旋冲振荡钻井提速工具的应用探讨

旋冲振荡钻井提速工具的应用探讨

摘要：随着我国科学技术的深入研究和开发，为了针对PDC钻头受力状态，

提高硬质地层的机械钻速，解决PDC钻头在硬质地层出现的黏滑振动问题，对旋

冲振荡钻孔提速工具进行了进一步的研究，这类工具是将高压钻井作为驱动介质，形成轴向冲击及扭转冲击。此次针对旋冲振荡钻井提速工具的内部腔体钻井液压

力分布进行了分析，总结了工具的冲击功、频率等性能参数，充分表明旋冲振荡

钻井提速工具在双向冲击作业中产生的冲击载荷，会因为排量的增加而上升，旋

冲振荡钻井提速工具具有提速减震的作用，在井段中使用将可以有效提高机械钻速，PDC钻头也不会发生崩齿问题。

关键词：旋冲振荡；钻井提速工具；应用

引言

石油是我们生活、生产等方面不可缺少的能源，随着时代的发展和进步，对

石油能源的消耗不断提升，这也推动了我国石油行业的进一步发展，近些年石油

行业勘探深度及钻井深度也在逐渐增加，井深从浅层逐渐转入深层，超深层，深

部地层和浅层不同，地质条件相对比较复杂，岩石硬度颇高，其可钻性比较差，

所以，对钻井提速方面有着极高的要求。当前深部地层钻井存在较多问题，传统

钻井方式一旦探入深层工作，深部硬地层中钻进机械钻速较差，导致钻具较易被

损坏，需花费大量的起钻成本；当前高效破岩技术在深部地层使用效果差，导致

钻头发生粘滑、钻头拖压等问题；采买国外先进的钻具技术需要投入大量的成本，工具维护方面存在较大难度。相关数据表明，西南地区等油气田钻高研磨性地层

在总钻井深度中达到三分之一，是全井耗费的钻井时间的百分之七十。旋转冲击

钻具提速工具本身的工作特性目前被广泛的运用于石油行业当中。

一、工作原理

旋冲钻井技术以旋转钻井为前提，提升一个自激振荡式旋转冲击钻井工具形

成的高频冲击作用，让钻头承受周期性的冲击载荷辅助破岩。自激振荡器及冲击

传递杆是旋冲短节的主要部件，辅助破岩的方式主要为下面几种。首先，机械冲击。钻头能够直接连接旋冲短节，钻井液流经内部自激振荡器，产生水力脉冲冲击传递杆上产生作用，形成低幅高频机械冲击力传递到钻头，给钻头增加冲击力为5-20kN、40Hz，让钻头破岩效果得到有效提升。其次，水力脉冲，随着钻井液流经到自激振捣器中，会形成水力脉冲然后向下传递，从钻头水眼喷出，产生脉冲射流在井底产生作用，加强井底清洗，让井底岩石受力发生改变，岩石破坏强度会明显减少[1-2]。

二、旋冲振荡钻井提速工具的研制与应用

（一）工具参数

一般来讲，旋冲振荡钻井提速工具会转变部分钻井液的能量，让其形成工具内锤体动能，然后利用内部重锤轴向运动形成高频低幅轴向冲击载荷，旋转锤周向转动产生高频低幅乱转冲击载荷。旋冲振荡工具的冲击性能参数主要为轴向及周向冲击载荷幅值、频率[3]。

（二）机械式旋转冲击钻井提速工具工作特点

①运用机械式冲击方式。冲击功及冲击频率能够完成稳定输出，钻井期间会形成相对比较大的冲击力，因为凸轮组结构或啮合齿结构的形成，导致钻头输出扭矩也会根据钻头旋转发生改变。②有效提升钻井效率。旋转冲击钻井工具会利用钻头径向方向旋转切削作用、轴向方向高频冲击力作业相结合对岩石起到破碎作用，让岩石的体积被破碎，硬性地层会通过旋转冲击钻井提速工具加强钻头破岩的效用，这样能够提升钻井速度。③减少钻井成本投入。以往使用的旋转钻井方式是利用增大钻压加强机械钻速，由于钻压加大后，会导致钻头出现严重磨损或崩齿情况，产生额外的起钻成本。旋转冲击钻井提速工具是使用小钻压钻井，不仅能够提升机械钻速，也让机械钻速得到相应的保障。④提升井眼质量。在钻井时运用小钻压，能够防止钻柱发生较大弯曲情况，杜绝井斜情况出现，轴向冲击作用影响下，会让钻柱和井壁之间的摩擦力减少，很大程度的缓解了钻头脱压的情况。⑤机械式旋转冲击钻井提速工具钻井液只有在驱动螺杆转子旋转，不会直接进行冲击运动，降低了对零件的冲蚀问题，让工具使用时间延长。

（三）现场试验

比如以LX-165井作为直井，设计井深度是2066米，完成钻井深度是

2015.47米，二开井深度是212米，使用的钻井工具为135-2015米井段。根据这

类工具的实际运用状况和钻地层的性质，应该使用PDC钻头为五刀翼、切削齿直

径为13mm 的较佳。这种工具可以承受的最大钻压是140kN，最大钻井泵排量是

35L/s。实际钻井作业参数是钻压80-100kN，排量30L/s，转盘转速是每分钟45r，泵压是8-10MPa。运用钻具组合是Φ215.9mmPDC钻头+旋冲振荡钻井提速工具

+Φ172mm螺杆钻具（弯角1.25°）+Φ210mm扶正器+定向接头+Φ165.1mm无磁

钻铤+Φ165.1mm钻铤×3根+Φ127mm加重钻杆×9根+Φ127mm钻杆。这类钻井工

具的纯钻井实际是79.25小时，总的进尺是1883米，钻井平均实际是每小时

23.76米，完成了二开一趟钻的目的。和邻井LX-161直井比较而言，这类钻井工

具机械钻速提升到了百分之八十四以上。将旋冲振动提速工具运用到二开井段内，与未运用提速工具层段相比，多数层段机械钻速明显上升。LX-161井在下石盒子

比LX-165井明显高出很多，这是由于前者中部使用了新型的PDC钻头，LX-165

井与LX-59井二开都使用了一只钻头完钻，后者的钻速明显比前者有所提高，这

说明使用旋冲振动提速工具可以让机械钻速明显上升[4-5]。

（四）频率可调脉冲工具

首先，工具结构和提速机理频率可调脉冲提速工具一般有涡轮动力系统、本体、脉冲谐振放大系统等。涡轮动力系统钻井液部分动能通过转化，形成中心轴

旋转机械能，脉冲调制系统是对连续钻井流动进行转化，让其形成间歇流动，也

就是脉冲流动方式，造成谐振腔的扩大，脉冲频率不会发生改变，幅值会明显上升，这样能够让脉冲射流破岩能力得到有效提高。其次，试验使用路46一61X

井试验井段343一2035米，机械钻速平均时间是47.66米，试验井地层、井身

结构等和邻井无太大差别，运用的钻头也是同类，机速明显上升百分之五十九以上，这类工具和定向MWD仪器相结合使用能够提升提速性能，也可以充分发挥其

的功能性作用。

结束语：