大類。

2.1 渦輪驅動類型

2.1.1 工作原理及結構特征

此類型的沖擊器主要由渦輪動力系統和扭力沖擊系統兩大部分組成。在工作的過程中，高壓鉆井液驅動的渦輪系統提供動力，帶動扭力沖擊系統工作，再產生周向高頻、低幅的扭力沖擊作用于鉆頭。這類扭力沖擊器以加拿大聯合金剛石公司的旋轉扭力沖擊裝置為典型代表。

2.1.2 渦輪驅動類型技術發展

（1）加拿大聯合金剛石公司的旋轉沖擊裝置。該工具核心部分由外殼、沖擊錘載體、環形沖擊塊、沖擊錘、傳動軸組成（如圖2 所示）。在工作時利用高速鉆井液的能量驅動渦輪轉動，從而帶動定軸轉動，定軸帶動沖擊錘載體旋轉，沖擊錘載體帶動環形沖擊塊旋轉，從而使沖擊錘敲擊傳動軸。傳動軸下部與鉆頭相連，將每次敲擊的能量傳遞給鉆頭。該工具雖然能有效減小粘滑振動現象，但由于其渦輪部件多、易損壞，并且傳遞效率低、加工難度大、同時該工具缺乏提鉆制動功能，并未得到廣泛使用，但該工具的出現對后續扭力沖擊器的研發具有重要的指導意義。

1-外殼；2-沖擊錘載體；3-環形沖擊塊；4-沖擊錘；5-傳動軸圖
圖2.加拿大聯合金剛石公司旋轉沖擊裝置工作原理示意圖

（2）西南石油大學扭轉沖擊鉆井工具。該套工具是我國公布的第一款理論上可行的扭力沖擊器，主要由螺桿馬達、傳動軸及滑動沖擊器等部件組成，其結構類似于加拿大聯合金剛石公司的旋轉沖擊裝置，只是其動力由螺桿馬達提供（如圖3 所示）。在此基礎上，西南石油大學于2016 年提出了一種改進的扭力沖擊器，其主要部件有渦輪、扭轉彈簧以及軸向彈簧。驅動錘在渦輪的驅動下進行周期性的逆時針轉動。相比于之前，結構更簡單、長度更小，但由于具有渦輪、彈簧等易損壞部件，且缺乏提鉆制動功能，制約了該工具的實際應用。

1-驅動軸；2-沖擊錘；3-驅動錘
圖3.西南石油大學改進的扭轉沖擊器工作原理示意圖

（3）貝特石油公司NEW-DRILL 提速新工具。NEW-DRILL 提速新工具是一種新型破巖工具，它是由動力鉆具與轉速鉆壓恒定器組成，核心部分為轉速鉆壓恒定器，其結構包括水動力轉換器、周向沖擊高頻發生器和鉆壓波動控制器等。工作時鉆井液由上殼體進入上腔，推動渦輪部分旋轉，渦輪帶動芯軸轉動，芯軸帶動內殼體旋轉，內殼體下端通過花鍵帶動傳動軸轉動，傳動軸下端通過內螺紋連接鉆頭，從而帶動鉆頭轉動。

NEW-DRILL 提速工具在四川元壩地區試驗使用效果良好。試驗井三開鉆井平均機械鉆速由0.76 m/h 上升到2.06 m/h，提高了2.71 倍。雖然NEW-DRILL 扭力沖擊器具有抗高溫、壽命長的特點，可以提供穩定的高頻的扭轉沖擊輔助破巖，但其對鉆井液的性能、鉆井泵和鉆頭等都有極高的要求，同時該工具缺乏提鉆制動功能，在一定程度上限制了該工具的推廣。

2.2 鉆井液直接驅動類型

2.2.1 工作原理及結構特征

由于渦輪驅動類型沖擊器中渦輪易損，限制了該類型沖擊器的推廣和應用，因此發展了由高壓鉆井液直接驅動類型的扭力沖擊器。該類型沖擊器結構主要包括流體分流、清潔系統和振動系統兩大部分。在工作過程中，高壓流體經過分流、清潔系統后，部分流體流經振動系統，使其產生高頻、低幅振動并作用于鉆頭。這類振動器典型代表有TorkBuster 扭力沖擊器、勝利鉆井研究院的扭力沖擊工具等。

2.2.2 鉆井液直接驅動類型技術發展

（1）TorkBuster 扭力沖擊器及應用。TorkBuster__扭力沖擊器是阿特拉公司研發的一種新型純機械的動力工具，工具長度較短，全長1m 左右，對常規測井影響較小。該工具主要包括導流器部分、液壓錘部分、傳動接頭部分。工作時一部分鉆井液直接通過中心流道流向鉆頭，其余部分鉆井液被截流噴嘴分為兩部分，分別通過敲擊倉和換向閥，使沖擊錘在完成敲擊的同時進行換向，實現均勻穩定的周期性敲擊（如圖4 所示）。該結構十分巧妙地將鉆井液的流體能量轉化成了高頻的、穩定的、周向的旋扭沖擊。

1-低壓區；2-高壓區；3-沖擊面；4-換向閥；5-截流量噴嘴
圖4.TorkBuster 扭力沖擊器工作原理示意圖

該工具在加拿大、美國及國內的新疆瑪湖、四川、大慶油田等地區提速效果十分顯著。裝置結構緊湊，無橡膠件和電子元器件等易損壞的元件，長度小、扭轉沖擊頻率大，對下部鉆具組合的影響較小。但該工具受鉆井液排量影響較大、抗沖蝕能力較弱、缺乏提鉆制動功能。該工具的大規模商業推廣帶來的巨大經濟效益極大地刺激了國內相關技術的發展。

（2）中石化勝利鉆井工藝研究院扭力沖擊工具。2012 年中石化勝利鉆井工藝研究院開發出一款新型扭力沖擊器，此工具主要由鉆鋌短節、扭轉沖擊發生器和聯接體組成，其工作原理類似于TorkBuster 扭力沖擊器。工作時鉆井液被分為三個部分，一部分直接進入鉆頭，另外一部分直接流入啟動倉，剩下的一部分推動沖擊錘產生高頻、低幅的扭力沖擊（如圖5 所示）。此工具在玉門、塔里木油田等地區試驗獲得了成功。

此工具在國內是一款比較成功的扭力沖擊器，比TorkBuster 扭力沖擊器零件更少、傳遞效率更高。但是由于采用鉆井液直接驅動，在一定程度上提高了對材料性能的要求，同時對國內機械加工行業提出了不小的挑戰，工作可靠性相對較低，同時該工具缺乏提鉆制動功能，還需朝著這個方向進一步完善。

1-錘座；2-沖擊錘；3-沖擊倉；4-沖擊錘頭；5-正敲擊面；6-反定位面；7-啟動錘頭；8-啟動倉
圖5 中石化勝利鉆井工藝研究院扭力沖擊工具工作原理圖

（3)東北石油大學扭轉沖擊提速工具。東北石油大學也研制出一套扭轉沖擊提速工具。該工具的主要結構包括分流器、啟動器和液動錘三部分。分流器過濾掉鉆井液中的大顆粒，避免該工具在工作過程中卡死。過濾后的鉆井液流入啟動器中，在一側形成壓差推動啟動器轉動，從而帶動液動錘旋轉。此工具在工作過程中能將轉盤扭矩穩定地傳遞給鉆頭，利用水力能量使鉆頭在鉆進過程中保持連續性，減少了反沖扭力，提高了鉆頭的耐久性，并且該工具如果失效無需起鉆更換，不會影響鉆頭的正常鉆進，提高了鉆井效率。但是該工具需要良好的密閉性，對加工條件要求嚴格，生產前景小，該工具在華北油田試驗獲得成功。

除此之外，中國石油大學（華東）、東北石油大學等也研制出類似的工具，并申請了相關專利保護，但這些工具要實現大規模的應用還存在一定的問題。

3 油氣鉆井扭力沖擊器發展趨勢

扭力沖擊器從第一代產品的問世到現在已經發展了十幾年。目前國外扭力沖擊器技術較為成熟，基本實現了大范圍商業化應用。為進一步充分發揮PDC 鉆頭的潛能，提高機械鉆速，未來扭力沖擊器發展趨勢主要表現以下三個方面：

1.在保證工作可靠性前提下進一步優化結構設計，朝著體積小、活動部件少、結構簡單、便于加工的方向發展；
2.扭力沖擊器配套的PDC 鉆頭技術研發必將得到突破，研發專用配套的PDC 鉆頭，二者達到最佳匹配，發揮PDC 鉆頭的最大優勢；
3.朝著多樣化、智能化方向發展。多樣化、智能化將會進一步擴大扭力沖擊器與專用PDC 鉆頭組合工具的使用范圍，更好的滿足MWD、LWD測井等相關作業要求，使其能滿足直井、定向井及水平井等各種復雜地質條件下的鉆井作業要求。

4 結 論

（1）扭力沖擊器是目前可以減小或消除鉆頭粘滑振動現象的最有效方法，通過產生直接作用于PDC 鉆頭上的高頻、低幅的扭力沖擊來降低或消除鉆頭的粘滑振動現象，提高機械鉆速，提高PDC 鉆頭壽命。

（2）扭力沖擊器從工作原理上可以分成渦輪驅動和鉆井液直接驅動兩種主要類型。其中阿特拉公司的TorkBuster 扭力沖擊器應用效果最好、現場使用范圍最廣。雖然國內研究種類多、部分產品設計理念比較先進，但是基于技術保密，各個石油單位合作較少，沒能形成優勢互補，距離國外大規模的商業應用水平差距明顯。

（3）隨著油氣勘探領域向海上及深部地層擴展，地質環境復雜程度不斷增加，未來扭力沖擊器發展必將向著結構簡單、便于加工、可靠性高及多樣化、智能化的方向發展，且扭力沖擊器配套的專用PDC 鉆頭技術研發必將得到突破，配合其使用才能滿足直井、定向井及水平井等各種復雜地質條件下的鉆井作業要求。

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