何 暢，郭丁菲，李 梅，楊明合

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油氣鉆井扭力沖擊器的研究進(jìn)展

何 暢1，郭丁菲1，李 梅1，楊明合2

（1. 長江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430100； 2. 油氣鉆井技術(shù)國家工程實驗室長江大學(xué)防漏堵漏技術(shù)研究室，湖北 武漢 430100）

隨著深井和超深井的勘探開發(fā)比例不斷增加，對提高油氣鉆井速度和質(zhì)量提出了新的挑戰(zhàn)，然而深部地層PDC鉆頭出現(xiàn)的粘滑振動現(xiàn)象嚴(yán)重制約著機械鉆速的提高，在PDC鉆頭上安裝扭力沖擊器是目前可以減小或消除該現(xiàn)象的最有效方法。在分析粘滑振動現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，分析了國內(nèi)外扭力沖擊器的研究進(jìn)展，按照結(jié)構(gòu)將其分為渦輪驅(qū)動類型和鉆井液直接驅(qū)動類型，并分別論述了其中典型扭力沖擊器的工作原理、結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場應(yīng)用和優(yōu)缺點，并提出了扭力沖擊器的發(fā)展趨勢，為國內(nèi)早日擺脫國外對該技術(shù)的封鎖，實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用提供參考。

油氣井；鉆井；扭力沖擊器；研究進(jìn)展

近年來，隨著深井和超深井的勘探開發(fā)比例不斷增加，深部地層巖石硬度和塑性增大，常規(guī)牙輪鉆頭可鉆性差、機械轉(zhuǎn)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(xiàn)的粘滑振動現(xiàn)象，不僅嚴(yán)重制約機械鉆速進(jìn)一步提升[1-3]，還極大地影響了其使用壽命[4-6]。為消除PDC鉆頭的粘滑振動現(xiàn)象，國內(nèi)外對此進(jìn)行了大量的試驗研究和現(xiàn)場應(yīng)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(xiàn)象的最有效方法。

本文通過跟蹤國內(nèi)外扭力沖擊器的技術(shù)進(jìn)展，分析各種不同的扭力沖擊器結(jié)構(gòu)、工作原理、優(yōu)缺點以及現(xiàn)場應(yīng)用情況，并提出下一步發(fā)展趨勢，對完善扭力沖擊器技術(shù),提高PDC鉆頭行程機械鉆速,實現(xiàn)技術(shù)國產(chǎn)化有一定參考價值。

1 PDC鉆頭粘滑振動現(xiàn)象

粘滑振動現(xiàn)象是指PDC鉆頭在鉆進(jìn)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(zhuǎn)動，這時外加能量儲存在鉆柱中，當(dāng)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(chǎn)生劇烈振動。扭力沖擊器通過產(chǎn)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(xiàn)象，提高機械鉆速,延遲鉆頭壽命（如圖1所示）。

2 油氣鉆井扭力沖擊器研究進(jìn)展

最早于2004年，加拿大聯(lián)合金剛石公司提出一套扭力沖擊裝置設(shè)計圖[7]，該工具雖然沒有得到推廣應(yīng)用，但成為后續(xù)扭力沖擊器研究的開端。

圖1 扭力沖擊器使用前后粘滑振動分析曲線圖

目前，國外的扭力沖擊鉆井提速技術(shù)趨于完善，并得到商業(yè)化的應(yīng)用，其中以Ulterra公司、Halliburton公司[8]和Tomax公司[9]三家公司發(fā)明的扭力沖擊產(chǎn)品最具代表性，而Ulterra公司的TorkBuster扭力沖擊器是一款應(yīng)用效果最好、現(xiàn)場使用范圍最廣的工具,該工具對國內(nèi)的扭力沖擊技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了很大的影響。受到國外技術(shù)成功應(yīng)用的影響，國內(nèi)最早從2006年開始了扭力沖擊器的研究[10]，隨后各種類型的扭力沖擊器不斷問世。雖然國內(nèi)研究種類繁多、部分產(chǎn)品設(shè)計理念比較先進(jìn)，但距離大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用還有一定差距。目前油氣鉆井扭力沖擊器從動力端結(jié)構(gòu)上可以分為渦輪驅(qū)動類型、高壓鉆井液直接驅(qū)動兩大類。

2.1 渦輪驅(qū)動類型

2.1.1 工作原理及結(jié)構(gòu)特征

此類型的沖擊器主要由渦輪動力系統(tǒng)和扭力沖擊系統(tǒng)兩大部分組成。在工作的過程中，高壓鉆井液驅(qū)動的渦輪系統(tǒng)提供動力，帶動扭力沖擊系統(tǒng)工作，再產(chǎn)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(lián)合金剛石公司的旋轉(zhuǎn)扭力沖擊裝置為典型代表。

2.1.2 渦輪驅(qū)動類型技術(shù)發(fā)展

（1）加拿大聯(lián)合金剛石公司的旋轉(zhuǎn)沖擊裝置。 該工具核心部分由外殼、沖擊錘載體、環(huán)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(qū)動渦輪轉(zhuǎn)動，從而帶動定軸轉(zhuǎn)動，定軸帶動沖擊錘載體旋轉(zhuǎn)，沖擊錘載體帶動環(huán)形沖擊塊旋轉(zhuǎn)，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(xiàn)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(xiàn)對后續(xù)扭力沖擊器的研發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。

圖2 加拿大聯(lián)合金剛石公司旋轉(zhuǎn)沖擊裝置工作原理示意圖

（2）西南石油大學(xué)扭轉(zhuǎn)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(dá)、傳動軸及滑動沖擊器等部件組成，其結(jié)構(gòu)類似于加拿大聯(lián)合金剛石公司的旋轉(zhuǎn)沖擊裝置，只是其動力由螺桿馬達(dá)提供（如圖3所示）。在此基礎(chǔ)上，西南石油大學(xué)于2016年提出了一種改進(jìn)的扭力沖擊器[11]，其主要部件有渦輪、扭轉(zhuǎn)彈簧以及軸向彈簧。驅(qū)動錘在渦輪的驅(qū)動下進(jìn)行周期性的逆時針轉(zhuǎn)動。相比于之前，結(jié)構(gòu)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(yīng)用。

圖3 西南石油大學(xué)改進(jìn)的扭轉(zhuǎn)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[12]，它是由動力鉆具與轉(zhuǎn)速鉆壓恒定器組成，核心部分為轉(zhuǎn)速鉆壓恒定器，其結(jié)構(gòu)包括水動力轉(zhuǎn)換器、周向沖擊高頻發(fā)生器和鉆壓波動控制器等。工作時鉆井液由上殼體進(jìn)入上腔，推動渦輪部分旋轉(zhuǎn)，渦輪帶動芯軸轉(zhuǎn)動，芯軸帶動內(nèi)殼體旋轉(zhuǎn)，內(nèi)殼體下端通過花鍵帶動傳動軸轉(zhuǎn)動，傳動軸下端通過內(nèi)螺紋連接鉆頭，從而帶動鉆頭轉(zhuǎn)動。

NEW-DRILL提速工具在四川元壩地區(qū)試驗使用效果良好[13]。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(wěn)定的高頻的扭轉(zhuǎn)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(qū)動類型

2.2.1 工作原理及結(jié)構(gòu)特征

由于渦輪驅(qū)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(yīng)用，因此發(fā)展了由高壓鉆井液直接驅(qū)動類型的扭力沖擊器。該類型沖擊器結(jié)構(gòu)主要包括流體分流、清潔系統(tǒng)和振動系統(tǒng)兩大部分。在工作過程中，高壓流體經(jīng)過分流、清潔系統(tǒng)后，部分流體流經(jīng)振動系統(tǒng)，使其產(chǎn)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(qū)動類型技術(shù)發(fā)展

（1）TorkBuster扭力沖擊器及應(yīng)用。TorkBuster扭力沖擊器是阿特拉公司研發(fā)的一種新型純機械的動力工具[14]，工具長度較短，全長1 m左右，對常規(guī)測井影響較小。該工具主要包括導(dǎo)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(jìn)行換向，實現(xiàn)均勻穩(wěn)定的周期性敲擊（如圖4所示）。該結(jié)構(gòu)十分巧妙地將鉆井液的流體能量轉(zhuǎn)化成了高頻的、穩(wěn)定的、周向的旋扭沖擊。

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(nèi)的新疆瑪湖、四川、大慶油田等地區(qū)提速效果十分顯著[15-17]。裝置結(jié)構(gòu)緊湊，無橡膠件和電子元器件等易損壞的元件，長度小、扭轉(zhuǎn)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(guī)模商業(yè)推廣帶來的巨大經(jīng)濟效益極大地刺激了國內(nèi)相關(guān)技術(shù)的發(fā)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(fā)出一款新型扭力沖擊器[18]，此工具主要由鉆鋌短節(jié)、扭轉(zhuǎn)沖擊發(fā)生器和聯(lián)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(jìn)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(chǎn)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(qū)試驗獲得了成功。

此工具在國內(nèi)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(qū)動，在一定程度上提高了對材料性能的要求，同時對國內(nèi)機械加工行業(yè)提出了不小的挑戰(zhàn)，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(jìn)一步完善。

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(xué)扭轉(zhuǎn)沖擊提速工具。東北石油大學(xué)也研制出一套扭轉(zhuǎn)沖擊提速工具[19]。該工具的主要結(jié)構(gòu)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(cè)形成壓差推動啟動器轉(zhuǎn)動，從而帶動液動錘旋轉(zhuǎn)。此工具在工作過程中能將轉(zhuǎn)盤扭矩穩(wěn)定地傳遞給鉆頭，利用水力能量使鉆頭在鉆進(jìn)過程中保持連續(xù)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(jìn)，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(yán)格，生產(chǎn)前景小，該工具在華北油田試驗[20]獲得成功。

除此之外，中國石油大學(xué)（華東）[21]、東北石油大學(xué)[22]等也研制出類似的工具，并申請了相關(guān)專利保護(hù)，但這些工具要實現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用還存在一定的問題。

3 油氣鉆井扭力沖擊器發(fā)展趨勢

扭力沖擊器從第一代產(chǎn)品的問世到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了十幾年。目前國外扭力沖擊器技術(shù)較為成熟，基本實現(xiàn)了大范圍商業(yè)化應(yīng)用。為進(jìn)一步充分發(fā)揮PDC鉆頭的潛能，提高機械鉆速，未來扭力沖擊器發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)以下三個方面：

（1）在保證工作可靠性前提下進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，朝著體積小、活動部件少、結(jié)構(gòu)簡單、便于加工的方向發(fā)展；

（2）扭力沖擊器配套的PDC鉆頭技術(shù)研發(fā)必將得到突破，研發(fā)專用配套的PDC鉆頭，二者達(dá)到最佳匹配，發(fā)揮PDC鉆頭的最大優(yōu)勢；

（3）朝著多樣化、智能化方向發(fā)展。多樣化、智能化將會進(jìn)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(guān)作業(yè)要求，使其能滿足直井、定向井及水平井等各種復(fù)雜地質(zhì)條件下的鉆井作業(yè)要求。

4 結(jié) 論

（1）扭力沖擊器是目前可以減小或消除鉆頭粘滑振動現(xiàn)象的最有效方法，通過產(chǎn)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(xiàn)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(qū)動和鉆井液直接驅(qū)動兩種主要類型。其中阿特拉公司的TorkBuster扭力沖擊器應(yīng)用效果最好、現(xiàn)場使用范圍最廣。雖然國內(nèi)研究種類多、部分產(chǎn)品設(shè)計理念比較先進(jìn)，但是基于技術(shù)保密，各個石油單位合作較少，沒能形成優(yōu)勢互補，距離國外大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用水平差距明顯。

（3）隨著油氣勘探領(lǐng)域向海上及深部地層擴展，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜程度不斷增加，未來扭力沖擊器發(fā)展必將向著結(jié)構(gòu)簡單、便于加工、可靠性高及多樣化、智能化的方向發(fā)展，且扭力沖擊器配套的專用PDC鉆頭技術(shù)研發(fā)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(fù)雜地質(zhì)條件下的鉆井作業(yè)要求。

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Research Progress of Torque Impactors in Well Drilling

1,1,1,2

（1. School of Geoscience, Yangtze University, Hubei Wuhan 430100, China； 2. Leak Resistance &Sealing Technology Research Department of National Drilling Technology Engineering Laboratory, Hubei Wuhan 430100, China）

With exploration and development of deep and untra-deep wells, how to improve the velocity and quality of oil-gas drilling must be faced. But,the stick-slip vibration seriously impacts the rate of penetration of PDC bits in deep formation. The most effective method to reduce or eliminate the stick-slip vibration is to install torque impactor on PDC bits. In this paper, the stick-slip vibrationphenomenon was analyzed, and research progress of torque impactors at home and abroad was investigated. According to their different structures, the torque compactors can be divided into two types including turbine drive type and drilling fluid drive type. In this paper, the structures, working principles, merits and demerits of different kinds of torsion impactors were analyzed as well as application of the torsion impactors at home and abroad. At last, development trend of the torsion impactor was put forward. The study can provide a certain reference for improving the technology of torque impactor, improving the penetration rate of PDC bit, and realizing the localization of the technology.

well; drilling; torque impactor; research progress

TE357

A

1004-0935（2017）03-0271-04

長江大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目，項目號：20150027。

2017-02-28

何暢（1996-），男，重慶市人，研究方向：石油工程。

楊明合（1976-），男，副教授，研究方向：油氣井工程。