液動沖擊器發展現狀及在油氣鉆井應用探討

黃雪琴，孟慶昆，鄭曉峰

(中國石油勘探開發研究院，北京 100083)①

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液動沖擊器發展現狀及在油氣鉆井應用探討

黃雪琴，孟慶昆，鄭曉峰

(中國石油勘探開發研究院，北京 100083)①

液動沖擊鉆井技術是解決硬地層鉆速慢難題的有效方法之一。著重對液動沖擊器的類型、工作原理、發展現狀及優缺點進行綜述，并對其在油氣鉆井行業的發展方向進行探討。分析結果表明：正作用式液動沖擊器的尺寸小，主要應用于淺地層，技術成熟，在地質礦探工程中應用廣泛；雙作用式和射流式液動沖擊器的尺寸較大，適用于深井，該技術處于試驗階段，未大規模推廣應用；反作用式和射吸式液動沖擊器在早期有研究，后期研究較少。在油氣鉆井行業中，液動沖擊器發展方向是輸出功率高、關鍵部件制造要求高、對復雜井下條件的柔性適應性要求高，雙作用式和射流式液動沖擊器在油氣鉆井行業中具有較好的發展前景。

液動沖擊；發展趨勢；應用

近年來，隨著油氣鉆井向深部發展，硬地層鉆速慢的難題日益突出[1-2]。鉆遇硬地層時，傳統的牙輪鉆頭、PDC鉆頭及噴射鉆井的旋轉鉆井技術，鉆井效率低，鉆頭壽命短，成本高。沖擊旋轉鉆井技術是解決硬地層鉆速慢難題的有效方法之一，該技術可分為氣動沖擊鉆井技術和液動沖擊鉆井技術2種。氣動沖擊鉆井技術利用高壓氣體作為動力和循環介質，驅動空氣錘對鉆頭施加沖擊功，進行沖擊鉆進[3]。氣動沖擊鉆井技術應用于潮濕和出水地層時，容易造成鉆頭泥包，無法正常鉆進[4]。液動沖擊鉆井技術利用液體作為動力和循環介質，解決了氣動沖擊鉆井技術在潮濕和出水地層不適用的問題。與傳統的旋轉切削鉆井技術相比，液動沖擊鉆井技術具有大幅提高硬巖鉆進速度、防止井斜、延長鉆頭壽命等優點[5]。該技術自誕生以來就得到了較好的發展，并應用于礦山、采石、地質勘探、水文水井、石油鉆井、地熱鉆井、工程施工及工程勘察等領域[6]。液動沖擊鉆井技術的核心工具是液動沖擊器，本文將介紹液動沖擊器的類型、工作原理、發展現狀及優缺點，并對液動沖擊器在油氣鉆井行業中應用的發展方向進行探討。

1　液動沖擊鉆井技術

液動沖擊鉆井技術是在鉆頭上部安裝一個沖擊器，在鉆進過程中，依靠高壓液流驅動沖擊器所產生的高頻沖擊力不斷地施加給鉆頭，以達到破碎堅硬巖石的效果[7]。液動沖擊鉆井技術與傳統旋轉鉆井技術相比，更好地利用了堅硬巖石脆性大，而抗剪強度較低、不耐沖擊的弱點，且在鉆進時只需施加較小的鉆壓來壓持鉆頭，故能有效地解決堅硬巖層和某些復雜巖層鉆探過程中鉆速慢的問題[8]。

液動沖擊鉆井技術的核心工具是液動沖擊器。目前，國內外液動沖擊器的類型有：正作用液動沖擊器、反作用液動沖擊器、閥式雙作用液動沖擊器、射流式液動沖擊器、射吸式液動沖擊器[9]。

2　液動沖擊器發展現狀

2.1正作用液動沖擊器

正作用液動沖擊器是利用高壓液流的壓力升高推動沖錘活塞加速向下運動，產生沖擊而做功，同時壓縮彈簧，儲備能量，一旦工作室壓力下降，彈簧便釋放彈性能推動沖錘活塞復位。工作原理如下圖1所示。

1—外殼；2—活閥座墊圈；3—閥簧；4—活閥； 5—沖錘活塞；6—錘簧；7—鐵砧；8—緩沖墊圈。圖1　正作用液動沖擊器工作原理

正作用液動沖擊器是液動沖擊器中研究最早、最深入的[10]，在淺層鉆孔行業發展成熟，但在油氣鉆井行業未得到全面應用。前蘇聯地質部系統推廣的液動沖擊器主要是正作用式，在礦業鉆井行業應用廣泛，其主要型號為ΓB-5、ΓB-6、Γ-7、Γ-9，沖擊器外徑54 ～73 mm，沖擊器質量25 ～50 kg。1970—1980年，累計進尺890萬m，獲得較好的經濟效益。1983年，中國地質科學院勘探技術研究所研制的YZ系列正作用液動沖擊器，主要應用于巖心鉆探領域。在3 500 m鉆進試驗中，鉆速提高20%～40%。采用人造孕鑲金剛石鉆頭在“打滑”地層中鉆進時鉆速可比回轉鉆速高數倍。河北地質礦產局綜合研究地質大隊研制的ZF系列正作用液動沖擊器，沖擊器外徑54 ～56 mm，沖擊器質量18 ～20 kg，單次沖擊功8～15 J，沖擊頻率42 ～57 Hz。1983年進尺為4 056 m，平均機械鉆速提高46%，回次進尺提高62%。ZG系列液動沖擊器是在ZF系列基礎上改進的，主要降低單次沖擊功，提高沖擊頻率[11]。

正作用液動沖擊器在油氣鉆井行業未全面應用的原因是：

1)尺寸小，排量小。

2)工作彈簧在高頻沖擊作用下使用壽命短。

3)對井深適應性敏感，受背壓影響明顯，適合于1 000 m以淺的鉆孔。

4)不正常工作時將截斷液流通道，必須提鉆檢查，不能循環泥漿。

2.2反作用液動沖擊器

與正作用沖擊器正好相反，反作用液動沖擊器將彈簧置于活塞的上部腔室，利用高壓液流的壓力升高來推動活塞沖錘上升，同時壓縮彈簧，儲備能量，一旦工作室壓力下降，彈簧便釋放彈性能推動沖錘活塞加速向下運動，產生沖擊而做功。工作原理如下圖2所示。

1—工作彈簧；2—外殼；3—活塞；4—鉆砧。圖2　反作用液動沖擊器工作原理

反作用液動沖擊器在前蘇聯淺層鉆孔行業有所發展，但應用較少；國內早期對其有所研究，后期研究較少[10]。前蘇聯研制的ΓBMC-5M型、我國研制的79-3型反作用液動沖擊器，結構復雜，易損件較多，其應用報道較少。美國海灣石油公司和殼牌石油公司所用的反作用液動沖擊器，主要應用于石油鉆井及排除卡鉆等，故直徑較大，可鉆進直徑222 mm的井眼；沖錘質量高達300 kg，沖擊頻率10 Hz。

反作用液動沖擊器在油氣鉆井行業應用的可能性不大，主要原因是：

1)結構復雜。

2)易損件較多。

3)需要剛度較大的彈簧，彈簧制造工藝要求較高，使用壽命短。

2.3閥式雙作用液動沖擊器

閥式雙作用液動沖擊器的主要特點是沖錘活塞的工作沖程與反沖程均由液壓推動，而不依賴彈簧的作用。利用高壓液流在沖錘活塞上、下兩端面積不同而產生的壓力差，推動沖錘活塞上升，當沖錘活塞上行到與活閥接合時，沖錘活塞中心孔的液流通道被關閉，在液流作用下推動沖錘活塞加速向下運動，產生沖擊而做功。

前蘇聯1960年起研制了一系列閥式雙作用液動沖擊器，有無簧式以及活閥具有回動彈簧式[10]。盡管也獲得了甚至比正作用液動沖擊器不差的鉆進效果，但是在生產工作中的運用比正作用液動沖擊器少得多。美國泛美石油公司研制了一種用于石油鉆井的閥式雙作用液動沖擊器，沖擊器外徑200 、311 mm，單次沖擊功397 J、794 J。曾在15口井的30 ～2 400 m井段做過試驗，在石灰巖中鉆速提高96%～350%。美國Smith Tool公司與英國、德國合作研制一種閥式無簧式雙作用液動沖擊器，沖錘質量大，活塞作用面積小，壓力高，流量小，從而獲得了1 000 J以上的單次沖擊功[12]。在石油鉆井試驗中，當井深超過3 000 m時，沖擊器不能正常工作。1993年，德國克勞斯塔爾工業大學深鉆研究所設計了一套直徑為140 mm的閥式雙作用液動沖擊器，采用2個彈簧[12]。經過初步試驗，單次沖擊功達800～900 J。原擬用于KTB超深井科學鉆井中，但沖擊器工作不穩定，尤其在高圍壓下不工作，因此未被采用。

2005年，中國地質科學院勘探技術研究所研制的YZX系列液動沖擊器，與傳統液動沖擊器相比，結構簡化，密封副由4道減少到2道，降低了運動件的阻卡率；取消了固定式節流環，沖擊能量提高了25%～50%；可調式、多孔分流結構，解決液動沖擊器工作泵量與鉆井現場所用泵量不匹配的矛盾[13]。2001～2005年，YZX127液動沖擊器在中國大陸科學鉆探CCSD1井施工中，累計進尺3 526.3 m，最大井深5 118.2 m，在可鉆性8～9級榴輝巖和片麻巖中，鉆速提高近1倍，回次滿管率達95%以上，巖心收獲率為90%以上。1998年，大慶石油管理局鉆井研究所為滿足深井硬地層鉆井需要，研制了XC-82型液動沖擊器，其主要特點是：采用活塞環密封，密封可靠，摩擦阻力小，壽命長；結構簡單，整個沖擊器只有8大組件[14]。石油大學研制的SYZJ型雙作用液動沖擊器是依靠2個活閥的配水來推動沖錘活塞的沖程和回程[15]，在依南5井吉迪克組2 308～2 351 m井段進行試驗，在泥巖地層中鉆速只提高21%，而在硬脆性地層鉆速提高了63%，井斜保持在2°，獲得較好的經濟效益。

閥式雙作用液動沖擊器在油氣鉆井行業深井鉆井有所發展，但推廣應用還需要進一步研究，主要原因是：

1)運動密封副多，運動阻卡幾率大，對鉆井液性能要求高。

2)對井深適應性較敏感，受背壓影響較明顯。

3)固定式節流環對沖錘下行做功產生一定的阻尼作用。

2.4射流式液動沖擊器

射流式液動沖擊器以一個雙穩射流元件作為控制機構，由于雙穩射流元件具有附壁和切換的特性，可控制流體按一定的規律進入沖錘活塞工作腔體的上腔和下腔，從而推動沖錘活塞作上下往復運動[16]。

射流式液動沖擊器在油氣鉆井行業推廣應用還需進一步研究，主要原因有：

1)射流元件沖蝕磨損嚴重，使用壽命短。

2)射流元件附壁切換易受鉆井液性能影響對鉆井液性能要求苛刻。

3)運動密封副在較短時間內失效。

2.5射吸式液動沖擊器

射吸式液動沖擊器利用液流高速噴射時產生的卷吸作用及閥與沖錘間壓力與位移的綜合反饋關系，通過閥與沖錘、活塞上腔與下腔液流壓力差的正負交換而使沖錘反復運動沖擊做功[10]。

射吸式液動沖擊器也是我國首創的一種液動沖擊器[10]，早期有所研究，后期研究較少。云南地質礦產局研制的SX-54Ⅲ型射吸式液動沖擊器，外徑54 mm，沖錘質量6～10 kg。1983-1984年，在云南、黑龍江等七省進行生產試驗，工作液主要為清水，少數鉆孔采用普通泥漿，累計進尺3 521.47 m，鉆速較回轉鉆進提高15%～155%。為長慶油田設計并應用的CQS型液動沖擊器，外徑156～178 mm，沖錘質量35 kg。在長慶油田洼6-8、北95-1、華173、坪29-23、坪32-19、新擺9-7、陜186、陜195等八口井上進行試驗，最大井深2 350 m，累計進尺3 289 m。在中生界下白堊系和侏羅系地層(上部井段)機械鉆速提高20%～30%，中生界中、下三迭系地層(下部井段)機械鉆速提高40%左右[20]。試驗中沖擊器除一套因加工質量問題已報廢外，有3套使用時間達到200 h，出井后新度80%，還可再用。西安石油大學研制的射吸式雙作用液動沖擊器，是針對深井4 000～5 000 m鉆井需要而設計的，對閥、活閥、密封、噴嘴及砧子等零件做進一步的優化設計，重要部位采用激光熔覆技術，提高耐磨性，但未見其應用報道[21]。

射吸式液動沖擊器靠卷吸力抬升活塞，活塞質量不能過大，在油氣鉆井行業應用的可能性不大，主要原因是：

1)油氣鉆井用液動沖擊器沖錘活塞質量大，需要的抬升力大。

2)對噴嘴的壓降要求大，磨損速度快。

3　液動沖擊器在油氣鉆井行業的應用探討

液動沖擊器在地質礦探行業應用已形成規模，并逐步向油氣鉆井行業發展。由于油氣鉆井與地質礦探鉆孔有很大區別，且近年來油氣鉆井向深部發展，因此，有必要對液動沖擊器在油氣鉆井行業中的應用進行探討。

1)油氣鉆井要求液動沖擊器具有高輸出功率。

在鉆井中，巖石破碎比功是鉆頭破碎單位體積巖石所消耗的體積功。在平衡鉆進井段，地層巖石的破碎比功隨深度的增加呈逐漸上升的趨勢，但是在欠平衡鉆井井段，地層巖石破碎能耗陡然下降，其破碎比功與淺部地層破碎比功接近[22]。據統計，目前淺層鉆井用液動沖擊器單面積輸出功率不高于168 kW/m2，深井中做過試驗的液動沖擊器單面積輸出功率不高于397 kW/m2；而采用欠平衡鉆井的空氣錘，應用于深井時單面積輸出功率545～683 kW/m2。據此分析，在油氣鉆井行業深井中近平衡或過平衡鉆井作業中應用液動沖擊器，必須具有較高的輸出功率。

2)油氣鉆井對液動沖擊器關鍵部件制造要求高。

液動沖擊器的關鍵部件有彈簧、密封件、閥或射流元件等。彈簧在高頻、大功率輸出條件使用壽命短；密封件耐溫、抗磨損能力有限，在深井含固相流體中易失效；閥或射流元件在高排量、高黏度、含固相鉆井液的沖刷下易于磨損，使用壽命較短。因此，油氣鉆井對液動沖擊器關鍵部件制造要求高。

3)油氣鉆井作業井下狀態復雜，液動沖擊器柔性適應性要求高。

井下壓力系統復雜，鉆井液密度和黏度變化較大，要求液動沖擊器對鉆井液性能變化具有較好的適應性；為保證鉆井巖屑清潔效率，要求鉆井液排量大、泵壓高，液動沖擊器需適應大排量要求。因此，油氣鉆井對液動沖擊器井下復雜條件下的柔性適應性要求高。

4　結論

1)目前國內外應用于淺地層的小尺寸液動沖擊器主要是正作用式，技術成熟，在地質礦探工程應用廣泛；應用于深井的大尺寸液動沖擊器主要有雙作用式和射流式，該技術處于試驗階段，未大規模推廣應用；反作用式和射吸式液動沖擊器在早期有研究，后期研究較少。

2)在油氣鉆井作業中，液動沖擊器發展方向是輸出功率高、關鍵部件制造要求高、對復雜井下條件的柔性適應性要求高。目前液動沖擊器在油氣鉆井，尤其是在深井中應用，還需要進一步優化研究。從目前的研究、應用情況來看，閥式雙作用和射流式液動沖擊器在油氣鉆井中具有較好的發展前景。

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Development Status of Hydro-hammers and Application of Hydro-hammers in Oil and Gas Well Drilling

HUANG Xueqin，MENG Qingkun，ZHENG Xiaofeng

(ResearchInstituteofPetroleumExplorationandDevelopment，Beijing100083，China)

Hydro-impact drilling technique is one of the effective methods for improvement of penetration rate in hard formation.The summarization of the style，working principle，development status，advantages and disadvantages of hydro-hammers are focused on in this paper.In addition，the development directions of hydro-hammers in oil and gas well drilling are investigated.The results were as follows：in the first place，direct action hydro-hammers with small size were mainly used in shallow formation，and were technical maturity，and were extensively used in geology and mineral exploration engineering；moreover，double action hydro-hammers and jet hydro-hammers with relatively big size were mainly used in deep formation，and were in experiment period，and were not used extensively；finally，reverse action hydro-hammers and Jet suction hydro-hammers were research in early time，and little research were conducted in late time.The development directions of hydro-hammers in oil and gas well drilling are high output power，high manufacture quality of key parts，and good flexible adaptability for complex underground condition.Double action hydro-hammers and jet hydro-hammers have good prospects.

hydro-hammer；developing trend；application

1001-3482(2016)09-0062-05

2016-03-05

中國石油集團公司“鉆井新技術新方法研究”項目(2014A-4211)

黃雪琴(1984-)，女，廣西人，壯族，博士研究生，研究方向為油氣井井下提速工具，E-mail：huangxueqin1204@163.com。

TE921.207

Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.09.014