復合沖擊破巖鉆井新技術

隨著油氣資源勘探開發的不斷深入，深井、超深井越來越多，鉆遇“三高地層”（巖石硬度高、巖石可鉆性級值高、巖石研磨性高）的可能性越來越大，這嚴重影響了深部硬地層的機械鉆速和勘探開發成本。針對硬地層鉆進過程中機械鉆速低、鉆頭因黏滑振動失效快、鉆井成本高等問題，亟待研制開發一種新型破巖工具來提高高硬度和高研磨性地層的機械鉆速。沖擊鉆井技術的設想最初源于歐洲，沖擊回轉鉆井技術的實際應用距今已有上百年的歷史。

1958年，我國開始旋沖鉆井技術研究與試驗，至今該技術已日趨成熟，并獲得較好的應用效果。2000年以來，國內外相關研究機構大力開展了扭力沖擊鉆井技術研究，其中最具有代表性的鉆井工具是加拿大United Diamond公司和Ulterra公司合作研發的TorkBuster扭力沖擊器；國內勝利石油管理局鉆井工藝研究院研制了SLTIDT型扭沖鉆具，并以該工具為基礎研究了一種機械剪切、水力和扭轉沖擊3種破巖方式共同作用的沖擊鉆井技術；另外，西南石油大學也研制了一種扭沖鉆具，它主要是通過傳動軸將渦輪的轉動傳遞給棘輪機構，隨后棘輪機構的撞擊砧塊不斷撞擊承撞砧塊，從而形成脈沖扭矩。

傳統的旋沖鉆井技術和扭沖鉆井技術，無論是與鉆頭的匹配性還是對地層的適應性，均具有一定的局限。旋沖鉆井產生的軸向沖擊功相對較小，沖擊頻率過大也會影響沖擊器的壽命，在鉆井提速方面并無太大優勢。扭沖鉆井雖然在周向上剪切破巖效率較高，但當鉆遇中硬及高研磨性地層時，又對鉆頭與沖擊器的匹配性提出了較高要求。為了發揮這兩種傳統沖擊破巖技術的優勢，并彌補其不足，針對軟硬交錯及非均質性地層，筆者提出一種復合沖擊破巖鉆井新技術，研制了一套復合沖擊鉆具，并對影響其破巖效率的關鍵參數進行了研究，以期真正實現三維“立體破巖”，從而提高復雜地層的機械鉆速和井身質量。

復合沖擊破巖鉆井新技術基本原理

技術思路

復合沖擊破巖鉆井新技術的基本思路，就是將軸向脈動沖擊與扭向反轉沖擊破巖方式聯合起來，將流體能量轉換成扭向和軸向交替的高頻沖擊機械能。扭向沖擊可使鉆桿的旋轉破巖能量均勻傳遞到鉆頭上而不是積累在鉆桿上，消除或降低黏滑效應；軸向沖擊可使鉆頭獲得更高的軸向破巖能量，從而使鉆頭具有三維“立體破巖”效果。簡言之，復合沖擊“立體破巖”的實質就是復合沖擊鉆具通過其有序的軸向和扭向振動，合理控制并分配聚集在鉆柱上的能量，提供改變鉆頭破巖方式的動力，使整個鉆柱的扭矩保持穩定和平衡，提高破巖效率和機械鉆速。

為了實現復合沖擊破巖的目的，需要研制復合沖擊鉆具。復合沖擊鉆具需要安裝在近鉆頭處，以鉆井液為驅動介質將沖擊功均勻連續地傳遞給鉆頭，給鉆頭提供額外的破巖能量，使鉆頭持續穩定地切削巖石，起到輔助破巖的效果，同時降低鉆柱和井壁之間的摩阻。另外，復合沖擊鉆井新技術可滿足不同特性地層高效破巖的需求，將大幅度提高軟硬交錯及非均質性嚴重地層的機械鉆速，大幅減小或消除鉆頭的黏滑振動，在保證井身質量的同時大幅提高機械鉆速。

破巖機理

1）釋放上部鉆柱能量。鉆柱的振動形式比較復雜，主要有軸向振動、徑向振動、扭向振動等3種形式，如圖1所示。鉆柱與井壁、鉆頭與巖石之間的非線性接觸會引起鉆柱發生黏滑振動，從而引起鉆柱間歇性的高速運動和黏滯靜止的周 期性運動，這樣會引發鉆頭和鉆柱的周期性應力與應變波動，從而造成鉆柱和井下工具過早疲勞失效。當鉆頭處于黏滯狀態停止轉動而鉆柱由于轉盤繼續轉動所積蓄的能量達到足以破碎巖石時，鉆頭滑脫或跳鉆。當發生滑脫運動時，鉆柱內積蓄的能量瞬間釋放，鉆頭在相反方向突然加速或減速，造成鉆頭角速度瞬間增大，鉆頭因受較大沖擊力，過早失效。

為了減輕鉆頭的黏滑振動并實現鉆柱振動的有效控制和利用，筆者設計在鉆柱上增加一個工具短節實現對軸向振動的主動控制。但問題的關鍵是，以何種方式釋放鉆柱上聚集的所有能量（包括由轉盤提供的扭轉動力、鉆壓－鉆柱動力、水動力等），釋放多少能量才足以消除黏滑效應。復合沖擊鉆具作為主動控制裝備安裝在鉆頭上部，主要作用就是通過其有序的橫向、縱向以及扭向振動合理控制聚集在鉆柱上的能量。其中，扭向沖擊模塊的功能是將聚集在鉆柱上的扭向沖擊功轉變為改變鉆頭牙齒破巖方式的動力，而軸向沖擊模塊的功能是將通過水動力提供的軸向往復沖擊功轉變為改變鉆頭牙齒上下沖擊破巖方式的動力。這種工作方式的實質就是使整個鉆柱的扭矩保持穩定和平衡，提高鉆頭的破巖效率。

2）井底鉆頭－地層作用。對于“三高地層”，由于鉆頭吃入巖石的深度有限，使高轉速下磨蝕巖石的能力受到限制。如果鉆進硬地層期間，既有縱向上的沖擊破巖降低巖石強度，又有橫向的回轉力剪切破巖，就能獲得更高效的“立體破巖”效果。圖2所示為井底巖石連續破碎過程，在復合沖擊旋轉鉆進時，一個牙齒壓入巖石后，會沿井底平面圓周完成連續的高頻移動沖擊，且在一定靜壓力作用下，以應力波形式傳遞的沖擊力能有效作用到巖石上。鉆頭牙齒在井壁分布的沖擊點密度較大，巖石產生形變所需時間縮短，被沖擊點還來不及對沖擊能量進行重新分配，井底巖石應力就迅速接近或超過巖石強度極限，使巖石脆性增加，塑性下降，從而產生體積破碎。

復合沖擊鉆進時鉆頭破碎巖石的過程具有軸向沖擊和旋轉切削兩種特性。井底巖石首先在軸向沖擊力作用下形成破碎坑，比較相鄰沖擊點的距離（即沖擊間距）與巖石破碎坑大小，研究沖擊頻率對連續破巖的作用。如圖3所示，鉆頭的沖擊頻率對鉆頭切削齒的沖擊間距有一定影響，當沖擊頻率較小時，沖擊間距大于巖石破碎坑的大?。╠>d0），破碎坑相互分隔，不能形成連續的裂紋，如圖3（a）所示；當沖擊頻率處于臨界狀態，沖擊破碎坑正好相連（d=d0），此時的沖擊能量利用率最高，臨界狀態時的沖擊頻率才是回轉沖擊切削巖石的合理沖擊頻率，如圖3（b）所示；沖擊頻率較大時，沖擊間距小于巖石破碎坑的大?。╠<d0），相鄰沖擊位置之間相互重疊，沖擊 作 用的利用率相對較低，如3（c）所示。復合沖擊鉆井破巖機理分析表明，當沖擊頻率適中時，在軸向沖擊的作用下巖石會形成相連的破碎坑，破碎坑之間“殘留”的脊部在扭轉切削作用下被 切除，容易破碎形成坑穴和產生剪切體，有利于巖石產生體積破碎。

復合沖擊鉆具的結構及工作原理

基本結構

復合沖擊鉆具主要由軸向脈動沖擊和扭向反轉沖擊兩個模塊組成，其最大的特點就是能充分的將兩種沖擊方式有效結合，并可保證各個傳遞部件往復同步傳遞。圖4為復合沖擊鉆具基本結構，主要由渦輪節總成、扭向沖擊錘、軸向沖擊錘、鉆頭座等部件組成。另外，鉆鋌短節接上部連接鉆鋌，其余部件封閉在殼體內部。

工作原理

為了使軸向脈動沖擊和扭向反轉沖擊兩個模塊有效地配合工作，利用鉆時錄井方法并結合鄰井錄井資料、測井資料、區塊有關地質預測資料等，獲得地層巖性特點從而判斷地層巖石的軟硬強度，對比地層巖性隨鉆時的動態變化，綜合有效信息實時判斷并啟動復合沖擊鉆具的軸向脈動沖擊模塊或是扭向反轉沖擊模塊。當鉆遇中硬以上及高研磨性地層時，啟動復合沖擊鉆具的軸向脈動沖擊模塊；當鉆遇軟到中硬、比較均質的地層時，啟動復合沖擊鉆具的扭向反轉沖擊模塊，即實現PDC鉆頭扭轉切削功能。

在不影響正常鉆進的情況下，將復合沖擊鉆具安裝在PDC鉆頭上面，利用部分鉆井液帶動渦輪葉片旋轉，提供控制旋轉閥等導向機構開啟的能量，鉆井液通過流量分配器進入扭沖模塊并利用這部分能量通過換向機構形成相互隔離的鉆井液流道，最后形成內外高低壓腔體，驅動扭向反轉沖擊模塊內部沖擊錘做反復的扭轉沖擊（如圖5所示），將部分流體能量轉換成一定頻率、周向扭轉、沖擊型的機械能。隨著鉆井液的下行，依靠泵入的高壓流體，打開軸向脈動沖擊模塊導向機構的流道。

復合沖擊鉆具運動方式如圖6所示：當換向器處在１位時，工具中的流體流動方向如紅線所示，周向沖錘右擺，軸向沖錘下行，見圖6（a）；當換向器處在2位時，工具中的流體流動如黑線所示，周向沖錘左擺，軸向沖錘上行，見圖6（b）。換向器觸發帶動軸向沖錘活塞向下運動，就這樣完成一次扭向沖擊聯合軸向沖擊運動行程，周而復始，沖擊錘可以連續完成扭向沖擊和軸向沖擊，使PDC鉆頭接收來自復合沖擊鉆具的扭向沖擊能量和軸向沖擊能量。那么由該工具產生的扭向和軸向交替變化的機械沖擊能量，集中均勻地傳送到鉆頭，使鉆頭受到均勻穩定的扭向和周向的高頻沖擊力，完全改變了PDC鉆頭的運動方式。綜合來講，復合沖擊鉆具可將流體的液壓能轉換成周向和軸向的高頻機械能，用于給鉆頭施加周期性的低幅高頻扭轉沖擊及高效的破巖扭矩，從而大幅減小或消除鉆頭的黏滑振動。

影響破巖效率的關鍵參數

現場應用中，為了提高復合沖擊鉆具的破巖效果，還需對影響其破巖效率的關鍵參數進行深入研究，并進行優化。分析認為，影響復合沖擊鉆具破巖效率的關鍵參數主要有鉆壓、轉速、沖擊頻率、沖擊功、排量等。

1）鉆壓是影響復合沖擊鉆具破巖效率的主要參數。正常鉆進時，鉆壓的作用主要表現為將鉆頭壓持在井底，使鉆頭牙齒與地層保持緊密接觸，減少鉆頭齒與地層巖石間沖擊功的傳遞損失。沖擊鉆井中，鉆壓的作用主要表現在可以提高沖擊作用力的峰值。在沖擊作用力衰減過程中，仍可使鉆頭齒對地層巖石的作用力達到一定值而破碎巖石；在沖擊作用力消失后，仍可使地層巖石產生未形成巖屑的破裂。

2）轉速和沖擊頻率存在一定的匹配關系。地層的巖性不同，轉速和沖擊頻率的匹配關系也不同。頻率高而轉速低，巖石重復破碎；頻率低而轉速高，又會造成兩次沖擊坑穴間脊部巖石寬度增加，不能產生足夠的“體積破碎”。因此，轉速和沖擊頻率的匹配是否合理會影響破巖效果。

3）沖擊功是決定復合沖擊鉆具破巖效率的主要參數。目前，研究沖擊功對破巖效率影響的方式主要是室內試驗。在沖擊功較低時，破碎比功隨著沖擊功增大而降低，且降低的速度較快，破巖效率提高較快；隨著沖擊功進一步增大，破碎比功的降低速度和破巖效率的提高速度減緩；當沖擊功增加到一定值時，破碎比功接近于恒定值，破巖效率保持穩定。

4）排量是影響復合沖擊鉆具破巖效率的重要參數。排量直接影響沖擊功和沖擊頻率，而沖擊功和沖擊頻率是影響破巖效率的關鍵參數。沖擊器工作是通過高速流體的能量推動沖錘實現的，因此排量決定著沖擊器的沖擊功和沖擊頻率，可以通過調節泵排量間接調整沖擊頻率和沖擊功，以達到高效破巖的目的。

結論

1）針對傳統的旋沖鉆井和扭沖鉆井存在的局限性，為發揮兩種鉆井破巖方式的優勢，首次提出了適用于軟硬交錯及非均質性嚴重地層的復合沖擊破巖鉆井新技術。

2）為了控制并合理地利用鉆柱振動，有效消除黏滑和跳鉆，在鉆柱軸向上串聯一個主動控制裝備—復合沖擊鉆具，將軸向沖擊和扭向沖擊兩種破巖方式有效結合起來，保證各個傳遞部件往復同步傳遞，實現三維“立體破巖”，從而提高機械鉆速。

3）理論分析認為，復合沖擊破巖鉆井新技術可通過控制鉆頭黏滑振動提高破巖效率，從而提高軟硬交錯及非均質地層的機械鉆速，有望將深井鉆井技術提高到一個新的高度。

版權聲明 | 來源：《石油鉆探技術》，作者：柳貢慧等，版權歸原作者所有。

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