扭轉沖擊器研究及應用

盧玲玲，何東升，張偉東，賈禮霆（．西南石油大學　機電工程學院，成都60500；．寶雞石油機械有限責任公司，陜西　寶雞700）

扭轉沖擊器研究及應用

盧玲玲1，何東升1，張偉東2，賈禮霆1
（1．西南石油大學機電工程學院，成都610500；2．寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞721002）①

扭轉沖擊器作為深部硬地層快速鉆進的關鍵技術，是一種集機械剪切、水力和扭轉沖擊為一體的新型鉆井工具。介紹了國內外現有扭轉沖擊器的研究現狀和實際應用情況，闡述了其結構、特點以及工作原理，對比分析了各扭轉沖擊器關鍵技術的優勢與不足，指出了扭轉沖擊器應朝著提高產品結構可靠性、適應高密度鉆井液下工作等方向研究，同時也指出了扭轉沖擊器在鉆井領域有著很好的應用及發展前景。研究結論對提高和完善國內扭轉沖擊器技術、實現國產化以及配套P D C鉆頭的研制和改進具有一定的參考價值。

扭轉沖擊；快速鉆進；研究現狀；現場應用

在高硬度或礫巖地層中實現快速鉆進是鉆井過程中的技術難題，當P D C鉆頭鉆硬地層或研磨性地層時，鉆頭可能會出現轉矩不足而無法破碎地層，此時鉆柱因彈性勢能的積蓄持續扭轉，直至P D C鉆頭克服地層阻力，鉆柱中的能量便會瞬間釋放出來，使鉆柱與鉆頭一起產生劇烈振動，鉆頭突然加速，造成鉆頭損壞，即粘滑現象［1］。P D C鉆頭配合扭轉沖擊器使用，此時的P D C鉆頭上有2個力作用在切削地層，一個是鉆盤提供的扭力，另一個是扭轉沖擊器直接傳遞到鉆頭上的額外扭向沖擊力，鉆頭無需等待扭力積蓄就可以直接切削地層，并且對鉆桿不產生任何作用，只作用在鉆頭本身，此時鉆桿的轉矩基本穩定，鉆桿傳達的轉矩可以完全用于切削地層。在鉆井過程中，圍繞由粘滑現象造成的鉆頭失效問題，扭轉沖擊器是旋轉鉆井體系下簡便且綜合效益較高的技術［2］。扭轉沖擊器直接安裝在P D C鉆頭的上方，給鉆頭直接施加低幅高頻扭轉沖擊，產生高效的破巖轉矩，從而大幅地降低鉆頭的粘滑現象。扭轉沖擊器的關鍵技術在于利用鉆井液驅動內部沖擊錘做反復的扭轉沖擊，將流體能量轉換成一定頻率、周向扭轉、沖擊型的機械破巖能量，并直接傳遞給鉆頭［3］。扭轉沖擊器外部尺寸緊湊，內部機械結構合理，流道通暢，無任何橡膠件，無任何電子元件。當扭轉沖擊器失效時，不會對整個鉆進過程產生任何影響，無需起下鉆，只是相當于一個鉆頭短節和P D C鉆頭一起旋轉，只是性能回到沒有扭轉沖擊器時的狀態，機械鉆速降低。

1 國內外扭轉沖擊器研究現狀

目前，國外Ulterra公司、H alliburton公司，國內西南石油大學、中國石油大學對扭轉沖擊器都有一定的研究。Ulterra公司的TorkBuster利用高速的鉆井液驅動渦輪，帶動驅動器敲擊傳動軸，將扭轉沖擊能量傳遞給鉆頭。H alliburton公司的旋轉沖擊裝置，利用鉆井液帶動葉輪旋轉，使沖擊塊反向沖擊砧座，傳遞能量。西南石油大學公布的一種扭轉沖擊鉆井工具是利用螺桿帶動驅動器，其原理與Ulterra公司的TorkBuster工作原理相似。另外，中國石油大學公布的SL TID T型扭轉沖擊鉆井提速工具，利用鉆井液的流體壓差，直接驅動內部沖擊錘做圓周反復沖擊。

1．1 Torkbuster工具以及扭轉沖擊鉆井工具

Torkbuster扭轉沖擊鉆井工具主要由殼體、傳動軸、驅動器、滑動塊、傳動銷、推力軸承、定軸、渦輪等組成［4 7］（如圖1），利用高速鉆井液驅動渦輪（或螺桿）旋轉，帶動滑動塊凸起旋轉敲擊傳動軸凸起，將扭轉沖擊能量傳遞給鉆頭。工具上端經轉換接頭與鉆鋌相連，下端傳動軸直接與鉆頭相連。鉆井液驅動固定在定軸上的渦輪轉子（螺桿）轉動，定軸隨渦輪轉子轉動，旋轉的定軸通過螺紋帶動驅動器同速轉動，此時渦輪轉子、定軸、驅動器的轉速相同。而進入渦輪段的鉆井液大部分經定軸上開有的導流孔流入傳動軸，其余通過定軸與殼體之間的間隙進入沖擊碰撞處，再經流砂孔流出。滑動塊上開有環形凹槽和條形凹槽，條形凹槽具有導向作用，滑動塊以環形凹槽中的傳動銷為軸轉動，條形凹槽則作為另一傳動銷的運動軌道，傳動軸和滑動塊都設有凸起，凸起部分配合形成棘輪結構（如圖1a）。驅動器位于殼體與傳動軸之間，依靠傳動銷將扭矩傳遞到滑動塊，驅使滑動塊轉動。滑動塊轉動，使滑動塊凸起與傳動軸凸起發生碰撞，從而將流體能量轉換成機械沖擊能量，同時迫于傳動軸的阻力，凸起部分快速分離，使傳動軸得到頻率較高的沖擊性轉矩，滑動塊繼續旋轉進行下一次碰撞。

該工具的長度小，用鉆井液驅動渦輪提供動力，結構簡單；殼體上端與轉換接頭連接，殼體內部設有臺階，安裝方便；驅動器與殼體間留有間隙，傳動軸開有流砂孔，可以用鉆井液冷卻碰撞處并清除沉積砂粒；但該工具渦輪（螺桿）部件多，易損壞，傳遞效率低。

圖1 TorkBuster扭轉發生沖擊鉆井工具

1．2 Haiiiburton公司的旋轉沖擊裝置

哈里伯頓旋轉沖擊裝置［8］（如圖2）主要由砧座、沖擊塊、葉輪、渦輪頭等部分組成。當鉆柱的轉矩滿足鉆頭的正常鉆進時，葉輪和砧座之間有較大的間隙，鉆井液全部流入主軸孔，裝置不提供沖擊轉矩；當鉆頭遇到阻力時，間隙變小，進入渦輪頭的鉆井液不再進入主軸孔中，而是經渦輪頭的斜流道流入殼體與葉輪之間的空腔中，當葉輪的弧形腔與砧座弧形腔對齊時，流體密封在此空腔中，高壓流體作用在沖擊塊斜面，帶動與其連接在一起的扭轉彈簧轉動，儲蓄能量，直到沖擊塊的相對速度為零時扭轉彈簧蓄能完畢，此時的葉輪轉過一定角度，流體也不再進入弧形空腔，密封在弧形空腔中的流體由砧座內側流道流出并進入主軸孔，弧形空腔中的鉆井液壓力降低，扭轉彈簧開始釋放能量，使2個沖擊塊迅速反向旋轉，沖擊砧座，并完成一個撞擊周期。

沖擊塊采用分體式設計，使用連接軸連接，轉動慣量小，相同頻率時沖擊能量小，且分體設計不能保證扭轉沖擊同步，有沖擊紊亂、起反作用的可能。H alliburton公司的旋轉沖擊裝置采用鉆井液直接驅動，沒有渦輪（或螺桿）部件，可靠性高。

圖2 哈里伯頓扭轉沖擊裝置

1．3 SLTID T型扭轉沖擊鉆井提速工具

SL TID T型扭轉沖擊鉆井提速工具是根據TorkBuster工具和H alliburton公司的旋轉沖擊裝置改進的［9］，由鉆鋌接頭和扭轉沖擊器組成。扭轉沖擊發生器主要由導流蓋、截流噴嘴、沖擊錘、定位套、篩管、錘座和支撐裝置組成（如圖3）；鉆鋌接頭與扭轉沖擊器以花鍵組合定位，由聯接體間隙聯接；導流蓋與錘座固定后內部形成空腔，空腔內由內到外依次為截流噴嘴、篩管、定位套、沖擊錘。

工作時，由錘座和沖擊錘形成相互隔離的鉆井液流道。鉆井液經截流噴嘴分流成3部分：一部分通過錘座上的主軸孔直接到達鉆頭；另一部分鉆井液經過錘座上的導流道與第3部分經過篩管上開有的過流槽流出的鉆井液相互作用驅動沖擊錘旋轉，沖擊錘與錘座形成沖擊倉，隨著沖擊錘的轉動，沖擊倉中的鉆井液流出，壓差增大，推動沖擊錘繼續轉動，直至沖擊錘敲擊錘座，此時定位套的流道打開，定位套反向觸發帶動沖擊錘向反方向旋轉，周而復始。該鉆井工具內部的運動部件少，易損件少，結構簡單。

圖3 SL TID T型扭轉沖擊裝置

2 現場應用研究

2．1 地層性質

目前，TorkBuster在國內外的應用比較廣泛，國內在祈參1井、元壩地區、塔河油田、玉北區塊、青西白堊系現場等地區都有應用［10 13］。祈參1井的地質資料不完整，巖層夾層多，鉆頭型號選擇困難，參數無法強化都是制約鉆井提速的瓶頸問題；元壩地區地層砂泥巖交錯、研磨性強，地層可鉆性差，粘滑現象嚴重；青西現場鉆井提速難點主要表現在白堊系地層巖性硬度大，最高達到6～8級，鉆頭牙齒難以吃入地層，30%的進尺耗用60%的鉆井周期。綜合可知，扭轉沖擊發生器可適用于地層溫度高、壓力大、巖石堅硬、可鉆性差的地層。

2．2 技術參數［14］

TorkBuster主要技術參數如表1。

表1 TorkBuster主要技術參數及規格

2．3 效果分析

1） 機械鉆速大幅提高。扭轉沖擊器很好地解決了地層鉆速較慢的問題，消除鉆頭鉆進時可能出現的振動以及粘滑現象，平均機械鉆速可以達到常規鉆速的3倍以上。即使后期泥漿密度比較高，提高機械鉆速的效果仍比較明顯，但是壽命縮短。

2） 鉆頭壽命得到提高。綜合現場來看：第一趟鉆，鉆頭提取出來完好，沒有損害，沖蝕也不是很嚴重，具備再次入井的條件，經濟效益大幅提高；第二趟鉆，在高密度、高沖蝕的情況下，鉆頭平滑磨損，鉆頭性能比較之前選型，壽命大幅提高。

3） 使用扭轉沖擊器配合P D C鉆頭鉆井后，轉盤扭矩平穩，額外提供的力對鉆桿沒有任何作用，只作用在鉆頭體本身，鉆桿的扭矩基本穩定，所以使用扭轉沖擊器鉆井時不會影響錄井和測井。

4） 經濟效益得到提高。配合P D C使用，鉆頭壽命延長，起下鉆次數減少，鉆井時間減短，節省鉆機租賃費用、材料和人工成本。

5） 自帶穩定器的扭轉沖擊器在提速的同時，還能起到防斜的作用，保證井身質量。

3 結論

1） 扭轉沖擊器能夠減少鉆井粘滑現象，提高機械鉆速，延長鉆頭壽命，減小鉆柱振動，降低鉆進成本。

2） 不同結構的扭轉沖擊器，其工作原理基本類似，都是將鉆井液的流體能量轉換為扭轉沖擊力，進而將能量傳遞給鉆頭。

3） 根據地層因素選擇和調整相應的鉆頭類型、優化施工參數和鉆具組合，尤其鉆硬地層時，應調整好合適的鉆井參數，將扭轉沖擊器的提速作用發揮到最大。

4） 扭轉沖擊器還有待改進，使之在高密度鉆井液中也能持續高效工作，通過提前預處理，使重漿粘度得到控制，避免直接加重晶石吸附井壁以及粘度突升情況的發生。

5） 扭轉沖擊器技術的研究，在現場取得了良好的應用試驗效果，但是，國外扭轉沖擊器先進技術及設備引進成本較高，國內鉆機配套鉆頭又很難與進口扭轉沖擊器匹配，所以，國內應加大自主研發力度，早日突破該項技術瓶頸。

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Research and Appiication Prospect of Torsionai Impact Hammer

LU Lingling1，H E Dongsheng1，ZHANGWeidong2，JIA Liting1
（1．School of M echanical and Electronic Engineering，South west Petroleu m Universitu，Chengdu610500，China；2．Baoji Oilfield M achineru Co．，Ltd．，Baoji721002，China）

Torsionalim pact ha mmer is the key technology of fast drilling in deep and hard forma tion．Itis a new type of drilling tool collecting of mechanical shear，hydraulic and torsionalim pact．T he study intended to introduce the current research and actual application of torsional im pact ham mer both at ho me and abroad，specifically expound its structure，characteristics and w orking principle，co m paratively analysis the key technology of the torsionalim pact ha m mer’s advantages and disadvantages，point out that the localization of the ha m mer should focus on such aspects as reliable tool structure，w orking in high density drilling fluid，as well as a good application and prospect for develop mentin the field of drilling．T he study conclusion is certainly and referentially valuable for im provement and perfection of torsionalim pact ha m mer，realizing nationalization，the sa me too supporting the develop ment and im provement of P D C bit．

torsionalim pact；fast drilling；research status；field appl ication

T E921．2

A

10．3969／j．issn．1001 3842．2015．06．019

1001 3482（2015）06 0082 04

①2014 12 03

中地共建資助項目（010086012）

盧玲玲（1990 ），女，江蘇南通人，碩士研究生，主要從事鉆井機械的研究，Email：lingling2xl＠163．co m。