复合冲击破岩钻井新技术

复合冲击破岩钻井新技术

摘　要：针对传统旋冲钻井和扭冲钻井在钻头的匹配性及地层的适应性方面存在的局限性，结合高效钻井技术发展趋势，提出了复合冲击破岩钻井新技术，并开发了可实现扭向反转冲击联合轴向脉动冲击的新型复合冲击

钻具。该钻具可将流体的液压能转换成工具扭向和轴向交替的高频冲击机械能并直接传递给钻头，给钻头施加周

期性的低幅高频复合式冲击，在不需要改变任何设备的前提下提高破岩效率。在介绍复合冲击破岩钻井新技术破

岩原理的基础上，详细介绍了复合冲击钻具的结构和工作原理、影响破岩效率的关键参数等。新型复合冲击破岩

钻井新技术，可真正实现“立体破岩”，从而提高机械钻速和井身质量。

Ｎｅｗ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗｉｔｈ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎ　Ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ａｎｄ　Ｒｏｃｋ　ＢｒｅａｋｉｎｇＬＩＵ　Ｇｏｎｇｈｕｉ　１，２，ＬＩ　Ｙｕｍｅｉ　１，ＬＩ　Ｊｕｎ１，ＺＨＡ　Ｃｈｕｎｑｉｎｇ１，ＺＨＡＮＧ　Ｔａｏ３，ＨＵＯ　Ｍｉｎｇｍｉｎｇ４（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ（Ｂｅｉｊｉｎｇ），Ｂｅｉｊｉｎｇ，１０２２４９；２．Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１００１２４；３．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　＆Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｅｎ－ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１００１９２；４．Ｘｉｎｊｉａｎｇ　Ｐｅｔｒｏ－ｌｅｕｍ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｋａｒａｍａｙ，Ｘｉｎｊｉａｎｇ，８３４０００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｒｏｔａｒｙ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｏｒｓｉｏｎａｌ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｉｎ　ｄｒｉｌｌｂｉｔ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ａｎｄ　ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ，ａ　ｎｅｗ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ｒｏｃｋ　ｂｒｅａｋｉｎｇ　ｗａｓ　ｐｒｏ－ｐｏｓｅｄ．Ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ，ａ　ｎｅｗ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｐｅｒｃｕｓｓｉｖｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｔｏｏｌ　ｗａｓ　ａｌｓｏ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｒｅｖｅｒｓａｌ　ｔｏｒｓｉｏｎ－ａｌ　ｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｏｒｓｉｏｎａｌ　ｐｕｌｓｅ　ｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｔｏｏｌ　ｃｏｕｌｄ　ｃｏｎｖｅｒｔ　ｔｈｅ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｅｎｅｒｇｙ　ｏｆ　ｆｌｕｉｄｓｉｎｔｏ　ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｅｎｅｒｇｙ　ｏｆ　ｔｏｒｓｉｏｎａｌ　ａｎｄ　ａｘｉａｌ　ｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｉｔｔｏ　ｔｈｅ　ｂｉｔ．Ｔｈｕｓ，ｐｅｒｉｏｄｉｃ　ｌｏｗ－ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎ　ｗａｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｂｉｔ　ｉｎ　ｏｒ－ｄｅｒ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｒｏｃｋ　ｂｒｅａｋｉｎｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｃｈａｎｇｅ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｏｃｋ　ｂｒｅａｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｔａｉｌｓ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｔｏｏｌｓ，ｋｅｙ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｆｆｅｃｔｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｂｒｅａｋｉｎｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ａｎｄ　ｍｏｒｅ．Ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ｒｏｃｋ　ｂｒｅａｋｉｎｇ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｒｏｃｋ　ｂｒｅａｋｉｎｇ　ｔｏｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｏ　ｅｎｈａｎｃｅ　ｗｅｌｌ　ｂｏｒｅ　ｑｕａｌｉｔｙ．

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｔｉｃｋ－ｓｌｉｐ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｒｏｔａｒｙ　ｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ；ｔｏｒｓｉｏｎａｌ　ｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ；ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎ－ｓｉｏｎａｌ　ｒｏｃｋ　ｂｒｅａｋｉｎｇ；ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｔｏｏｌ；ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ　ｒａｔｅ

　随着油气资源勘探开发的不断深入，深井、超深井越来越多，钻遇“三高地层”（岩石硬度高、岩石可钻性级值高、岩石研磨性高）的可能性越来越大，这严重影响了深部硬地层的机械钻速和勘探开发成本［１－７］。针对硬地层钻进过程中机械钻速低、钻头因黏滑振动失效快、钻井成本高等问题，亟待研制开发一种新型破岩工具来提高高硬度和高研磨性地层的机械钻速。

冲击钻井技术的设想最初源于欧洲，冲击回转钻井技术的实际应用距今已有上百年的历史［８－９］。１９５８年，我国开始旋冲钻井技术研究与试验，至今

该技术已日趋成熟，并获得较好的应用效果。２０００年以来，国内外相关研究机构大力开展了扭力冲击钻井技术研究，其中最具有代表性的钻井工具是加拿大Ｕｎｉｔｅｄ　Ｄｉａｍｏｎｄ公司和Ｕｌｔｅｒｒａ公司合作研发的ＴｏｒｋＢｕｓｔｅｒ扭力冲击器；国内胜利石油管理局钻井工艺研究院研制了ＳＬＴＩＤＴ型扭冲钻具，并以该工具为基础研究了一种机械剪切、水力和扭转冲击３种破岩方式共同作用的冲击钻井技术［１０］；另外，西南石油大学也研制了一种扭冲钻具，它主要是通过传动轴将涡轮的转动传递给棘轮机构，随后棘轮机构的撞击砧块不断撞击承撞砧块，从而形成脉冲扭矩［１１］。

传统的旋冲钻井技术和扭冲钻井技术，无论是与钻头的匹配性还是对地层的适应性，均具有一定的局限。旋冲钻井产生的轴向冲击功相对较小，冲击频率过大也会影响冲击器的寿命，在钻井提速方面并无太大优势［１２］。扭冲钻井虽然在周向上剪切破岩效率较高，但当钻遇中硬及高研磨性地层时，又对钻头与冲击器的匹配性提出了较高要求［１３］。为了发挥这两种传统冲击破岩技术的优势，并弥补其不足，针对软硬交错及非均质性地层，笔者提出一种复合冲击破岩钻井新技术，研制了一套复合冲击钻具，并对影响其破岩效率的关键参数进行了研究，以期真正实现三维“立体破岩”，从而提高复杂地层的机械钻速和井身质量。

１　复合冲击破岩钻井新技术基本原理

１．１　技术思路

复合冲击破岩钻井新技术的基本思路，就是将轴向脉动冲击与扭向反转冲击破岩方式联合起来，将流体能量转换成扭向和轴向交替的高频冲击机械能。扭向冲击可使钻杆的旋转破岩能量均匀传递到钻头上而不是积累在钻杆上，消除或降低黏滑效应；轴向冲击可使钻头获得更高的轴向破岩能量，从而使钻头具有三维“立体破岩”效果。简言之，复合冲击“立体破岩”的实质就是复合冲击钻具通过其有序的轴向和扭向振动，合理控制并分配聚集在钻柱上的能量，提供改变钻头破岩方式的动力，使整个钻柱的扭矩保持稳定和平衡，提高破岩效率和机械钻速。

为了实现复合冲击破岩的目的，需要研制复合冲击钻具。复合冲击钻具需要安装在近钻头处，以钻井液为驱动介质将冲击功均匀连续地传递给钻头，给钻头提供额外的破岩能量，使钻头持续稳定地切削岩石，起到辅助破岩的效果，同时降低钻柱和井壁之间的摩阻。另外，复合冲击钻井新技术可满足不同特性地层高效破岩的需求，将大幅度提高软硬交错及非均质性严重地层的机械钻速，大幅减小或消除钻头的黏滑振动，在保证井身质量的同时大幅提高机械钻速。

１．２　破岩机理

１）释放上部钻柱能量。钻柱的振动形式比较复杂，主要有轴向振动、径向振动、扭向振动等３种形式［１４－１５］，如图１所示。钻柱与井壁、钻头与岩石之间的非线性接触会引起钻柱发生黏滑振动，从而引起钻柱间歇性的高速运动和黏滞静止的周期性运动［１６］，这样会引发钻头和钻柱的周期性应力与应变波动，从而造成钻柱和井下工具过早疲劳失效。当钻头处于黏滞状态停止转动而钻柱由于转盘继续转动所积蓄的能量达到足以破碎岩石时，钻头滑脱或跳钻［１７－１８］。当发生滑脱运动时，钻柱内积蓄的能量瞬间释放，钻头在相反方向突然加速或减速，造成钻头角速度瞬间增大，钻头因受较大冲击力，过早失效

。

图１　钻柱的振动形式

Ｆｉｇ．１　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｒｉｌｌ　ｓｔｒｉｎｇ

为了减轻钻头的黏滑振动并实现钻柱振动的有效控制和利用，笔者设计在钻柱上增加一个工具短节实现对轴向振动的主动控制。但问题的关键是，以何种方式释放钻柱上聚集的所有能量（包括由转盘提供的扭转动力、钻压－钻柱动力、水动力等），释放多少能量才足以消除黏滑效应。复合冲击钻具作为主动控制装备安装在钻头上部，主要作用就是通过其有序的横向、纵向以及扭向振动合理控制聚集在钻柱上的能量。其中，扭向冲击模块的功能是将