振動沖擊鉆井提速技術現狀及發展趨勢

穆總結 李根生 黃中偉 杜彤 史懷忠 田守嶒

1.油氣資源與探測國家重點實驗室克拉瑪依分室·中國石油大學(北京)克拉瑪依校區；

2.油氣資源與探測國家重點實驗室·中國石油大學(北京)；3.新疆油田公司開發公司

鉆井提速是鉆探行業的永恒主題，采用鉆井提速進行降本增效已成為油田的共識。沖擊破巖技術是提高機械鉆速的重要方法［1］。隨著鉆井技術的不斷發展，振動沖擊提速技術及工具研發進入快速發展階段。其基本原理為采用水力學原理，將鉆井液的流體能量轉換為沖擊能量，提高鉆頭的破巖效率。就目前井下振動沖擊鉆井方式而言，可分為三大類，即軸向振動沖擊鉆井提速技術、扭向振動沖擊鉆井提速技術、軸扭復合振動沖擊鉆井提速技術。筆者對近3年來上述提速技術工作原理及現狀進行了分析，并對振動沖擊鉆井技術的發展趨勢進行了論述。

1 振動沖擊提速技術現狀

1.1 軸向振動沖擊鉆井提速技術

軸向振動沖擊鉆井提速技術的研究由來已久。從20世紀初期俄國工程師B.沃爾斯基設計的石油液動沖擊器［2-3］開始，科研工作者相繼研發出了多種軸向振動沖擊鉆井提速技術。近年來軸向振動沖擊鉆井提速技術主要以水力脈沖空化射流振動鉆井提速技術、自激振蕩式提速工具、Fluid Hammer提速技術以及水力振蕩器技術等為代表，并取得了較好的提速效果。

1.1.1 水力脈沖空化射流振動提速技術

李根生［4-6］等對水力脈沖與空化射流機理進行了耦合研究，并研制出水力脈沖空化射流提速工具，如圖1所示。

圖1水力脈沖空化射流振動鉆井提速工具結構Fig.1 Structure of hydraulic pulse-cavitating jet impact ROP improvement tool

其技術原理：流體通過導流體后，改變了流動方向和速度，促使鉆井液驅動葉輪產生連續高速旋轉，從而連續改變流道面積，產生脈沖壓力。自激振蕩腔室對鉆井液脈沖信號進行放大并產生諧振作用，當通過振蕩腔室的出口收縮面積進入噴嘴時，將產生壓力波動。這種壓力波動又反射回自激振蕩腔室形成反饋壓力振蕩，當壓力波動的頻率與諧振腔的頻率發生共振時，在流體出口端產生強烈脈動渦環流，以波動壓力的方式沖擊井底，改善井底流場。該技術既可實現脈沖射流提高清巖破巖能力，又能減少壓持效應，大幅度提高機械鉆速。

截至目前，水力脈沖空化射流振動鉆井技術已在國內油田進行了推廣應用［7-8］。

技術優勢：水力脈沖空化射流振動鉆井技術可與不同類型鉆頭相匹配，可在不同類型地層、不同鉆井液性能條件下使用；該技術無橡膠件，不受井深及地層溫度影響，對不同深度地層具有良好的適應性；由于工具較短，因此與井下動力鉆具配合，在顯著提高機械鉆速的同時，對井身質量影響較小。

技術弊端：由于水力脈沖空化射流的動力來源于鉆井液，沖擊振動力受鉆井液排量以及工具尺寸約束，在特定的井眼尺寸條件下無法產生更高級別的沖擊效果。

1.1.2 自激振蕩式提速工具

倪紅堅等［9］將機械沖擊和水力脈沖作用相結合，研制成功自激振蕩式提速工具，如圖2所示。

圖2自激振蕩式提速工具結構Fig.2 Structure of self-oscillating ROP improvement tool

該工具安裝于鉆頭與鉆鋌之間。在鉆井過程中，鉆井液經一級振蕩器和二級振蕩器后，通過八方連接桿經下接頭后進入鉆頭。在鉆井液流通過程中，工具內部設計的振動沖擊錘將產生一級振蕩及二級振蕩作用，振蕩作用產生的沖擊力通過八方桿直接作用于鉆頭，從而提高鉆頭的破巖效率；同時，鉆井液通過八方桿流經鉆頭后，經鉆頭水眼噴射出，結合沖擊錘上下高頻往復沖擊，從而形成水力脈沖作用并直接作用于井底巖石，達到改善井底流場、強化清洗效果的目的，并具有降低巖石破壞強度的作用。

目前，自激振蕩式提速工具已在國內進行了現場推廣應用［10-12］。

技術優勢：自激振蕩式提速工具有效結合了振動沖擊與水力脈沖的技術優勢，提高了鉆頭破巖效率；采用水力脈沖誘發機械振動，結構簡單，性能可靠。

技術弊端：由于振動沖擊力通過鉆井液的脈沖作用產生，在可鉆性差、巖石強度較高地層鉆進時，無法有效產生軸向振動，因此在硬地層鉆進時受限；振蕩沖擊腔室流體運行軌跡復雜，受鉆井液中固相含量以及地層砂等影響，沖擊錘體易受鉆井液沖蝕。

1.1.3 Fluid Hammer提速技術

Fluid Hammer提速工具是美國國民油井公司(NOV)研制成功的提速工具，目前已成為該公司的主打產品。該工具主要由馬達總成和沖擊短節兩部分構成，其中螺桿馬達為常規螺桿結構；振動沖擊短節是Fluid Hammer的技術核心，Fluid Hammer的沖擊短節由外筒、密封活塞、花鍵心軸、推力軸承組、高強度螺栓、凸輪組和下接頭等組成，如圖3所示。

圖3 Fluid Hammer沖擊短節結構Fig.3 Structure of Fluid Hammer impact nipple

外筒與上部螺桿定子連接在一起；下接頭直接與鉆頭相連接；密封活塞將工具分割成上下2個密封腔，在密封腔內注入高性能潤滑油，為工具內部推力軸承組和凸輪組提供良好的潤滑條件，確保工具井下使用壽命；花鍵心軸與上端螺桿轉子相連接，下端與下接頭通過花鍵嚙合在一起；凸輪組分為上下凸輪結構，分別安裝在外筒臺肩處和下接頭處，并通過高強度螺栓固定。

Fluid Hammer工作原理：Fluid Hammer的外筒與上部螺桿定子連接在一起，花鍵心軸與螺桿轉子連接在一起。在鉆井過程中，沖擊短節的外筒與下接頭處于相對靜止狀態。鉆井液驅動上部螺桿轉子產生高速旋轉，螺桿轉子帶動花鍵心軸及下接頭一起高速旋轉，給鉆頭提供破巖扭矩；凸輪組由2個嚙合的凸輪構成，如圖4所示。其中上凸輪(圖4a)由凸輪座與鼓輪組成，并通過螺栓安裝在外筒內的臺階面處；下凸輪(圖4b)與下接頭連接在一起。在鉆井過程中，當花鍵心軸帶動下接頭旋轉時，下凸輪將與上凸輪產生交變嚙合，在鉆壓作用下交變嚙合產生交變沖擊力(如圖5所示)，并直接施加給鉆頭，為鉆頭提供破巖的沖擊力。

圖4凸輪組結構Fig.4 Structure of cam group

圖5上、下凸輪運動示意圖Fig.5 Schematic motion of upper and lower cam

技術優勢：施加給鉆頭的沖擊力是通過鉆壓作用而來，即將鉆壓轉換為沖擊力，具有較高的沖擊載荷并直接施加給鉆頭，提速效果明顯；Fluid Hammer提速工具設計有螺桿短節部分，因此在提速的同時可以較好地進行井斜控制。

技術弊端：下部沖擊短節機械結構設計復雜，成本較高；密封腔通過旋轉密封來實現密封，可靠性難以保證，井下使用壽命較低。

目前，Fluid Hammer已在油田進行了推廣應用，從現場應用效果來看，NOV公司在大尺寸井眼的提速效果明顯，且井下使用壽命得到保證；在?215.9 mm井眼中提速效果欠佳。國內相關高校及鉆探企業進行了Fluid Hammer的研究工作［13-14］，并進行了現場試驗，取得一定的提速效果，但距離商業化應用尚有一定距離。

1.1.4 水力振蕩器技術

水力振蕩器是水平井鉆井過程中不可缺少的提速工具。在該技術的研究及應用方面，以NOV公司的Agitator為代表，現場應用效果明顯［15］。Agitator水力振蕩器由振動短節和動力短節2部分構成。動力短節為螺桿鉆具結構，在轉子下方設計有脈沖動力閥(由轉子閥與定子閥構成)。在鉆井液作用下，轉子驅動轉子閥產生周期往復運動，如圖6所示。

圖6井下脈沖閥相對位置示意圖Fig.6 Schematic relative position of downhole pulse valve

當轉子閥與定子閥處于圖6a所處位置時，鉆井液產生壓降達到最大值；隨著轉子的連續旋轉且轉子閥處于圖6b所處位置時，陰影面積為流體通過的最大面積，此時鉆井液壓降達到最小值；隨著轉子繼續旋轉，轉子閥到達圖6c處位置時，鉆井液壓降又達到最大值，此時的最大值與圖6a時的最大值絕對值相等，但相位不同。以上動作是連續的，從而產生一個正旋脈沖壓降。該脈沖壓降作用于振動短節上設計的心軸活塞處，驅動心軸壓縮碟簧，并與外筒產生連續的高頻低幅振動，從而產生振動沖擊。這種高頻低幅連續振動沖擊，使得鉆柱與井壁的靜摩擦轉換為動摩擦，從而大幅度降低摩阻，減少鉆頭的托壓現象，達到實現鉆井提速的目的。

隨著鉆井難度的不斷加大，深井超深井、復雜地層中涉及到的高溫高壓、油基鉆井液等對水力振蕩器提出了更高要求。為了減少溫度及油基鉆井液對水力振蕩器的影響，國內已經開展了金屬螺桿及渦輪驅動式水力振蕩器的研究工作［16］，目前尚處于試驗階段。

1.2 扭向振動沖擊鉆井提速技術

PDC鉆頭已成為油氣勘探開發的主力鉆頭。在實際鉆進過程中，由于PDC鉆頭的自身特性，在破巖過程中將會發生黏滑效應［17-23］，從而大幅度降低PDC鉆頭的破巖效率。

解決PDC鉆頭黏滑效應的有效方法就是通過給PDC鉆頭施加一個連續的高頻沖擊力，在該沖擊力作用下PDC鉆頭不需要能量聚積即可瞬間將巖石進行剪切破碎。其沖擊原理是通過扭向振動沖擊來實現。扭向振動沖擊鉆井提速技術以扭力沖擊器為代表。扭力沖擊器結構如圖7所示。

扭力沖擊器提速工作原理：在鉆井過程中，鉆井液通過心軸進入扭力沖擊器內部，在配流件的作用下產生高低壓腔的相互轉換，該高低壓腔作用于沖擊錘兩側的錘面上。由于高低壓腔的形成，驅動沖擊錘由高壓腔向低壓腔沖擊，該沖擊力作用于沖擊砧上；當第1次沖擊完成后，配流件繼續進行第2次高低壓腔的轉換，從而使得沖擊錘在高低壓作用下返回沖擊，并作用于沖擊砧另一個端面處，從而完成一次沖擊周期。以上高低壓腔的轉換及沖擊錘的往復沖擊是連續的高頻沖擊。由于該沖擊力作用于沖擊砧，而沖擊砧與PDC鉆頭直接連接，相當于該沖擊力直接作用于PDC鉆頭的刀翼處，增加PDC鉆頭剪切破碎巖石的沖擊功，提高PDC鉆頭的破巖效率，實現鉆井提速。

圖7扭力沖擊器結構Fig.7 Structure of torsional impactor

扭力沖擊器是近年來應用較為廣泛的提速工具之一，并在現場獲得良好的提速效果［24-26］。成熟的扭力沖擊器以國外阿特拉公司的Torkbuster為代表。近年來，國內高校及企業科研機構加快了對扭力沖擊器的研究步伐，并推廣應用于鉆井現場。

扭力沖擊器的弊端：(1)適用鉆頭形式單一，僅適用于PDC鉆頭作業，無法與牙輪鉆頭配合使用；(2)適用井型單一，僅適用于直井鉆井提速作業，不能有效解決水平井段的鉆頭托壓問題，無法滿足水平井段鉆井提速技術要求；(3)在超塑性泥巖地層鉆進時，由于PDC鉆頭切削齒無法有效吃入地層，扭向沖擊破巖技術無法提高PDC鉆頭在超塑性泥巖中的破巖效率；(4)機械結構復雜，加工難度較大，核心部件易沖蝕，井下使用壽命低等。

1.3 軸扭復合振動沖擊鉆井提速技術

隨著鉆井技術的不斷發展，鉆井向著高溫高壓、高塑性、可鉆性差等地層進軍。常規的軸向沖擊鉆井技術由于徑向尺寸條件約束，導致水力壓降不能產生足夠大的軸向沖擊力，即軸向振動沖擊力不能協助鉆頭切削齒有效吃入地層，造成提速效果不明顯；扭向沖擊技術通過對節流噴嘴的設計，在確保地面機泵負荷能力的前提下，其扭矩沖擊能量可實現對巖石的剪切破壞，但在硬塑性地層鉆進時，由于PDC鉆頭切削齒無法有效吃入地層，造成鉆頭在該類地層鉆進時無法產生進尺，即無法達到提速效果；同時，扭向沖擊技術由于只產生扭向沖擊振動，對于定向井及水平井鉆進時，無法解決鉆頭托壓等問題，故扭向沖擊鉆井技術在水平井鉆井中無法達到提速效果。目前，有學者提出了利用旋轉導向與扭向沖擊結合的方式進行水平井鉆井提速試驗，但該組合方式鉆井成本過高，無法實現全面推廣。

針對上述問題，提出了軸扭復合沖擊鉆井技術，即通過軸向與扭向結合的方式，充分發揮軸向與扭向沖擊作用，以提高提速工具的適用范圍。

1.3.1 復合沖擊鉆井提速技術

柳貢慧、汪偉、查春青［27-30］等對復合沖擊鉆井工具進行了研究。工具結構如圖8所示，換向器的作用是確保在鉆進過程中高低壓腔的轉換，即保證軸向沖錘與周向擺錘之間通過該高壓腔的轉換產生高頻沖擊振動；節流噴嘴的作用是當鉆井液流過工具時可產生一定的壓降，在該壓降下產生振動沖擊力。

圖8復合沖擊鉆井提速工具結構示意圖Fig.8 Schematic structure of combined impact ROP improvement tool

復合沖擊鉆井工具工作原理：鉆井液流經節流噴嘴產生壓降，在該壓降作用下，軸向沖錘與周向擺錘部位產生高低壓腔，從而驅使沖擊錘由高壓腔向低壓腔產生振動沖擊；在換向器的調節下，軸向沖錘和周向擺錘均產生連續的高低壓腔室互換，從而產生連續的軸向與周向振動沖擊作用，在此2種力的共同作用下提高鉆頭破巖效率，達到提速的目的。

技術優勢：該技術由于可產生連續的軸向與周向沖擊作用，在一定地層條件下，可最大程度提高鉆頭破巖效率，發揮軸向沖擊與周向沖擊提速效果；工具長度較短，可滿足定向井、水平井鉆井提速技術要求。

技術弊端：復合沖擊鉆井提速技術沖擊力的實現是通過節流壓降和沖擊腔室的高低壓轉換而來，因此，對鉆井液性能要求較高；軸向沖錘和周向沖錘易受鉆井液沖蝕。

1.3.2 軸扭耦合沖擊提速技術

穆總結等［17］對軸扭耦合沖擊鉆井提速技術進行了研究，并進行了結構設計。該工具主要由軸向沖擊部分與扭向沖擊部分構成，如圖9所示。

圖9軸扭耦合沖擊鉆井工具Fig.9 Axial-torsional coupled impact drilling tool

軸向振動沖擊產生過程：軸向沖擊核心部分主要由盤閥、錘座和軸向沖擊錘構成。鉆井液驅動盤閥進行旋轉，當盤閥的弧口轉動至軸向錘座的下液流通道時，鉆井液液壓力驅動軸向沖擊錘向上沖擊；當盤閥的弧口轉動至軸向錘座的上液流通道時，鉆井液液壓力驅動沖擊錘產生向下的沖擊力，從而形成一個周期的沖擊力。扭向振動沖擊產生過程：鉆井液流過工具時，在節流噴嘴產生壓降Δp。當鉆井液進入扭向沖擊腔室時，在扭向沖擊錘的一側產生壓差Δp的高壓腔室，另一側為低壓腔室，在Δp壓差作用下，沖擊錘由高壓腔向低壓腔振動沖擊；當一個沖擊完成時，原始位置的高壓腔變為低壓腔，低壓腔轉換為高壓腔，在Δp壓差作用下，沖擊錘體將向初始位置沖擊，從而產生一個周期的沖擊力。

對于軸扭耦合沖擊鉆井提速技術，軸向與扭向振動沖擊所產生的沖擊力通過工具外筒直接作用于鉆頭，給鉆頭提供一種耦合的軸扭沖擊力，加速鉆頭破巖效率，達到提高鉆速的目的。

技術優勢：軸扭耦合沖擊鉆井提速技術充分發揮軸向沖擊與扭向沖擊作用，大幅度提高鉆頭的破巖效率，提速效果明顯；軸向與扭向沖擊力通過鉆井液體能量轉換而來，沖擊力為高頻的連續沖擊力，沖擊效果顯著；整體設計無橡膠件，因此不受井深及井底溫度限制，適應性更好；軸向作用下可解決水平井鉆頭托壓問題，扭向可有效克服鉆頭黏滑效應，因此對井型適應性更廣泛；整體結構壓降較小，對鉆井設備無特殊要求。

技術弊端：軸扭耦合是將鉆井液的部分液體能量轉換為沖擊能量，對鉆井液排量、固相含量、含砂量等有較高要求；整體動密封均通過金屬密封來實現，在鉆井過程中易受鉆井液沖蝕。

從復合沖擊鉆井提速技術角度考慮，還有BPM復合提速工具及多維提速工具。BPM提速工具主要由螺桿及沖擊器兩部分構成，工作原理類似于沖擊螺桿，可在底部產生軸向沖擊與扭向沖擊的耦合作用，近年來開始在國內頁巖油開發中進行了現場試驗推廣。多維提速技術由于其工作原理與前述沖擊提速技術有類似之處，本文不再贅述。

2 振動沖擊鉆井技術發展趨勢

2.1 增強振動沖擊鉆井提速技術適應性

近年來隨著我國油氣資源勘探開發力度不斷深入，對振動沖擊鉆井提速技術的適應性提出了更高要求。在鉆井過程中，不僅需要進行機械速度的提高，而且需要在提速的同時保證良好的井身質量。一般而言，直井段鉆井提速技術要求較易于實現；但對于造斜段和水平井段而言，既要能滿足提速需求，又要滿足井眼軌跡的控制質量，這就要求振動沖擊提速工具應滿足不同條件下的提速要求。軸扭耦合沖擊提速技術與螺桿配合可有望解決這一技術問題。

同時，隨著油田勘探開發的不斷深入，鉆井向著高溫、高壓、高硬塑性地層深入，對于鉆井提速而言，需要加大系列化提速工具的研究攻關力度，增強提速工具與井眼尺寸的適應性，解決三高地層鉆井提速技術難題。

2.2 提高振動沖擊鉆井工具井下使用壽命

振動沖擊提速技術的破巖方式與常規鉆井不同，其通過將鉆井液部分流體能量轉換為振動沖擊功，產生的振動沖擊力直接施加于鉆頭，提高了鉆頭的破巖效率。對于振動沖擊工具而言，其核心技術在于鉆井液驅動沖擊部件做功，同時要求各沖擊部件之間具備良好的動密封條件。在高速的鉆井液沖擊作用下，各沖擊部件受鉆井液的沖蝕效應將不可避免。當沖蝕達到一定程度時，將導致密封條件失效，井底振動沖擊作用也隨即失效，即工具壽命大大縮短。因此，加強核心部件的表面硬化技術，提高提速工具的井下使用壽命，將是業內必須深入研究的技術領域。

2.3 加大智能沖擊提速技術的研究力度

智能鉆井技術是全球前沿技術和行業發展趨勢，反映了一個國家的油氣科技發展水平，隨著油氣資源開發的進一步深入，智能鉆井技術必將成為油氣鉆探領域的熱點。對于振動沖擊鉆井提速技術的發展而言，應結合智能鉆桿與智慧鉆頭領域的發展現狀，著手進行井下“機電液一體化”提速技術的研究工作。智能鉆井提速技術涉及到大數據、人工智能以及新材料等關鍵領域，其研究涉及多學科交叉，因此需要加強鉆井工程與前沿技術的高效融合，協同創新，為振動沖擊鉆井提速技術的發展提供技術支持。

3 結論及建議

(1)振動沖擊鉆井技術是鉆井提速的重要手段，隨著我國油氣資源開發的不斷深入，對于鉆井提速技術提出了更高要求，因此，加大振動沖擊鉆井提速技術研究力度，對我國高效開發油氣資源具有重要意義。

(2)軸向沖擊和扭向沖擊鉆井技術是目前應用較多的提速手段，隨著非常規油氣資源開采進程的不斷加大，長水平段鉆井提速手段亟需攻克，單純的軸向沖擊或扭向沖擊技術存在一定局限性，不能完全滿足定向井段及水平段的鉆井提速發展需求，因此應加大長水平段鉆井提速技術的攻關力度，同時增加工具在地層中的適應性研究。

(3)振動沖擊提速工具的井下工作壽命是保證提速效果的重要前提，在進行此類提速技術的研發過程中，應對機械設計、新材料、機械加工工藝及鉆井工藝等進行綜合考慮，充分論證提速工具的設計方法，減少工具出現沖蝕現象，確保工具井下使用壽命。

(4)隨著大數據、智慧油田技術的不斷發展，應加大智慧鉆頭、井下智能提速技術等機電一體化提速技術的研究力度，為油田勘探開發做出更大貢獻。