國(guó)內(nèi)外扭力沖擊器的研究現(xiàn)狀及展望

趙金成，陳杰，陳立偉，劉禹銘，柴龍順，蔣暢

（中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452）

0 引言

隨著對(duì)油氣資源開(kāi)發(fā)力度的加大，淺層易開(kāi)發(fā)資源日益枯竭，勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域逐漸向深井、超深井延伸，鉆頭遇到花崗巖、硬砂巖、礫巖等超硬巖層的幾率也逐漸增大，PDC鉆頭在破碎超硬巖層時(shí)，對(duì)比常規(guī)牙輪鉆頭、金剛石鉆頭，在鉆進(jìn)速度、鉆頭壽命、作業(yè)成本等方面更具優(yōu)勢(shì)，因此PDC鉆頭在超深復(fù)雜地質(zhì)井中得到廣泛應(yīng)用[1]。PDC鉆頭在破碎超硬巖層時(shí)，易出現(xiàn)黏滑現(xiàn)象，對(duì)機(jī)械鉆速、鉆頭壽命影響嚴(yán)重，為消除黏滑振動(dòng)，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量研究，其中扭力沖擊器+PDC鉆頭作業(yè)模式可明顯減緩或消除該問(wèn)題[2]。目前，國(guó)內(nèi)外已有多家機(jī)構(gòu)推出該類型工具，并在各大油田超硬地層中得以應(yīng)用，在延長(zhǎng)鉆頭壽命、提高機(jī)械鉆速等方面有一定成果，但也存在一些問(wèn)題，本文梳理國(guó)內(nèi)外扭力沖擊器研究情況，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，給出該類工具的發(fā)展建議。

1 PDC鉆頭黏滑振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理

PDC鉆頭在破碎巖石過(guò)程中，與鉆柱系統(tǒng)、巖石特性有著密切關(guān)系，在理想狀態(tài)下，鉆頭與鉆具以相同速度轉(zhuǎn)動(dòng)，PDC齒連續(xù)剪切巖石，實(shí)際上，在超硬地層鉆柱傳遞給鉆頭的轉(zhuǎn)矩不足以使PDC齒切削巖石時(shí)，鉆頭不再與鉆具同速轉(zhuǎn)動(dòng)，處于黏滯狀態(tài)，鉆機(jī)持續(xù)提供轉(zhuǎn)矩，當(dāng)鉆柱中儲(chǔ)存的能量足以剪切巖石時(shí)，鉆頭繞軸變速轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆頭處于滑脫狀態(tài)[3]。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

為提高超硬地層破巖速度，延長(zhǎng)鉆頭壽命，減少起下鉆時(shí)間，國(guó)內(nèi)外已就扭力沖擊器進(jìn)行了大量研究與試驗(yàn)。其中包括Ulterra研發(fā)的TorkBuster液壓式扭力發(fā)生器和渦輪式扭力發(fā)生器、Halliburton公司研發(fā)的旋轉(zhuǎn)沖擊裝置。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)扭力沖擊器的研究起步相對(duì)較晚，其中以中石化勝利鉆井研究院聯(lián)合中國(guó)石油大學(xué)（華東）研制的SLTIDT型扭沖工具[4]、中國(guó)石油大學(xué)（北京）研制的復(fù)合沖擊鉆具[5]較為典型。

2.1 渦輪式扭力發(fā)生器

Ulterra研發(fā)的渦輪式扭力沖擊器在作業(yè)時(shí)，泥漿經(jīng)過(guò)濾分流器，驅(qū)動(dòng)上下渦輪動(dòng)力機(jī)構(gòu)，從而使非平衡動(dòng)力機(jī)構(gòu)高速運(yùn)動(dòng)，再由動(dòng)力軸將非平衡動(dòng)力機(jī)構(gòu)上聚集的動(dòng)能傳遞給沖擊器牙嵌結(jié)構(gòu)，牙嵌結(jié)構(gòu)將均勻、高頻扭擊傳遞給鉆頭，實(shí)現(xiàn)扭力沖擊鉆井。該扭力沖擊器可通過(guò)調(diào)整非平衡動(dòng)力機(jī)構(gòu)質(zhì)量，調(diào)節(jié)輸出的高頻扭擊力，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示[6]。

圖1 渦輪式扭力沖擊器結(jié)構(gòu)

2.2 TorkBuster液壓式扭力發(fā)生器

Ulterra研發(fā)的TorkBuster液壓式扭力發(fā)生器，通過(guò)可調(diào)流量噴嘴（節(jié)流機(jī)構(gòu)）產(chǎn)生壓耗，泥漿進(jìn)入換向腔中，使沖擊機(jī)構(gòu)內(nèi)部高低壓腔交替進(jìn)行，沖擊錘高頻、均勻、穩(wěn)定撞擊沖擊面，沖擊面將沖擊力傳遞到牙嵌結(jié)構(gòu)上，牙嵌結(jié)構(gòu)與鉆頭相連，從而在鉆頭上形成高頻扭轉(zhuǎn)沖擊，結(jié)構(gòu)形式如圖2所示[7]。

圖2 TorkBuster液壓式扭力發(fā)生器結(jié)構(gòu)

2.3 旋轉(zhuǎn)沖擊裝置

Halliburton旋沖裝置由砧座、葉輪、沖擊塊和渦輪頭等零部件構(gòu)成。在正常鉆進(jìn)時(shí)，砧座與葉輪之間的縫隙很大，泥漿可全部由中心孔流走；當(dāng)出現(xiàn)鉆頭遇阻時(shí)，砧座與葉輪之間的縫隙迅速減小，泥漿流入渦輪頭，沖擊機(jī)構(gòu)會(huì)高速往復(fù)旋轉(zhuǎn)，沖擊砧座，砧座將高頻轉(zhuǎn)矩傳遞到鉆頭上，結(jié)構(gòu)形式如圖3所示[8]。由于旋沖裝置的沖擊機(jī)構(gòu)為分體，無(wú)法保證同步旋轉(zhuǎn)沖擊，輸出的沖擊波可能存在紊亂現(xiàn)象，導(dǎo)致機(jī)械鉆速降低，因此Halliburton旋沖裝置未能規(guī)模性應(yīng)用。

圖3 旋轉(zhuǎn)沖擊裝置結(jié)構(gòu)

2.4 SLTIDT型扭沖工具

勝利鉆井院聯(lián)合中國(guó)石油大學(xué)（華東）研制的SLTIDT型扭沖工具，鉆鋌短節(jié)與鉆具組合中的鉆鋌連接，鉆頭座與鉆頭直接連接。泥漿流經(jīng)噴嘴時(shí)，會(huì)截留部分泥漿進(jìn)入扭沖工具內(nèi)部沖擊錘與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中，泥漿推動(dòng)沖擊錘敲擊鉆頭座，由此傳遞給鉆頭，完成一次扭擊；換向機(jī)構(gòu)在泥漿的推動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)換向，泥漿再推動(dòng)沖擊錘反向敲擊鉆頭座，再完成一次反向扭擊。PDC鉆頭在接收鉆柱傳遞轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，可接收來(lái)自扭沖12～40 Hz的周向沖擊能量[9]。

2.5 復(fù)合沖擊鉆具

中國(guó)石油大學(xué)（北京）研制的復(fù)合沖擊鉆具，泥漿在流經(jīng)噴嘴時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓耗，有一部分泥漿通過(guò)換向軸進(jìn)入徑向扭擊腔和軸向振擊腔。其中徑向扭擊腔與SLTIDT型扭沖工具工作原理相同，通過(guò)流道變化，可以輸出徑向扭擊，軸向振擊腔在換向軸的往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)中，高低壓腔輪流切換，軸向沖擊錘上下錘擊工具本體，再傳遞到鉆頭座上，復(fù)合沖擊鉆具的軸向沖擊由軸向沖錘的軸向運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，往復(fù)扭轉(zhuǎn)沖擊由擺錘的周向往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)形式如圖4所示[10]。

圖4 復(fù)合沖擊鉆具結(jié)構(gòu)

3 問(wèn)題探討與發(fā)展建議

Ulterra研發(fā)的渦輪式扭力沖擊器采用多渦輪部件，如果泥漿質(zhì)量不佳，渦輪部件極易被大顆粒固相卡轉(zhuǎn)、堵塞，導(dǎo)致工具失效。由于渦輪高轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)，需要采用減速器機(jī)構(gòu)或中心管泄流部分泥漿的方式降低轉(zhuǎn)速，因此還存在輸出頻率高、單次輸出能量小的問(wèn)題。

TorkBuster扭力沖擊器+PDC鉆頭在元壩氣田、塔河油田、玉門油田、新疆油田等地區(qū)成功應(yīng)用，機(jī)械鉆速提高率普遍大于50%，應(yīng)用效果比較明顯，如表1所示。但也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，以新疆油田環(huán)瑪湖地區(qū)為例，在泥巖地層時(shí)，鉆頭易產(chǎn)生泥包和發(fā)生崩齒，如圖5、圖6所示[11-15]。

圖5 PDC 鉆頭泥包

圖6 PDC 鉆頭崩齒

表1 TorkBuster扭力沖擊器應(yīng)用情況

旋轉(zhuǎn)沖擊裝置沖擊機(jī)構(gòu)為分體，在理想狀態(tài)下，分體結(jié)構(gòu)可周期性輸出能量，但實(shí)際中，由于鉆壓與鉆速、泥漿排量等參數(shù)的不確定性，因此旋轉(zhuǎn)沖擊裝置極易出現(xiàn)紊亂問(wèn)題。

SLTIDT扭沖與TorkBuster扭力沖擊器工作原理相同，但結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、成本更低、井下適用性也較好，目前已經(jīng)在新疆油田、勝利油田成功應(yīng)用，對(duì)延長(zhǎng)鉆頭壽命、減少起下鉆時(shí)間等方面有明顯提升。由于只能提供徑向扭擊，因此在提高機(jī)械鉆速方面有待于進(jìn)一步提升。

復(fù)合沖擊鉆具是SLTIDT扭沖的改進(jìn)型，在提供徑向扭轉(zhuǎn)沖擊的基礎(chǔ)上，提供軸向高頻振蕩，在葡4-32井試驗(yàn)，總進(jìn)尺為539.00 m，機(jī)械鉆速為8.42 m/h，而鄰井相同層位，機(jī)械鉆速為5.25 m/h，速度提高60.2%[10]。

4 結(jié)語(yǔ)

1）經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外大量作業(yè)實(shí)例證實(shí)，扭力沖擊器在消除鉆頭黏滑振動(dòng)、提高機(jī)械鉆速、延長(zhǎng)鉆頭壽命和減少起下鉆方面應(yīng)用效果明顯，但目前大部分扭力沖擊器只能提供純扭轉(zhuǎn)沖擊，性能仍有很大提升空間，未來(lái)可融合和借鑒軸向振擊、水力振蕩和水力脈沖等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)提升工具性能的目標(biāo)。

2）隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)向深井、超深井等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造領(lǐng)域延伸，扭力沖擊器也將圍繞著簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、提高可靠性、擴(kuò)大適用范圍等方面進(jìn)行，扭力沖擊器+PDC鉆頭模式可能成為未來(lái)鉆井技術(shù)的新標(biāo)配。