摘要： 隨著中國(guó)資源勘探開(kāi)發(fā)面向深層、超深層發(fā)展以及對(duì)應(yīng)急鉆孔救援水平保障能力的更高需求，旋沖鉆井技術(shù)成為高效鉆井領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).旋沖鉆井技術(shù)相較于傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)，具備硬巖地層鉆進(jìn)效率高、鉆壓調(diào)控靈活、黏滑振動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于深海深地資源勘探開(kāi)采、應(yīng)急鉆孔救援等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景.現(xiàn)階段，在復(fù)雜巖層以及多變工況等條件下，進(jìn)一步提高旋沖鉆進(jìn)效率、降低成本成為深井、超深井鉆井過(guò)程中面臨的首要任務(wù).文中首先介紹了旋沖鉆井技術(shù)的基本概念及優(yōu)勢(shì)；其次，綜述了液動(dòng)和氣動(dòng)2種沖擊器的研制情況及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；再次，討論了高效破巖機(jī)制的研究進(jìn)展和優(yōu)化策略；從次，闡述了鉆進(jìn)效率關(guān)鍵影響因素方面的研究成果；最后，基于旋沖鉆井技術(shù)研究成果和面臨的挑戰(zhàn)，對(duì)其未來(lái)研究方向進(jìn)行了分析和展望.

關(guān)鍵詞： 旋沖鉆井；動(dòng)力方式；鉆進(jìn)效率；破巖機(jī)理；高效破巖

中圖分類(lèi)號(hào)： S277.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1674-8530（2024）05-0497-11

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.22.0299

張?jiān)娺_(dá)，朱勇，高強(qiáng)，等. 旋沖鉆井技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望［J］.排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2024，42（5）：497-507.

ZHANG Shida， ZHU Yong， GAO Qiang，et al.Research status and prospect of rotary percussion drilling technology［J］.Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME），2024，42（5）：497-507.（in Chinese）

Research status and prospect of rotary percussion drilling technology

ZHANG Shida， ZHU Yong"GAO Qiang， SU Hong

（National Research Center of Pumps， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu 212013， China）

Abstract： With the deep and ultra-deep development of resource exploration， as well as the higher demand for emergency drilling and rescue level guarantee capabilities， rotary percussion drilling technology has become a research hotspot in the field of efficient drilling. Compared with traditional rotary dril-ling technology， rotary drilling technology has advantages such as" high drilling efficiency， low drilling pressure， and low stick-slip vibration intensity in hard rock formations. It is widely used in the exploration and exploitation of deep-sea resources， emergency drilling rescue and other fields. At present， under complex rock formations and variable working conditions， further improving the efficiency of rotary percussion drilling and reducing the costs have become the primary tasks faced in the process of deep and ultra-deep drilling. Firstly， the basic concept and advantages of rotary drilling technology are introduced. Secondly， the development and structural characteristics of hydraulic and pneumatic impactors are reviewed. Thirdly， the research progress and optimization strategies of efficient rock breaking me-chanisms are discussed. Fourthly， the research results on key influencing factors of drilling efficiency are elaborated. Finally， based on the research achievements and challenges faced by rotary percussion drilling technology， the future research directions are analyzed and prospected.

Key words： rotary percussion drilling；power mode；drilling efficiency；rock breaking mechanism；efficient rock breaking

國(guó)家“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要提出要集中資源攻關(guān)深地深海、油氣勘探開(kāi)發(fā)、新發(fā)突發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)防控等領(lǐng)域關(guān)鍵核心技術(shù).同時(shí)，國(guó)家科技部將深地鉆探裝備作為“十四五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃高端重大裝備國(guó)產(chǎn)化研制的核心任務(wù)之一.推動(dòng)可靠、高效、智能?chē)?guó)產(chǎn)鉆井裝備自主研制，提升應(yīng)急鉆孔救援保障能力和技術(shù)水平，對(duì)于深地資源勘探開(kāi)采和應(yīng)急鉆孔救援施工具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值，有助于中國(guó)擺脫高性能鉆機(jī)進(jìn)口依賴(lài)，規(guī)避技術(shù)壟斷風(fēng)險(xiǎn)［1］.

隨著中國(guó)資源勘探開(kāi)發(fā)規(guī)模擴(kuò)大和科技水平提升，鉆井對(duì)象從淺層向深層、超深層發(fā)展，鉆井工程面臨的主要挑戰(zhàn)在于：地質(zhì)條件復(fù)雜、高溫高壓、可預(yù)測(cè)性低、投資成本高、鉆探安全性差等.為解決鉆井工程所遇到的難題，旋沖鉆井技術(shù)受到鉆井工作者的青睞.早在20世紀(jì)50年代，中國(guó)原地質(zhì)部勘探技術(shù)研究所開(kāi)始研究旋沖鉆井技術(shù)，90年代該技術(shù)在深井、超深井鉆井中運(yùn)用的比例越來(lái)越大［2］.隨著技術(shù)升級(jí)與創(chuàng)新發(fā)展，旋沖鉆井技術(shù)成為鉆進(jìn)效率最高的技術(shù)方法之一［3］.旋沖鉆井技術(shù)具有傳統(tǒng)鉆井技術(shù)不可比擬的優(yōu)越性，與其他鉆井技術(shù)相比，旋沖鉆井技術(shù)能夠有效地利用堅(jiān)硬巖石脆性大、抗剪強(qiáng)度低、不耐沖擊的弱點(diǎn)，具備硬巖地層鉆進(jìn)效率高、鉆井鉆壓小，黏滑振動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)勢(shì)［4］.旋沖鉆井技術(shù)在采礦［5］、地質(zhì)勘探［6］、水文水井［7］、石油鉆井［8］、地?zé)徙@井［9］、應(yīng)急搶險(xiǎn)救災(zāi)［10］以及工程施工［11］等領(lǐng)域發(fā)揮重大作用.現(xiàn)階段，隨著旋沖鉆井技術(shù)向著深海、極地、深層等極端領(lǐng)域的進(jìn)一步拓展，考慮到鉆井過(guò)程中復(fù)雜地質(zhì)條件、多變工況載荷等問(wèn)題，常規(guī)旋沖鉆井技術(shù)難以滿(mǎn)足低成本、高可靠、高效率的鉆井需求.因此，如何提高深井、超深井鉆進(jìn)效率、降低成本已成為制約旋沖鉆井技術(shù)的卡脖子難題.

文中介紹旋沖鉆井技術(shù)基本概念和優(yōu)點(diǎn)，對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在沖擊動(dòng)力方式、高效破巖機(jī)制和鉆進(jìn)效率影響因素3個(gè)方面的研究現(xiàn)狀及成果進(jìn)行綜述，指出旋沖鉆井技術(shù)存在的問(wèn)題，展望其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和方向，為旋沖鉆井技術(shù)的推廣應(yīng)用提供參考.

1 旋沖鉆井技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 旋沖鉆井技術(shù)概念

旋沖鉆井技術(shù)是一種在沖擊載荷和靜壓旋轉(zhuǎn)共同作用下致使巖石大體積脆性破碎的破巖方法.旋沖鉆井技術(shù)是在旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)的基礎(chǔ)之上發(fā)展而來(lái)，改變了傳統(tǒng)切削和研磨碎巖方式，提高了鉆井技術(shù)對(duì)堅(jiān)硬及復(fù)雜地層的適應(yīng)性［12］.旋沖鉆井技術(shù)的核心是沖擊器，沖擊器是一種依靠壓縮空氣能量或高壓液流能量產(chǎn)生周期性高頻沖擊載荷的孔底動(dòng)力機(jī)具.在整個(gè)鉆井作業(yè)中，沖擊器直接安裝在井底的鉆頭或巖心管的正上方，用于推動(dòng)活塞在豎直方向上反復(fù)碰撞運(yùn)動(dòng)，使得鉆頭產(chǎn)生周期性高頻沖擊力.沖擊動(dòng)載能夠增大鉆頭鉆深、有效擴(kuò)張巖石裂隙，造成巖石大體積破碎.同時(shí)鉆頭在靜壓旋轉(zhuǎn)作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)剪切力切削巖石，顯著提高巖石硬脆性、破碎性.巖石受到鉆頭的鉆壓、鉆頭旋轉(zhuǎn)扭矩產(chǎn)生的水平推力以及周期性高頻沖擊動(dòng)載的聯(lián)合作用，發(fā)生剪切、破碎、變形、切割和磨損等［13］.在動(dòng)靜組合載荷作用下，旋沖鉆井技術(shù)更易使巖石破碎，具有更加高效的破巖效率.

1.2 旋沖鉆井技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

相較于傳統(tǒng)鉆井技術(shù)，旋沖鉆井技術(shù)具備鉆進(jìn)效率高、鉆頭壽命長(zhǎng)和鉆井質(zhì)量高等優(yōu)勢(shì)，因此在鉆井中廣泛應(yīng)用，其特征表現(xiàn)如下［14］：

1） 鉆進(jìn)效率高.旋沖鉆井是以沖擊載荷為主、靜壓旋轉(zhuǎn)為輔的碎巖工藝.鉆頭受到周期性沖擊載荷與巖石接觸瞬間爆發(fā)出的集中應(yīng)力.硬地層在旋沖作用下更容易發(fā)生脆性破碎，導(dǎo)致大體積的巖石碎裂、裂隙擴(kuò)張，提高鉆進(jìn)效率.此外，破巖過(guò)程中產(chǎn)生的巖屑顆粒較大，有利于巖屑錄井.

2） 鉆頭壽命長(zhǎng).在旋轉(zhuǎn)鉆井中，破碎巖石主要靠鉆壓，鉆壓對(duì)鉆頭軸承壽命和牙輪壽命有很大影響，鉆壓大時(shí)，鉆進(jìn)效率低，鉆頭磨損程度大.而旋沖鉆井中鉆壓是次要的，只起到對(duì)鉆頭的壓持作用，輕壓狀態(tài)下鉆頭的磨損較少.同時(shí)，旋沖鉆井依靠較大的沖擊載荷將巖石擊碎，減輕了鉆頭高載荷工作狀態(tài).巖石在旋沖作用下發(fā)生脆性斷裂，而非研磨破碎，有效避免巖石可能發(fā)生的塑性變形，改善鉆齒的受力狀態(tài)，更好地保護(hù)切削齒，鉆頭壽命增長(zhǎng).

3） 鉆井質(zhì)量高.由于沖擊器對(duì)鉆頭進(jìn)行高頻沖擊，破巖時(shí)間極短，巖石不會(huì)產(chǎn)生巖性變化，同時(shí)低鉆壓又改善了鉆柱的受力，減輕鉆柱彎曲，在鉆頭上不易形成偏斜力矩，此時(shí)鉆頭的穩(wěn)固性更高，有效避免大鉆壓產(chǎn)生的井斜和鉆柱疲勞損壞以及磨損，形成的井眼質(zhì)量好且規(guī)整.

2 旋沖鉆井技術(shù)發(fā)展概況

2.1 沖擊動(dòng)力方式

沖擊動(dòng)力方式是影響旋沖鉆進(jìn)效率的關(guān)鍵因素，按動(dòng)力方式不同可分為液動(dòng)、氣動(dòng)、電動(dòng)、氣液混合及機(jī)械作動(dòng)等形式.目前，世界各國(guó)研制出的沖擊器類(lèi)型較多，但應(yīng)用最廣泛的是液動(dòng)和氣動(dòng)2種類(lèi)型.

液動(dòng)沖擊器又稱(chēng)液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆具、液動(dòng)潛孔錘，其動(dòng)力介質(zhì)是高壓水或泥漿.20世紀(jì)初，俄國(guó)工程師沃爾斯基首先設(shè)計(jì)出液動(dòng)沖擊鉆具，距今已有上百年的歷史［15］.然而，由于受到單次沖擊功偏低、沖擊頻率高、鉆井深度較淺、鉆井直徑小等因素制約，液動(dòng)沖擊器尚未被廣泛應(yīng)用于深井鉆進(jìn)領(lǐng)域.近年來(lái)，隨著鉆井深度不斷增加，解決鉆進(jìn)效率低、成本高、鉆頭壽命短等難題成為深井鉆進(jìn)工程面臨的迫切任務(wù).液動(dòng)沖擊器因設(shè)備成本較低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量利用率較高、清除巖屑能力較強(qiáng)而再次引起了廣泛關(guān)注.現(xiàn)階段，美國(guó)Terralog公司、AWDS公司、Smith Tool公司、瑞典LKAB公司、德國(guó)克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué)、加拿大United Diamond公司等在液動(dòng)沖擊器方面的研究較為深入，以各類(lèi)閥式?jīng)_擊器的研制作為主要研究方向［16］.

中國(guó)從20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始，原國(guó)土資源部勘探技術(shù)研究所、大慶油田鉆井研究所、吉林大學(xué)等科研單位在沖擊器理論和結(jié)構(gòu)方面開(kāi)展了大量研究，研發(fā)了多款液動(dòng)沖擊器，取得了豐碩成果.國(guó)內(nèi)不斷有多種類(lèi)型的閥式液動(dòng)沖擊器問(wèn)世，如圖1所示，同時(shí)射流式、射吸式等液動(dòng)沖擊器相繼被研制出，且成效顯著［17］.

氣動(dòng)沖擊器又稱(chēng)風(fēng)動(dòng)沖擊器、風(fēng)動(dòng)潛孔錘，其動(dòng)力介質(zhì)是壓縮空氣.考慮到硬巖地層具有可鉆性差、耐磨性高等特點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)鉆井易受鉆壓不夠、鉆進(jìn)效率低、鉆頭磨損嚴(yán)重等因素制約，氣動(dòng)沖擊鉆井技術(shù)出現(xiàn)在鉆井工作者的視野中，氣動(dòng)沖擊器在鉆井工程中逐步投入應(yīng)用［18］.氣動(dòng)沖擊器具備介質(zhì)密度相對(duì)較低、介質(zhì)流動(dòng)速度較高、氣柱靜壓力較小等優(yōu)點(diǎn).當(dāng)氣動(dòng)沖擊器工作時(shí)，較低的介質(zhì)密度致使井壁受到較小的壓力；較高的風(fēng)速能夠高效地清除沉降在井底的巖屑，且避免巖屑出現(xiàn)重復(fù)破碎現(xiàn)象［19］.因此，氣動(dòng)沖擊器能夠快速地完成沖擊破碎巖石的工作任務(wù)，研究結(jié)果表明，氣動(dòng)沖擊器比液動(dòng)沖擊器的鉆進(jìn)效率提高了2～4倍［20］.

目前，國(guó)外氣動(dòng)沖擊鉆井技術(shù)發(fā)展較快，已經(jīng)形成了以低密度沖洗介質(zhì)為主要特征的一項(xiàng)綜合性鉆井新技術(shù)，成為干旱缺水和漏失地層鉆探以及低壓產(chǎn)層、地下水資源開(kāi)發(fā)和工程鉆井施工的主要技術(shù)方法［21］.現(xiàn)階段，國(guó)外許多公司在氣動(dòng)沖擊器方面的研究處于領(lǐng)先地位，其中有美國(guó)Gerald公司、Smith Tool公司和Ander-gauge公司、加拿大Cubex公司等，其研制的氣動(dòng)沖擊器、壓縮機(jī)及配套鉆具產(chǎn)品多樣、型號(hào)齊全、適用范圍廣，在國(guó)際市場(chǎng)占有率方面占據(jù)領(lǐng)先地位［22］.

中國(guó)從1958年開(kāi)始研究氣動(dòng)沖擊器及其鉆井技術(shù)［18］.經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，嘉興冶金機(jī)械廠、宣化風(fēng)動(dòng)機(jī)械廠、吉林大學(xué)等科研單位研制出多種類(lèi)型、多種型號(hào)的沖擊器.國(guó)內(nèi)典型氣動(dòng)沖擊器主要分為有閥式和無(wú)閥式2種，主要區(qū)別在于壓縮空氣在往復(fù)推動(dòng)下實(shí)現(xiàn)的控制和調(diào)節(jié)是否由配氣機(jī)構(gòu)閥片進(jìn)行系統(tǒng)控制，如圖2所示.

近幾年，氣動(dòng)沖擊鉆井技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用先后在新疆、四川油田和西南石油大學(xué)等地區(qū)和高校開(kāi)展［23］.隨著國(guó)內(nèi)各科研機(jī)構(gòu)的目光越來(lái)越聚焦于氣動(dòng)沖擊鉆井技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)在理論研究和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面有了較大的突破和發(fā)展，且在深井和超深井中的應(yīng)用率逐步升高［24-25］.

在旋沖鉆井中，沖擊器的質(zhì)量?jī)?yōu)劣和水平對(duì)鉆進(jìn)效率影響較大.一方面，沖擊器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，無(wú)法維持穩(wěn)定的工作狀態(tài)；另一方面，沖擊器產(chǎn)生周期性高頻沖擊力，鉆具容易受到額外振動(dòng)導(dǎo)致疲勞失效.如果沖擊器的質(zhì)量跟不上施工需求或者其存在一定質(zhì)量安全問(wèn)題時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其工作效率很低，甚至阻礙鉆進(jìn)工作進(jìn)程.現(xiàn)階段，沖擊器仍然滿(mǎn)足不了特殊工程領(lǐng)域長(zhǎng)壽命、高可靠、高效率施工需求［26］.所以，有必要通過(guò)創(chuàng)新理論方法與攻克關(guān)鍵技術(shù)來(lái)提高沖擊器的質(zhì)量，旋沖鉆井技術(shù)才能在深井、超深井硬巖鉆進(jìn)以及對(duì)鉆進(jìn)效率要求較高的應(yīng)急鉆孔救援等領(lǐng)域得到快速發(fā)展.

2.2 高效破巖機(jī)制

2.2.1 旋沖破巖方式研究

從單一靜態(tài)或動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的巖石破裂特征關(guān)系、異同以及相應(yīng)的最優(yōu)加載參數(shù)開(kāi)展的破巖研究已經(jīng)趨于成熟［27］.例如：靜態(tài)試驗(yàn)引用彈塑性力學(xué)的極限理論，研究壓頭壓入巖石過(guò)程的機(jī)理；在霍普金森（split Hopkinson pressure bar， SHPB）或落錘裝置上進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，研究沖擊載荷下巖石的力學(xué)特性.隨著研究學(xué)者們對(duì)深部開(kāi)采巖石力學(xué)認(rèn)識(shí)的不斷深入，考慮到高頻沖擊載荷、深部圍巖的三維高靜應(yīng)力、刀具與巖石之間的靜摩擦及其他動(dòng)力擾動(dòng)等載荷條件，動(dòng)靜組合載荷破巖試驗(yàn)相關(guān)研究受到關(guān)注［28］.此外，旋沖破巖過(guò)程較為復(fù)雜，受多種因素的影響，影響因素包括：鉆壓、沖擊力、沖擊頻率、旋轉(zhuǎn)扭矩、轉(zhuǎn)速、鉆井液密度等可控參數(shù)以及巖石的抗壓強(qiáng)度、孔隙度、密度和地質(zhì)條件等不可控參數(shù)［29］.鉆井參數(shù)的研究闡明了鉆井過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，反映了地層的實(shí)際破巖過(guò)程.研究人員將載荷條件、鉆井參數(shù)、地質(zhì)特征與破巖工具結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)，開(kāi)展了大量的理論分析、數(shù)值模擬以及試驗(yàn)研究工作，為深化旋沖鉆井的破巖機(jī)理認(rèn)識(shí)、優(yōu)化鉆具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化鉆井參數(shù)以及提高鉆進(jìn)的機(jī)械鉆速等方面提供理論指導(dǎo)和試驗(yàn)依據(jù).

旋沖鉆井技術(shù)的破巖研究主要表現(xiàn)在2個(gè)方面：① 鑒于破巖過(guò)程中復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性，旋沖破巖的研究大多基于復(fù)雜的材料模型，通過(guò)某種強(qiáng)度準(zhǔn)則，精確反映材料的拉、壓損傷、應(yīng)變率效應(yīng)、應(yīng)變硬化、軟化和破壞；② 鉆井工具結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致輸出參數(shù)不同，如動(dòng)態(tài)振幅、頻率、波形等.在彈性力學(xué)、巖石破碎學(xué)、斷裂力學(xué)等學(xué)科理論分析的基礎(chǔ)上，研究人員通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果獲取鉆進(jìn)速度與鉆井參數(shù)、動(dòng)態(tài)應(yīng)力與應(yīng)變率之間的內(nèi)在關(guān)系，以此揭示旋轉(zhuǎn)沖擊破巖機(jī)理.旋轉(zhuǎn)沖擊下巖石破碎試驗(yàn)研究成果如表1所示.

2.2.2 高效破巖策略研究

在實(shí)踐中，機(jī)械破巖面臨的最大問(wèn)題是破巖工具易磨損失效，且旋沖破碎極為困難.基于此，以巖石破碎機(jī)制研究為基礎(chǔ)，工程界一般從2個(gè)方面進(jìn)行攻關(guān)：一是強(qiáng)化破巖工具，包括對(duì)破巖工具的材質(zhì)、形狀和結(jié)構(gòu)的改善；二是完善破巖方法，即對(duì)破碎巖石的方式進(jìn)行改進(jìn).近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外高效破巖技術(shù)在理論上的發(fā)展以及高效破巖工具的設(shè)計(jì)皆取得了不小的突破，其中PDC（polycrystalline diamond compact， PDC）鉆頭、孕鑲鉆頭、螺桿鉆具、渦輪鉆具、射流輔助破巖工具等提速工具正逐步成為深井、超深井鉆井提速的主力鉆井裝備.

1） 強(qiáng)化破巖工具.當(dāng)鉆進(jìn)遇到堅(jiān)硬、破碎巖層以及中等硬度的粗粒不均質(zhì)巖層時(shí)，會(huì)出現(xiàn)鉆頭破巖效率低、壽命降低和易被腐蝕等問(wèn)題.為彌補(bǔ)傳統(tǒng)旋沖鉆井技術(shù)在鉆頭的匹配性、地層的適應(yīng)性等方面存在的局限性，基于鉆頭、鉆井工具和井下動(dòng)力鉆具等常規(guī)鉆井裝備，研究人員針對(duì)結(jié)構(gòu)與鉆井工藝進(jìn)行了優(yōu)化創(chuàng)新.

當(dāng)前，旋沖鉆井工藝所選用的鉆頭通常有聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭、硬質(zhì)合金鉆頭、牙輪鉆頭等.PDC鉆頭具備較高的鉆速和耐磨性，隨著鉆頭不斷優(yōu)化創(chuàng)新得到了廣泛應(yīng)用［37］.2020年，布拉德福德大學(xué)MAZEN等［38］綜合考慮鉆頭輪廓、鉆頭水力和巖石強(qiáng)度等因素，建立了PDC鉆頭性能預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型來(lái)評(píng)估鉆頭性能和磨損.2020年，西南石油大學(xué)YANG等［39］建立了PDC鉆頭復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)的仿真系統(tǒng)，分析傳動(dòng)比、刀具布置和鉆柱幾何形狀對(duì)刀具井底軌跡的影響，為鉆頭設(shè)計(jì)提供了參考.2021年，紐芬蘭紀(jì)念大學(xué)MOURA等［40］基于物理模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，建立了一種鉆進(jìn)性能預(yù)測(cè)模型，并通過(guò)4種鉆井方案，對(duì)該模型的適用性和準(zhǔn)確性進(jìn)行分析.2022年，常州大學(xué)DENG等［41］利用改進(jìn)鉆壓和水力參數(shù)位移，建立了PDC和牙輪鉆頭的旋轉(zhuǎn)液壓沖擊比能模型，分析指出牙輪鉆頭結(jié)合液壓沖擊器的綜合效率優(yōu)于PDC鉆頭結(jié)合液壓沖擊器的綜合效率.2022年，宜賓大學(xué)YANG等［42］提出了一種垂直輪式PDC鉆頭結(jié)構(gòu)，在變參數(shù)試驗(yàn)裝置上對(duì)該鉆頭與常規(guī)PDC鉆頭進(jìn)行破巖對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了該鉆頭良好的提速效果.

井下動(dòng)力鉆具又稱(chēng)井底馬達(dá)，作為鉆進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力源，研究人員對(duì)電動(dòng)鉆具、渦輪鉆具、螺桿鉆具等井下動(dòng)力鉆具的研究主要從機(jī)械載荷下部件的疲勞和磨損、主動(dòng)監(jiān)測(cè)和避免有害振動(dòng)、井身軌跡定向控制3個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化，以提高工具性能和鉆井速率.2019年，西南石油大學(xué)田家林等［43］基于旋沖螺桿原理設(shè)計(jì)了一種提速器，通過(guò)理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)提速器可行性及提速效果進(jìn)行了驗(yàn)證.2019年，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)西部鉆探工程有限公司景英華等［44］提出螺桿旋轉(zhuǎn)配合井下沖擊破巖工具的高速旋沖鉆進(jìn)模式，通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，增加鉆頭轉(zhuǎn)速、沖擊力和沖擊頻率，可以提高破巖效率.為提高鉆具對(duì)塑性巖石的破巖效率，2020年，中國(guó)石油化工股份有限公司張海平［45］基于復(fù)合雙驅(qū)鉆井技術(shù)與旋沖鉆井技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種機(jī)械式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具，實(shí)現(xiàn)螺桿復(fù)合鉆進(jìn)和高頻沖擊鉆進(jìn)雙重功能，試驗(yàn)驗(yàn)證了該工具能夠有效提高機(jī)械鉆速.2022年，西南石油大學(xué)TIAN等［46］設(shè)計(jì)了一種新型的螺桿鉆具，建立了水平鉆柱的動(dòng)力學(xué)模型，研究鉆柱系統(tǒng)的振動(dòng)特性和工作機(jī)理.2022年，中石化中原石油工程有限公司甘心［47］基于螺桿鉆具和軸向沖擊器一體化設(shè)計(jì)，研制了一種旋轉(zhuǎn)切削與軸向沖擊聯(lián)合作用的機(jī)械式螺桿沖擊器，與傳統(tǒng)螺桿鉆具相比，機(jī)械鉆速提高了約20%.

2） 完善破巖方法.隨著旋轉(zhuǎn)沖擊技術(shù)的不斷發(fā)展，考慮到鉆井工具常受到深井和超深井惡劣工作環(huán)境影響，為解決鉆進(jìn)效率低、鉆具壽命短等問(wèn)題，鉆井新型提速技術(shù)、新理念不斷滋生，旋沖破碎巖石的方式不斷得到改進(jìn)和創(chuàng)新.通過(guò)結(jié)合高效破巖技術(shù)的輔助碎巖工具，旋沖鉆井技術(shù)取得了重要進(jìn)展并獲得了廣泛的應(yīng)用.目前較為成熟的旋沖鉆井技術(shù)主要有水力脈沖射流提速技術(shù)和超聲波破巖提速技術(shù)、微波破巖提速技術(shù)、振動(dòng)沖擊提速技術(shù)和顆粒沖擊提速技術(shù)等.

機(jī)械沖擊與水力脈沖聯(lián)合作用為硬地層鉆井提速提供了一種輔助破巖技術(shù)手段.當(dāng)水射流沖擊巖石時(shí)，射流脈沖導(dǎo)致巖石疲勞斷裂，產(chǎn)生或擴(kuò)展微裂紋，裂紋在水射流壓縮壓力作用下，巖石開(kāi)裂強(qiáng)度降低［48］.2017年，大慶鉆探工程公司鄭瑞強(qiáng)［49］研制了一種機(jī)械沖擊與水力脈沖相結(jié)合破巖的液動(dòng)旋沖工具（如圖3所示），能夠有效提高破巖效率.

2019年，雷奧本礦業(yè)大學(xué)STOXREITER等［50］通過(guò)高壓流體噴射輔助旋轉(zhuǎn)鉆井系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，研究了流體和機(jī)械破巖過(guò)程的相互作用效果，探究不同鉆井液和噴射液對(duì)鉆進(jìn)性能的影響，結(jié)果表明射流輔助旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)可以提高破巖效率.2020年，慕尼黑工業(yè)大學(xué)ECHT等［51］為改善硬質(zhì)晶體巖石的鉆進(jìn)效率，采用一種特殊設(shè)計(jì)的海泡石鉆井液的高壓流體噴射旋轉(zhuǎn)鉆井系統(tǒng)，試驗(yàn)證明，與沒(méi)有噴射輔助的常規(guī)鉆頭相比，新型鉆井系統(tǒng)的鉆速提高了70%以上.2021年，斯特拉斯克萊德大學(xué)XI等［52］提出了一種水力脈沖作用下巖石破裂的疲勞損傷數(shù)值模型，對(duì)疲勞裂紋和裂縫擴(kuò)展進(jìn)行模擬，研究表明，水力脈沖致使巖石破裂壓力降低10%～18%.2021年，丹麥碳?xì)浠衔镅芯亢图夹g(shù)中心MEDETBEKOVA等［53］研究了高壓射流對(duì)鉆進(jìn)破巖的影響，試驗(yàn)表明，高壓射流鉆孔可以改變巖石的局部機(jī)械性能，導(dǎo)致巖石強(qiáng)度性能顯著減弱.2021年，切萊比大學(xué)KARAKUL［54］研究了不同巖石類(lèi)型斷裂韌性值在不同組成成分鉆井液下的變化，試驗(yàn)表明，鉆井液飽和度和化學(xué)成分對(duì)巖石斷裂韌性和抗拉強(qiáng)度有顯著的影響.

隨著研究方向的擴(kuò)展與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新型鉆井提速技術(shù)為提高深部及復(fù)雜巖性地層鉆進(jìn)效率提供有力支撐.2020年，西安建筑科技大學(xué)袁媛等［55］建立初始裂紋的脆性巖石理論模型，得到微波照射參數(shù)與裂紋擴(kuò)展半徑的關(guān)系，驗(yàn)證裂紋擴(kuò)展行為可以預(yù)測(cè)微波照射下巖石強(qiáng)度折減規(guī)律，對(duì)于指導(dǎo)微波輔助機(jī)械破巖工程實(shí)踐具有重要借鑒.2021年，中國(guó)石油新疆油田分公司路宗羽等［56］建立了超聲波旋沖破巖模擬試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)正交試驗(yàn)法和控制鉆進(jìn)參數(shù)變量法，對(duì)比分析超聲波高頻旋沖鉆井技術(shù)與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)的提速效果.2022年，西南石油大學(xué)ZHU等［57］基于粒子流代碼，建立了反映花崗巖礦物成分和顆粒直徑分布的數(shù)值模型，從顆粒直徑、入射角和入射速度3個(gè)角度研究顆粒沖擊輔助切割巖石的機(jī)理.

2.3 鉆進(jìn)效率影響因素

2.3.1 振動(dòng)對(duì)鉆進(jìn)效率的影響

在鉆井過(guò)程中，鉆頭與堅(jiān)硬、脆性和節(jié)理巖石相互作用時(shí)，鉆柱易產(chǎn)生自激振動(dòng).鉆柱振動(dòng)分為3種主要模式：軸向振動(dòng)、橫向振動(dòng)（彎曲振動(dòng)）和扭轉(zhuǎn)振動(dòng).鉆柱振動(dòng)被認(rèn)為是導(dǎo)致鉆柱組件過(guò)早失效、鉆頭失效、井眼擴(kuò)大、井眼軌跡惡化、鉆頭過(guò)度磨損、鉆速降低、隨鉆測(cè)量工具精度降低和效率降低、鉆柱損傷和井下事故的主要原因［58］.

鉆柱振動(dòng)是鉆井作業(yè)中常見(jiàn)的、具有破壞性的現(xiàn)象.找出影響鉆柱振動(dòng)的主要因素，分析出能夠有效避免因振動(dòng)而導(dǎo)致鉆井失效的方法和手段，對(duì)于提高深井鉆進(jìn)效率、降低鉆井成本有重要意義.振動(dòng)信號(hào)作為一種綜合信息源，研究人員通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，可間接獲得鉆孔過(guò)程和鉆孔裝置的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息.2020年，印度理工學(xué)院KUMAR等［59］用放置在鉆機(jī)桅桿上的加速度傳感器確定鉆機(jī)在軸向和橫向上的振動(dòng)水平，通過(guò)機(jī)器振動(dòng)和粗糙度指數(shù)映射來(lái)獲得鉆機(jī)操作方案.2020年，布德斯大學(xué)KESSAI等［60］建立了巖石-鉆頭相互作用模型，研究了旋轉(zhuǎn)鉆井系統(tǒng)中以高頻高振幅為特征的黏滑振動(dòng)對(duì)鉆頭變形的影響.2022年，KESSAI等［61］基于有限元方法建立了鉆柱軸向和徑向的動(dòng)力學(xué)模型，采用Von Mises公式計(jì)算模擬等效軸扭耦合應(yīng)力以及雨流計(jì)數(shù)法轉(zhuǎn)換應(yīng)力時(shí)程數(shù)據(jù)，進(jìn)一步估計(jì)旋轉(zhuǎn)鉆井系統(tǒng)工具在軸扭耦合振動(dòng)下失效前的使用壽命.2022年，安卡拉阿提利姆大學(xué)AMIR等［62］通過(guò)數(shù)值模擬分析3種控制方法（轉(zhuǎn)速控制、鉆壓控制和增加鉆柱底部的阻尼）對(duì)鉆柱黏滑振動(dòng)的影響規(guī)律，結(jié)果表明，鉆壓控制是緩解黏滑振動(dòng)的最佳方法.

2.3.2 溫度對(duì)鉆進(jìn)效率的影響

隨著中國(guó)“雙碳”目標(biāo)的提出，地?zé)崮芤约案咴瓋鐾联?dú)特資源逐漸被開(kāi)發(fā)利用.然而在實(shí)際鉆井工程中，低溫鉆井液與高溫巖石以及鉆井液與凍土之間均會(huì)發(fā)生熱交換，這種傳熱效應(yīng)會(huì)引起巖石中的熱應(yīng)力，進(jìn)而會(huì)反作用于巖石，造成損傷.因此，有必要分析和解決環(huán)境與鉆井液的傳熱問(wèn)題，以提高鉆進(jìn)效率.2020年，中國(guó)石油大學(xué)LI等［63］為探究鉆井液溫度、保溫時(shí)間與凍土層的鉆孔收縮規(guī)律，基于鉆井液與地層傳熱過(guò)程中凍土力學(xué)性質(zhì)的變化，建立了熱-流-固耦合模型.2021年，中國(guó)石油大學(xué)SONG等［64］以高溫巖石與鉆井液的換熱過(guò)程為主要研究對(duì)象，模擬了機(jī)械沖擊-傳熱耦合過(guò)程，結(jié)果表明，高溫效應(yīng)不僅降低沖擊能的能量傳遞效率，同時(shí)會(huì)降低巖石強(qiáng)度.2021年，西南石油大學(xué)ZHANG等［65］建立了鉆井過(guò)程中井筒和地層的溫度分布模型，研究鉆井液密度、熱導(dǎo)率、比熱容和黏度隨溫度變化對(duì)鉆井過(guò)程中井筒溫度計(jì)算的影響.2022年，中國(guó)石油大學(xué)林日億等［66］基于能量守恒原理，并采用傳遞熱阻方法建立了鉆井液循環(huán)冷卻過(guò)程的傳熱模型，進(jìn)一步分析了入口溫度、鉆井液排量和循環(huán)時(shí)間對(duì)鉆井液溫度場(chǎng)分布的影響規(guī)律.

此外，鉆井液作為鉆井的“血液”，其黏度、攜砂能力、潤(rùn)滑等性能優(yōu)劣關(guān)系到鉆速快慢和鉆井成敗.為滿(mǎn)足低溫或高溫條件下鉆井液的性能要求，對(duì)防漏堵漏、回收利用、井眼穩(wěn)定以及鉆井循環(huán)等其他鉆井液方面的研究成果提出了更嚴(yán)苛的要求［67-68］.推動(dòng)適用于不同鉆井工況的鉆井液的體系完善和發(fā)展，有利于鉆井工程在深海、極地、深層等極端領(lǐng)域的拓展，有力支撐旋沖鉆井技術(shù)的推廣應(yīng)用.

3 結(jié)論與展望

旋沖鉆井技術(shù)是一種是以沖擊載荷為主、靜壓旋轉(zhuǎn)為輔，造成巖石大體積脆性破碎的破巖方法.該方法兼具旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)與沖擊鉆井技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，具備更強(qiáng)的深井鉆探能力和更高的自動(dòng)化程度，被廣泛應(yīng)用于深海、深地、礦山、應(yīng)急搶險(xiǎn)等領(lǐng)域.在旋沖鉆井工程中，一方面，高溫高壓的地質(zhì)條件以及復(fù)雜多變的工況對(duì)旋沖鉆井過(guò)程的可預(yù)測(cè)性、鉆探安全性發(fā)起挑戰(zhàn)；另一方面，隨著鉆井提速技術(shù)的優(yōu)化發(fā)展、核心設(shè)備的配套研制，多功能、高集成的鉆機(jī)設(shè)備被廣泛投入應(yīng)用，對(duì)裝備的協(xié)同性與性能保持性提出了更高的要求.文中基于提高旋沖鉆進(jìn)效率和增強(qiáng)鉆井設(shè)備可靠性的目的，介紹了旋沖鉆井技術(shù)概念及其優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而對(duì)動(dòng)力方式、破巖方式以及鉆進(jìn)效率影響因素研究進(jìn)行歸納分析，在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)地討論了高效破巖工具的研究成果、存在問(wèn)題及解決措施，為旋沖鉆井技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展提供了理論指導(dǎo).

1） 液動(dòng)沖擊器由于起步較早，理論研究和應(yīng)用推廣都較為深入.氣動(dòng)沖擊器起初由于動(dòng)力源問(wèn)題發(fā)展受限，在中國(guó)應(yīng)用相對(duì)滯后.然而，與液動(dòng)旋沖鉆進(jìn)相比，氣動(dòng)旋沖鉆進(jìn)具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，其動(dòng)力介質(zhì)密度較低、氣柱靜壓力較小，所以巖石更易被擊碎且不會(huì)在鉆井過(guò)程中造成重復(fù)性破碎，具有更高鉆進(jìn)效率.近年來(lái)，隨著空壓機(jī)技術(shù)和氣動(dòng)沖擊器的創(chuàng)新發(fā)展，搭載氣動(dòng)沖擊器的旋沖鉆井技術(shù)有望在深井、超深井硬巖鉆進(jìn)以及對(duì)鉆進(jìn)效率要求較高的應(yīng)急鉆孔救援領(lǐng)域得到快速發(fā)展，但相關(guān)配套理論和工程應(yīng)用規(guī)范仍有大量工作需要深入探索.

2） 旋沖鉆進(jìn)高效破巖機(jī)理經(jīng)過(guò)多年理論攻關(guān)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，已逐漸趨于成熟并被用于指導(dǎo)實(shí)際工程，其各種配套沖擊設(shè)備逐步更新?lián)Q代、升級(jí)完善.但是，關(guān)于旋沖鉆進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和新型驅(qū)動(dòng)方式的研究還較為少見(jiàn).旋沖鉆進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)往復(fù)回轉(zhuǎn)與高、低頻沖擊的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，涉及機(jī)械、電控、液壓或氣動(dòng)等多物理場(chǎng)耦合作用，多物理場(chǎng)耦合作用下的旋沖復(fù)合驅(qū)動(dòng)機(jī)理較為復(fù)雜，存在響應(yīng)特性不明確、動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律不確定、敏感影響因子不知曉等難題，尚需要進(jìn)一步深入探究.

3） 旋沖鉆進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一種影響參數(shù)較多的非線(xiàn)性耦合系統(tǒng)，要求能夠適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件下未知巖層結(jié)構(gòu)的變載荷工況，動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜多變，鉆井過(guò)程中產(chǎn)生的動(dòng)載荷通過(guò)鉆桿傳遞到動(dòng)力集成機(jī)構(gòu)，易引起動(dòng)力集成機(jī)構(gòu)的振動(dòng)和沖擊，非線(xiàn)性振動(dòng)危害嚴(yán)重，存在耦合振動(dòng)誘因難以確定、振動(dòng)形成機(jī)理探究困難等難題，有待進(jìn)一步深入研究.

4） 旋沖鉆井過(guò)程涉及不穩(wěn)定的地層狀況、多種動(dòng)力源控制以及鉆機(jī)啟?？刂频榷喾N鉆井工況.在不同工況下，鉆井裝備受到蠕變載荷、沖擊載荷、交變載荷等多種復(fù)雜載荷作用，存在載荷作用位置難以確定、應(yīng)力分布規(guī)律和變形分布規(guī)律不明確等難題.在極端工況下，關(guān)鍵裝備可能出現(xiàn)剛度退化和變形增大現(xiàn)象，致使裝備整體失效.為避免出現(xiàn)應(yīng)力超過(guò)材料的疲勞極限情況，基于受載應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，探究關(guān)鍵裝備疲勞失效規(guī)律尤為重要，尚需要進(jìn)一步深入研究.

5） 旋沖鉆井系統(tǒng)具備多種功能的同時(shí)，其非線(xiàn)性耦合動(dòng)力學(xué)模型不斷復(fù)雜化，影響鉆井系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究的計(jì)算精確度和效率.為更好地模擬系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，可基于不同動(dòng)力學(xué)方法，構(gòu)建巖石-鉆柱-井壁、鉆柱-鉆井液等鉆井系統(tǒng)的簡(jiǎn)化與精細(xì)化動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鉆井系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì).

6） 在鉆井監(jiān)測(cè)方面，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于巖石性質(zhì)與鉆井參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了大量卓有成效的研究，為實(shí)際鉆井參數(shù)控制提供了理論指導(dǎo).隨著鉆井深度不斷增加，由于地質(zhì)環(huán)境愈加惡劣，為掌握地下真實(shí)可靠的地質(zhì)情況，常規(guī)鉆井取心費(fèi)時(shí)費(fèi)力，極大影響鉆進(jìn)效率.因而，如何能夠?qū)崟r(shí)、快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)巖石的結(jié)構(gòu)成分和巖層劃分狀況是鉆井過(guò)程仍需要關(guān)注的問(wèn)題.

目前旋沖鉆井技術(shù)研究在相關(guān)配套理論和工程應(yīng)用規(guī)范、旋沖復(fù)合驅(qū)動(dòng)機(jī)理、動(dòng)力機(jī)構(gòu)耦合振動(dòng)機(jī)制等方面有待進(jìn)一步深入探索.

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（責(zé)任編輯 談國(guó)鵬）

收稿日期： 2022-12-07； 修回日期： 2023-03-02； 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間： 2024-04-25

網(wǎng)絡(luò)出版地址： https：//link.cnki.net/urlid/32.1814.TH.20240423.1114.022

基金項(xiàng)目： 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2020YFC1512402）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（52175052）

第一作者簡(jiǎn)介： 張?jiān)娺_(dá)（1998—），男，河北邯鄲人，碩士研究生（zhangshida@stmail.ujs.edu.cn），主要從事流體傳動(dòng)及智能控制研究.

通信作者簡(jiǎn)介： 朱勇（1986—），男，河南信陽(yáng)人，副研究員，博士生導(dǎo)師（zhuyong@ujs.edu.cn），主要從事流體傳動(dòng)及智能控制研究.