液动冲击钻井技术发展与应用现状_付加胜
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石 2014 年 第 42 卷 第6 期
油
机
械 — 1 —
CHINA PETＲOLEUM MACHINEＲY
钻井技术与装备
液动冲击钻井技术发展与应用现状
付加胜
1， 2
*
李根生
2
田守嶒
2
史怀忠
2
( 1. 中国石油集团钻井工程技术研究院
2. 中国石油大学 ( 北京) 油气资源与探测国家重点实验室)
摘要： 冲击钻井比传统钻井或者金刚石钻井的机械钻速高 ， 特别是在硬质地层能大幅提高机 械钻速。在介绍冲击钻井技术特点的基础上 ，分析了国内外冲击钻井技术的研究进展和应用情况 ， 对国产液动射流式冲击器、 射吸式冲击器和阀式冲击器的结构特点和性能参数进行了对比分析 。 指出阀式液动冲击器在井下的工作寿命和稳定性有待提高 ， 射流式冲击器的工作压降有待降低。 最后提出冲击器的 2 个研制方向： 一是高频率、小单次冲击功； 二是低频率、大单次冲击功。 关键词： 冲击器； 冲击钻井； 机械钻速； 研究进展； 应用现状 中图分类号： TE921 文献标识码： A doi： 10. 3969 / j. issn. 1001 － 4578. 2014. 06. 001
The Current Development and Application of Hydraulic Percussion Drilling Technology
2 Fu Jiasheng1，
Li Gensheng2
Tian Shouceng2
Shi Huaizhong2
( 1. Drilling Ｒesearch Institute，CNPC 2. State Key Laboratory of Petroleum Ｒesource and Prospecting，China University of Petroleum，Beijing)
积和供给压力 ） 等， 经济上能接受的最优机械钻 速更在于现场实际应用，而不是理论验证； （ 2 ） 冲击器切削齿易泥包而失去钻进能力 ； （ 3 ） 过大 的 冲 击 能 量 会 带 来 井 眼 稳 定 问 题， 如页岩中产生空腔、扩孔或振动引起的井壁坍塌； （ 4 ） 页岩和其他软地层中应用效果差； （ 5 ） 引起钻柱和钻机严重振动； （ 6 ） 定向井、 水平井、 微小井眼井或连续管 钻井使用冲击钻井方式的效果没有先例 。
外径 171. 45 总重力 / kN 9. 79 单次冲击力 / kN 356 最大拉力 / kN 3 114 冲击频率 / Hz 8 最高适用温度 / ℃ 120
所设计了 1 套直径 为 140 mm 的 阀 式 双 作 用 冲 击 器，采用 2 个 弹 簧， 经 初 步 试 验， 流 量 在 1 000 L / min左右，泵压为 3 ～ 4 MPa， 单次冲击功为 800 ～ 900 J。 原拟用于 KTB 超深钻科学钻井中， 但冲 击器工作不稳定，尤其在高围压下不工作。 2. 1. 3 合资公司液动冲击器 2002 年， PDVSAIntevep、 PDVSAEPM、 SDS
1
1. 1
冲击钻井的特点 2
优点及可能的应用
国内外冲击钻井技术研究进展和应 用情况
冲击钻井比传统钻井或者金刚石钻头钻井的机 械钻速高，尤其在一些硬质地层，例如花岗岩、砂 。在相同的转速和钻压 岩、石灰岩和白云岩等 下，在中等硬度的花岗岩中，旋冲钻井的机械钻速 是传统旋转钻井方式的 7. 3 倍，即使在两者都有利 的操作条件下，旋冲钻井机械钻速也比旋转钻井高 2. 3 倍
。这是因为钻头齿对岩石的频繁冲击和高
冲击强度的作用， 以及钻头旋转时对岩屑清洗良 好。机械钻速的提高还可带来钻井成本的降低 。
［4 ］ 冲击钻井的其他优点 ： （ 1 ） 相同的机械钻速时， 冲击钻井所需钻压
小，减小了钻柱受力； （ 2 ） 与岩石接触时间较短， 只占总钻井时间 的 1% ～ 2% ，可减少钻头磨损并延长钻头寿命； （ 3 ） 由于钻头齿的破岩方式以冲击破岩为主， 所钻井眼的井斜角较小且直井的井斜角较易控制 ， 从而改善井眼状况； （ 4 ） 产生的岩屑颗粒较大， 有利于岩屑录井， 能够给地质研究提供更好的资料 ，但大颗粒岩屑也 对大井眼快速钻井带来井眼清洁问题 。 冲击钻井可能的应用： （ 1 ） 冲击器可以作为井底地震信号源而用于 测井； （ 2 ） 冲击器可作为导向钻井的部件； （ 3 ） 冲击能量可以用于井下发电和井下高压 射流增压。 1. 2 存在的问题 尽管冲击钻井很长时间都是油气钻井行业关注 的热点，但由于冲击器机械故障、经济效益的不确 定性等因素影响了钻井行业对其的认可 ，主要有以 下关键问题尚待解决。 （ 1 ） 冲击器的优化问题， 如冲击器种类、 冲 击次数、 单次冲击能量 （ 直接关系冲程、 活塞面
冲锤质量 / kg 38 180 泵量 / （ m3 ·min － 1 ） 0. 912 ～ 1. 560 1. 818 ～ 2. 940 泵压 / MPa 2. 75 ～ 4. 10 2. 75 、4. 10 冲击频率 / Hz 长度 / m 33. 3 25. 0 1. 88 2. 28 质量 / kg 275 910
冲击力能提高机械钻速，也不会对钻头轴承磨损产 生影响。冲击器性能参数如表 2 所示。
1 —转子； 2 —活塞； 3 —复位弹簧； 4 —冲锤； 5 —铁砧。
图1 Fig. 1
新型水力冲击器原理图 冲击器性能参数
Schematic diagram of the new hydraulic hammer 表2 Performance parameters of the hammer
［3 ］ ［1 － 2 ］
冲击器又称冲击锤， 是冲击钻井的关键设备。 冲击器使用时安装在钻头上部，冲击器的活塞和冲 锤在钻井介质的推动下做轴向运动 ，并对钻头产生 冲击作用。冲击器根据使用介质的不同分为空气锤 和液动冲击器。液动冲击器靠钻井液驱动，其动力 介质为液体。由于冲击钻井能显著提高破岩效率， 因而技术进展迅速，且将使用范围拓展到矿山、地 质勘探、石油钻井、 地热钻井及工程勘察等领域。 20 世纪初，俄罗斯工程师 B. 沃尔斯设计了液动冲 击器，并进行了相关设计分析。 液动冲击器分为阀式和无阀式 2 种，前者包括 双作用、反作用和正作用等 3 种类型，后者包括射 流式、孔底反循环式、射吸式和绳索取心式等 4 种 类型。目前，国内外许多公司都在进行液动冲击器 的研究。国外有美国泛美石油公司、 Perth 钻探设 备公司、Smith tool 公司、Terralog 技术公司、 PDVSAIntevep 公司、巴西石油公司、 Amerada Hess 公 司、德国克劳斯塔尔工业大学、 BBJ 工具公司和加 拿大 Suncor 能源公司等， 其研究主要以各类阀式 ［5 ］ 冲击器为主 。 国内研究机构主要有中国石油大 学 （ 北京） 、大庆油田、吉林大学 （ 原长春科技大 学） 、原德州钻井所、 渤海油田、 长庆油田和云南 地质局等。 2. 1 国外的研究情况 2. 1. 1 美国公司的冲击器 美国泛美石油公司研制了双作用液动冲击器， 2 在 400 m 井深进行了试验，在石灰岩地层中机械 钻速比普通钻井方法提高 96% ～ 350% ， 其主要参 数见表 1 。 美国 Perth 钻探设备公司研制了 152. 4 mm （ 6 in） 液 动 冲 击 器， 并 准 备 研 制 更 大 外 径 （ 444. 5 mm） 的冲击器，但未见其应用成果的报道。
钻头尺寸 / mm 200 ～ 286 311 ～ 349
美国 Smith Tool 公司与英国、德国合作研制了 阀式无弹簧双作用冲击器， 其特点是冲锤质量大， 活塞作用面积小、压力高、流量小，单次冲击功达 到 1 000 J 以上。 但在石油钻井试验中， 当井深超 过 3 000 m 时，冲击器不能正常工作， 需要做进一 步的深入研究与改进工作。 美国 Terralog 技 术 公 司 在 美 国 能 源 部 的 资 助 下，也对冲击钻井技术进行了一些研究 。 2. 1. 2 克劳斯塔尔工业大学冲击器 1993 年，德国克劳斯塔尔工业大学深钻研究
0
引
言
据估计，美国在硬质地层钻井领域每年花费约 12 亿美元， 如果在钻头合理寿命内， 硬质地层中 的机械钻速能够提高 1 倍， 则能节约费用 （ 2 ～ 6 ） 亿美元。 冲击钻井技术一直成功应用于地层相对较浅的 固体矿物勘探开发中，能有效提高钻进效率，从而
* 基金项目： 国家重点基础研究发展计划 （ 973 计划） 项目 “深井复杂地层安全高效钻井基础研究” （ 2010CB226700 ） ； 国家科技重大 专项 “复杂结构井优化设计与控制关键技术 ” （ 2011ZX05009 － 005 ） 。
— 2 —
石
油
机
械
2014 年
第 42 卷
第6 期
是因为冲击器频繁的机械故障以及经济效益的不确 定性。从 20 世纪 90 年代开始， 石油钻井越来越 深，岩石强度也随着井深的增加越来越硬 ，冲击器 可以应对这些挑战，许多学者对此进行了大量的工 具设计和试验研究。笔者介绍了冲击钻井技术的特 点，并对国内外冲击钻井技术的发展现状和应用情 况进行了分析， 指出了冲击钻井技术的发展趋势， 以期推动我国冲击钻井技术的快速发展 。
Abstract： The percussion drilling has a faster ＲOP than drilling with conventional bits or with diamond bit， and can significantly improve the ＲOP especially in drilling hard layers. Based on the introduction of technical feature of the percussion drilling ，the research progress and application of impact drilling technology both in domestic and foreign are analyzed. The structural features and performance of domestic hydraulic jet hammer ， jetdraw hammer and valve actuated hammer are contrastively analyzed. It is pointed out that the working life and stability of hydraulic valve actuated hammer need to be improved ， and the pressure drop of hydraulic jet hammer need to be reduced. There exist two research directions，one is high frequency hammer with small single impacting energy and another is low frequency hammer with large single impacting energy. Key words： hammer； percussion drilling； ＲOP； research progress； application status 备受油气钻井行业的关注。钻头在冲击动载作用下 破碎岩石，旋冲钻井则在冲击钻井的基础上加上钻 头旋转作用剪切破碎岩石。冲击钻井的机械钻速一 般比旋转钻井高 2 ～ 3 倍， 且冲击钻井能有效降低 钻井成本，缩短钻井时间。 20 世纪 50 至 60 年代冲击钻井技术得到了快 速发展，有关研究人员进行了冲击钻井原理试验研 究和一些单井现场应用。 在 20 世纪 80 年代以前， 冲击钻井技术未见大规模的现场应用报
付加胜等: 液动冲击钻井技术发展与应用现状
— 3 —
表1 Table 1
外径 / mm 177. 8 279. 4
泛美石油公司双作用液动冲击器主要参数
Main parameters of double acting hydraulic hammer of Pan American Petroleum
油
机
械 — 1 —
CHINA PETＲOLEUM MACHINEＲY
钻井技术与装备
液动冲击钻井技术发展与应用现状
付加胜
1， 2
*
李根生
2
田守嶒
2
史怀忠
2
( 1. 中国石油集团钻井工程技术研究院
2. 中国石油大学 ( 北京) 油气资源与探测国家重点实验室)
摘要： 冲击钻井比传统钻井或者金刚石钻井的机械钻速高 ， 特别是在硬质地层能大幅提高机 械钻速。在介绍冲击钻井技术特点的基础上 ，分析了国内外冲击钻井技术的研究进展和应用情况 ， 对国产液动射流式冲击器、 射吸式冲击器和阀式冲击器的结构特点和性能参数进行了对比分析 。 指出阀式液动冲击器在井下的工作寿命和稳定性有待提高 ， 射流式冲击器的工作压降有待降低。 最后提出冲击器的 2 个研制方向： 一是高频率、小单次冲击功； 二是低频率、大单次冲击功。 关键词： 冲击器； 冲击钻井； 机械钻速； 研究进展； 应用现状 中图分类号： TE921 文献标识码： A doi： 10. 3969 / j. issn. 1001 － 4578. 2014. 06. 001
The Current Development and Application of Hydraulic Percussion Drilling Technology
2 Fu Jiasheng1，
Li Gensheng2
Tian Shouceng2
Shi Huaizhong2
( 1. Drilling Ｒesearch Institute，CNPC 2. State Key Laboratory of Petroleum Ｒesource and Prospecting，China University of Petroleum，Beijing)
积和供给压力 ） 等， 经济上能接受的最优机械钻 速更在于现场实际应用，而不是理论验证； （ 2 ） 冲击器切削齿易泥包而失去钻进能力 ； （ 3 ） 过大 的 冲 击 能 量 会 带 来 井 眼 稳 定 问 题， 如页岩中产生空腔、扩孔或振动引起的井壁坍塌； （ 4 ） 页岩和其他软地层中应用效果差； （ 5 ） 引起钻柱和钻机严重振动； （ 6 ） 定向井、 水平井、 微小井眼井或连续管 钻井使用冲击钻井方式的效果没有先例 。
外径 171. 45 总重力 / kN 9. 79 单次冲击力 / kN 356 最大拉力 / kN 3 114 冲击频率 / Hz 8 最高适用温度 / ℃ 120
所设计了 1 套直径 为 140 mm 的 阀 式 双 作 用 冲 击 器，采用 2 个 弹 簧， 经 初 步 试 验， 流 量 在 1 000 L / min左右，泵压为 3 ～ 4 MPa， 单次冲击功为 800 ～ 900 J。 原拟用于 KTB 超深钻科学钻井中， 但冲 击器工作不稳定，尤其在高围压下不工作。 2. 1. 3 合资公司液动冲击器 2002 年， PDVSAIntevep、 PDVSAEPM、 SDS
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1. 1
冲击钻井的特点 2
优点及可能的应用
国内外冲击钻井技术研究进展和应 用情况
冲击钻井比传统钻井或者金刚石钻头钻井的机 械钻速高，尤其在一些硬质地层，例如花岗岩、砂 。在相同的转速和钻压 岩、石灰岩和白云岩等 下，在中等硬度的花岗岩中，旋冲钻井的机械钻速 是传统旋转钻井方式的 7. 3 倍，即使在两者都有利 的操作条件下，旋冲钻井机械钻速也比旋转钻井高 2. 3 倍
。这是因为钻头齿对岩石的频繁冲击和高
冲击强度的作用， 以及钻头旋转时对岩屑清洗良 好。机械钻速的提高还可带来钻井成本的降低 。
［4 ］ 冲击钻井的其他优点 ： （ 1 ） 相同的机械钻速时， 冲击钻井所需钻压
小，减小了钻柱受力； （ 2 ） 与岩石接触时间较短， 只占总钻井时间 的 1% ～ 2% ，可减少钻头磨损并延长钻头寿命； （ 3 ） 由于钻头齿的破岩方式以冲击破岩为主， 所钻井眼的井斜角较小且直井的井斜角较易控制 ， 从而改善井眼状况； （ 4 ） 产生的岩屑颗粒较大， 有利于岩屑录井， 能够给地质研究提供更好的资料 ，但大颗粒岩屑也 对大井眼快速钻井带来井眼清洁问题 。 冲击钻井可能的应用： （ 1 ） 冲击器可以作为井底地震信号源而用于 测井； （ 2 ） 冲击器可作为导向钻井的部件； （ 3 ） 冲击能量可以用于井下发电和井下高压 射流增压。 1. 2 存在的问题 尽管冲击钻井很长时间都是油气钻井行业关注 的热点，但由于冲击器机械故障、经济效益的不确 定性等因素影响了钻井行业对其的认可 ，主要有以 下关键问题尚待解决。 （ 1 ） 冲击器的优化问题， 如冲击器种类、 冲 击次数、 单次冲击能量 （ 直接关系冲程、 活塞面
冲锤质量 / kg 38 180 泵量 / （ m3 ·min － 1 ） 0. 912 ～ 1. 560 1. 818 ～ 2. 940 泵压 / MPa 2. 75 ～ 4. 10 2. 75 、4. 10 冲击频率 / Hz 长度 / m 33. 3 25. 0 1. 88 2. 28 质量 / kg 275 910
冲击力能提高机械钻速，也不会对钻头轴承磨损产 生影响。冲击器性能参数如表 2 所示。
1 —转子； 2 —活塞； 3 —复位弹簧； 4 —冲锤； 5 —铁砧。
图1 Fig. 1
新型水力冲击器原理图 冲击器性能参数
Schematic diagram of the new hydraulic hammer 表2 Performance parameters of the hammer
［3 ］ ［1 － 2 ］
冲击器又称冲击锤， 是冲击钻井的关键设备。 冲击器使用时安装在钻头上部，冲击器的活塞和冲 锤在钻井介质的推动下做轴向运动 ，并对钻头产生 冲击作用。冲击器根据使用介质的不同分为空气锤 和液动冲击器。液动冲击器靠钻井液驱动，其动力 介质为液体。由于冲击钻井能显著提高破岩效率， 因而技术进展迅速，且将使用范围拓展到矿山、地 质勘探、石油钻井、 地热钻井及工程勘察等领域。 20 世纪初，俄罗斯工程师 B. 沃尔斯设计了液动冲 击器，并进行了相关设计分析。 液动冲击器分为阀式和无阀式 2 种，前者包括 双作用、反作用和正作用等 3 种类型，后者包括射 流式、孔底反循环式、射吸式和绳索取心式等 4 种 类型。目前，国内外许多公司都在进行液动冲击器 的研究。国外有美国泛美石油公司、 Perth 钻探设 备公司、Smith tool 公司、Terralog 技术公司、 PDVSAIntevep 公司、巴西石油公司、 Amerada Hess 公 司、德国克劳斯塔尔工业大学、 BBJ 工具公司和加 拿大 Suncor 能源公司等， 其研究主要以各类阀式 ［5 ］ 冲击器为主 。 国内研究机构主要有中国石油大 学 （ 北京） 、大庆油田、吉林大学 （ 原长春科技大 学） 、原德州钻井所、 渤海油田、 长庆油田和云南 地质局等。 2. 1 国外的研究情况 2. 1. 1 美国公司的冲击器 美国泛美石油公司研制了双作用液动冲击器， 2 在 400 m 井深进行了试验，在石灰岩地层中机械 钻速比普通钻井方法提高 96% ～ 350% ， 其主要参 数见表 1 。 美国 Perth 钻探设备公司研制了 152. 4 mm （ 6 in） 液 动 冲 击 器， 并 准 备 研 制 更 大 外 径 （ 444. 5 mm） 的冲击器，但未见其应用成果的报道。
钻头尺寸 / mm 200 ～ 286 311 ～ 349
美国 Smith Tool 公司与英国、德国合作研制了 阀式无弹簧双作用冲击器， 其特点是冲锤质量大， 活塞作用面积小、压力高、流量小，单次冲击功达 到 1 000 J 以上。 但在石油钻井试验中， 当井深超 过 3 000 m 时，冲击器不能正常工作， 需要做进一 步的深入研究与改进工作。 美国 Terralog 技 术 公 司 在 美 国 能 源 部 的 资 助 下，也对冲击钻井技术进行了一些研究 。 2. 1. 2 克劳斯塔尔工业大学冲击器 1993 年，德国克劳斯塔尔工业大学深钻研究
0
引
言
据估计，美国在硬质地层钻井领域每年花费约 12 亿美元， 如果在钻头合理寿命内， 硬质地层中 的机械钻速能够提高 1 倍， 则能节约费用 （ 2 ～ 6 ） 亿美元。 冲击钻井技术一直成功应用于地层相对较浅的 固体矿物勘探开发中，能有效提高钻进效率，从而
* 基金项目： 国家重点基础研究发展计划 （ 973 计划） 项目 “深井复杂地层安全高效钻井基础研究” （ 2010CB226700 ） ； 国家科技重大 专项 “复杂结构井优化设计与控制关键技术 ” （ 2011ZX05009 － 005 ） 。
— 2 —
石
油
机
械
2014 年
第 42 卷
第6 期
是因为冲击器频繁的机械故障以及经济效益的不确 定性。从 20 世纪 90 年代开始， 石油钻井越来越 深，岩石强度也随着井深的增加越来越硬 ，冲击器 可以应对这些挑战，许多学者对此进行了大量的工 具设计和试验研究。笔者介绍了冲击钻井技术的特 点，并对国内外冲击钻井技术的发展现状和应用情 况进行了分析， 指出了冲击钻井技术的发展趋势， 以期推动我国冲击钻井技术的快速发展 。
Abstract： The percussion drilling has a faster ＲOP than drilling with conventional bits or with diamond bit， and can significantly improve the ＲOP especially in drilling hard layers. Based on the introduction of technical feature of the percussion drilling ，the research progress and application of impact drilling technology both in domestic and foreign are analyzed. The structural features and performance of domestic hydraulic jet hammer ， jetdraw hammer and valve actuated hammer are contrastively analyzed. It is pointed out that the working life and stability of hydraulic valve actuated hammer need to be improved ， and the pressure drop of hydraulic jet hammer need to be reduced. There exist two research directions，one is high frequency hammer with small single impacting energy and another is low frequency hammer with large single impacting energy. Key words： hammer； percussion drilling； ＲOP； research progress； application status 备受油气钻井行业的关注。钻头在冲击动载作用下 破碎岩石，旋冲钻井则在冲击钻井的基础上加上钻 头旋转作用剪切破碎岩石。冲击钻井的机械钻速一 般比旋转钻井高 2 ～ 3 倍， 且冲击钻井能有效降低 钻井成本，缩短钻井时间。 20 世纪 50 至 60 年代冲击钻井技术得到了快 速发展，有关研究人员进行了冲击钻井原理试验研 究和一些单井现场应用。 在 20 世纪 80 年代以前， 冲击钻井技术未见大规模的现场应用报
付加胜等: 液动冲击钻井技术发展与应用现状
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表1 Table 1
外径 / mm 177. 8 279. 4
泛美石油公司双作用液动冲击器主要参数
Main parameters of double acting hydraulic hammer of Pan American Petroleum