柳貢慧，李玉梅，李　軍，查春青，張　濤，霍明明

(1.中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102249；2.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124；3.北京信息科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100192；4.新疆石油工程建設(shè)有限責(zé)任公司，新疆克拉瑪依 834000)

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復(fù)合沖擊破巖鉆井新技術(shù)

柳貢慧1,2，李玉梅1，李軍1，查春青1，張濤3，霍明明4

(1.中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102249；2.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124；3.北京信息科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100192；4.新疆石油工程建設(shè)有限責(zé)任公司，新疆克拉瑪依 834000)

針對傳統(tǒng)旋沖鉆井和扭沖鉆井在鉆頭的匹配性及地層的適應(yīng)性方面存在的局限性，結(jié)合高效鉆井技術(shù)發(fā)展趨勢，提出了復(fù)合沖擊破巖鉆井新技術(shù)，并開發(fā)了可實(shí)現(xiàn)扭向反轉(zhuǎn)沖擊聯(lián)合軸向脈動(dòng)沖擊的新型復(fù)合沖擊鉆具。該鉆具可將流體的液壓能轉(zhuǎn)換成工具扭向和軸向交替的高頻沖擊機(jī)械能并直接傳遞給鉆頭，給鉆頭施加周期性的低幅高頻復(fù)合式?jīng)_擊，在不需要改變?nèi)魏卧O(shè)備的前提下提高破巖效率。在介紹復(fù)合沖擊破巖鉆井新技術(shù)破巖原理的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了復(fù)合沖擊鉆具的結(jié)構(gòu)和工作原理、影響破巖效率的關(guān)鍵參數(shù)等。新型復(fù)合沖擊破巖鉆井新技術(shù)，可真正實(shí)現(xiàn)“立體破巖”，從而提高機(jī)械鉆速和井身質(zhì)量。

黏滑振動(dòng)；旋沖鉆井；扭沖鉆井；立體破巖；鉆井工具；機(jī)械鉆速

隨著油氣資源勘探開發(fā)的不斷深入，深井、超深井越來越多，鉆遇“三高地層”(巖石硬度高、巖石可鉆性級值高、巖石研磨性高)的可能性越來越大，這嚴(yán)重影響了深部硬地層的機(jī)械鉆速和勘探開發(fā)成本[1-7]。針對硬地層鉆進(jìn)過程中機(jī)械鉆速低、鉆頭因黏滑振動(dòng)失效快、鉆井成本高等問題，亟待研制開發(fā)一種新型破巖工具來提高高硬度和高研磨性地層的機(jī)械鉆速。

沖擊鉆井技術(shù)的設(shè)想最初源于歐洲，沖擊回轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用距今已有上百年的歷史[8-9]。1958年，我國開始旋沖鉆井技術(shù)研究與試驗(yàn)，至今該技術(shù)已日趨成熟，并獲得較好的應(yīng)用效果。2000年以來，國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)大力開展了扭力沖擊鉆井技術(shù)研究，其中最具有代表性的鉆井工具是加拿大United Diamond公司和Ulterra公司合作研發(fā)的TorkBuster扭力沖擊器；國內(nèi)勝利石油管理局鉆井工藝研究院研制了SLTIDT型扭沖鉆具，并以該工具為基礎(chǔ)研究了一種機(jī)械剪切、水力和扭轉(zhuǎn)沖擊3種破巖方式共同作用的沖擊鉆井技術(shù)[10]；另外，西南石油大學(xué)也研制了一種扭沖鉆具，它主要是通過傳動(dòng)軸將渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給棘輪機(jī)構(gòu)，隨后棘輪機(jī)構(gòu)的撞擊砧塊不斷撞擊承撞砧塊，從而形成脈沖扭矩[11]。

傳統(tǒng)的旋沖鉆井技術(shù)和扭沖鉆井技術(shù)，無論是與鉆頭的匹配性還是對地層的適應(yīng)性，均具有一定的局限。旋沖鉆井產(chǎn)生的軸向沖擊功相對較小，沖擊頻率過大也會影響沖擊器的壽命，在鉆井提速方面并無太大優(yōu)勢[12]。扭沖鉆井雖然在周向上剪切破巖效率較高，但當(dāng)鉆遇中硬及高研磨性地層時(shí)，又對鉆頭與沖擊器的匹配性提出了較高要求[13]。為了發(fā)揮這兩種傳統(tǒng)沖擊破巖技術(shù)的優(yōu)勢，并彌補(bǔ)其不足，針對軟硬交錯(cuò)及非均質(zhì)性地層，筆者提出一種復(fù)合沖擊破巖鉆井新技術(shù)，研制了一套復(fù)合沖擊鉆具，并對影響其破巖效率的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了研究，以期真正實(shí)現(xiàn)三維“立體破巖”，從而提高復(fù)雜地層的機(jī)械鉆速和井身質(zhì)量。

1　復(fù)合沖擊破巖鉆井新技術(shù)基本原理

1.1技術(shù)思路

復(fù)合沖擊破巖鉆井新技術(shù)的基本思路，就是將軸向脈動(dòng)沖擊與扭向反轉(zhuǎn)沖擊破巖方式聯(lián)合起來，將流體能量轉(zhuǎn)換成扭向和軸向交替的高頻沖擊機(jī)械能。扭向沖擊可使鉆桿的旋轉(zhuǎn)破巖能量均勻傳遞到鉆頭上而不是積累在鉆桿上，消除或降低黏滑效應(yīng)；軸向沖擊可使鉆頭獲得更高的軸向破巖能量，從而使鉆頭具有三維“立體破巖”效果。簡言之，復(fù)合沖擊“立體破巖”的實(shí)質(zhì)就是復(fù)合沖擊鉆具通過其有序的軸向和扭向振動(dòng)，合理控制并分配聚集在鉆柱上的能量，提供改變鉆頭破巖方式的動(dòng)力，使整個(gè)鉆柱的扭矩保持穩(wěn)定和平衡，提高破巖效率和機(jī)械鉆速。

為了實(shí)現(xiàn)復(fù)合沖擊破巖的目的，需要研制復(fù)合沖擊鉆具。復(fù)合沖擊鉆具需要安裝在近鉆頭處，以鉆井液為驅(qū)動(dòng)介質(zhì)將沖擊功均勻連續(xù)地傳遞給鉆頭，給鉆頭提供額外的破巖能量，使鉆頭持續(xù)穩(wěn)定地切削巖石，起到輔助破巖的效果，同時(shí)降低鉆柱和井壁之間的摩阻。另外，復(fù)合沖擊鉆井新技術(shù)可滿足不同特性地層高效破巖的需求，將大幅度提高軟硬交錯(cuò)及非均質(zhì)性嚴(yán)重地層的機(jī)械鉆速，大幅減小或消除鉆頭的黏滑振動(dòng)，在保證井身質(zhì)量的同時(shí)大幅提高機(jī)械鉆速。

1.2破巖機(jī)理

1) 釋放上部鉆柱能量。鉆柱的振動(dòng)形式比較復(fù)雜，主要有軸向振動(dòng)、徑向振動(dòng)、扭向振動(dòng)等3種形式[14-15]，如圖1所示。鉆柱與井壁、鉆頭與巖石之間的非線性接觸會引起鉆柱發(fā)生黏滑振動(dòng)，從而引起鉆柱間歇性的高速運(yùn)動(dòng)和黏滯靜止的周期性運(yùn)動(dòng)[16]，這樣會引發(fā)鉆頭和鉆柱的周期性應(yīng)力與應(yīng)變波動(dòng)，從而造成鉆柱和井下工具過早疲勞失效。當(dāng)鉆頭處于黏滯狀態(tài)停止轉(zhuǎn)動(dòng)而鉆柱由于轉(zhuǎn)盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)所積蓄的能量達(dá)到足以破碎巖石時(shí)，鉆頭滑脫或跳鉆[17-18]。當(dāng)發(fā)生滑脫運(yùn)動(dòng)時(shí)，鉆柱內(nèi)積蓄的能量瞬間釋放，鉆頭在相反方向突然加速或減速，造成鉆頭角速度瞬間增大，鉆頭因受較大沖擊力，過早失效。

圖1　鉆柱的振動(dòng)形式Fig.1　Vibration mode of the drill string

為了減輕鉆頭的黏滑振動(dòng)并實(shí)現(xiàn)鉆柱振動(dòng)的有效控制和利用，筆者設(shè)計(jì)在鉆柱上增加一個(gè)工具短節(jié)實(shí)現(xiàn)對軸向振動(dòng)的主動(dòng)控制。但問題的關(guān)鍵是，以何種方式釋放鉆柱上聚集的所有能量(包括由轉(zhuǎn)盤提供的扭轉(zhuǎn)動(dòng)力、鉆壓-鉆柱動(dòng)力、水動(dòng)力等)，釋放多少能量才足以消除黏滑效應(yīng)。復(fù)合沖擊鉆具作為主動(dòng)控制裝備安裝在鉆頭上部，主要作用就是通過其有序的橫向、縱向以及扭向振動(dòng)合理控制聚集在鉆柱上的能量。其中，扭向沖擊模塊的功能是將聚集在鉆柱上的扭向沖擊功轉(zhuǎn)變?yōu)楦淖冦@頭牙齒破巖方式的動(dòng)力，而軸向沖擊模塊的功能是將通過水動(dòng)力提供的軸向往復(fù)沖擊功轉(zhuǎn)變?yōu)楦淖冦@頭牙齒上下沖擊破巖方式的動(dòng)力。這種工作方式的實(shí)質(zhì)就是使整個(gè)鉆柱的扭矩保持穩(wěn)定和平衡，提高鉆頭的破巖效率。

2) 井底鉆頭-地層作用。對于“三高地層”，由于鉆頭吃入巖石的深度有限，使高轉(zhuǎn)速下磨蝕巖石的能力受到限制。如果鉆進(jìn)硬地層期間，既有縱向上的沖擊破巖降低巖石強(qiáng)度，又有橫向的回轉(zhuǎn)力剪切破巖，就能獲得更高效的“立體破巖”效果。圖2所示為井底巖石連續(xù)破碎過程，在復(fù)合沖擊旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，一個(gè)牙齒壓入巖石后，會沿井底平面圓周完成連續(xù)的高頻移動(dòng)沖擊，且在一定靜壓力作用下，以應(yīng)力波形式傳遞的沖擊力能有效作用到巖石上[19]。鉆頭牙齒在井壁分布的沖擊點(diǎn)密度較大，巖石產(chǎn)生形變所需時(shí)間縮短，被沖擊點(diǎn)還來不及對沖擊能量進(jìn)行重新分配，井底巖石應(yīng)力就迅速接近或超過巖石強(qiáng)度極限，使巖石脆性增加，塑性下降，從而產(chǎn)生體積破碎。

圖2　連續(xù)沖擊破巖過程Fig.2　Continuous percussive rock breaking process

復(fù)合沖擊鉆進(jìn)時(shí)鉆頭破碎巖石的過程具有軸向沖擊和旋轉(zhuǎn)切削兩種特性。井底巖石首先在軸向沖擊力作用下形成破碎坑，比較相鄰沖擊點(diǎn)的距離(即沖擊間距)與巖石破碎坑大小，研究沖擊頻率對連續(xù)破巖的作用。如圖3所示，鉆頭的沖擊頻率對鉆頭切削齒的沖擊間距有一定影響[20]，當(dāng)沖擊頻率較小時(shí)，沖擊間距大于巖石破碎坑的大小(d>d0)，破碎坑相互分隔，不能形成連續(xù)的裂紋，如圖3(a)所示；當(dāng)沖擊頻率處于臨界狀態(tài)，沖擊破碎坑正好相連(d=d0)，此時(shí)的沖擊能量利用率最高，臨界狀態(tài)時(shí)的沖擊頻率才是回轉(zhuǎn)沖擊切削巖石的合理沖擊頻率，如圖3(b)所示；沖擊頻率較大時(shí)，沖擊間距小于巖石破碎坑的大小(d

圖3　沖擊頻率對沖擊破巖的影響Fig.3　Effect of the percussion frequency on rock breaking

2　復(fù)合沖擊鉆具的結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1基本結(jié)構(gòu)

復(fù)合沖擊鉆具主要由軸向脈動(dòng)沖擊和扭向反轉(zhuǎn)沖擊兩個(gè)模塊組成，其最大的特點(diǎn)就是能充分的將兩種沖擊方式有效結(jié)合，并可保證各個(gè)傳遞部件往復(fù)同步傳遞。圖4為復(fù)合沖擊鉆具基本結(jié)構(gòu)，主要由渦輪節(jié)總成、扭向沖擊錘、軸向沖擊錘、鉆頭座等部件組成。另外，鉆鋌短節(jié)接上部連接鉆鋌，其余部件封閉在殼體內(nèi)部。

圖4　復(fù)合沖擊鉆具總體結(jié)構(gòu)Fig.4　Overall structure of the composite percussion drilling tool

2.2工作原理

為了使軸向脈動(dòng)沖擊和扭向反轉(zhuǎn)沖擊兩個(gè)模塊有效地配合工作，利用鉆時(shí)錄井方法并結(jié)合鄰井錄井資料、測井資料、區(qū)塊有關(guān)地質(zhì)預(yù)測資料等，獲得地層巖性特點(diǎn)從而判斷地層巖石的軟硬強(qiáng)度，對比地層巖性隨鉆時(shí)的動(dòng)態(tài)變化，綜合有效信息實(shí)時(shí)判斷并啟動(dòng)復(fù)合沖擊鉆具的軸向脈動(dòng)沖擊模塊或是扭向反轉(zhuǎn)沖擊模塊。當(dāng)鉆遇中硬以上及高研磨性地層時(shí)，啟動(dòng)復(fù)合沖擊鉆具的軸向脈動(dòng)沖擊模塊；當(dāng)鉆遇軟到中硬、比較均質(zhì)的地層時(shí)，啟動(dòng)復(fù)合沖擊鉆具的扭向反轉(zhuǎn)沖擊模塊，即實(shí)現(xiàn)PDC鉆頭扭轉(zhuǎn)切削功能。

在不影響正常鉆進(jìn)的情況下，將復(fù)合沖擊鉆具安裝在 PDC 鉆頭上面，利用部分鉆井液帶動(dòng)渦輪葉片旋轉(zhuǎn)，提供控制旋轉(zhuǎn)閥等導(dǎo)向機(jī)構(gòu)開啟的能量，鉆井液通過流量分配器進(jìn)入扭沖模塊并利用這部分能量通過換向機(jī)構(gòu)形成相互隔離的鉆井液流道，最后形成內(nèi)外高低壓腔體，驅(qū)動(dòng)扭向反轉(zhuǎn)沖擊模塊內(nèi)部沖擊錘做反復(fù)的扭轉(zhuǎn)沖擊(如圖5所示)，將部分流體能量轉(zhuǎn)換成一定頻率、周向扭轉(zhuǎn)、沖擊型的機(jī)械能。隨著鉆井液的下行，依靠泵入的高壓流體，打開軸向脈動(dòng)沖擊模塊導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的流道。復(fù)合沖擊鉆具運(yùn)動(dòng)方式如圖6所示：當(dāng)換向器處在1位時(shí)，工具中的流體流動(dòng)方向如紅線所示，周向沖錘右擺，軸向沖錘下行，見圖6(a)；當(dāng)換向器處在2位時(shí)，工具中的流體流動(dòng)如黑線所示，周向沖錘左擺，軸向沖錘上行，見圖6(b)。換向器觸發(fā)帶動(dòng)軸向沖錘活塞向下運(yùn)動(dòng)，就這樣完成一次扭向沖擊聯(lián)合軸向沖擊運(yùn)動(dòng)行程，周而復(fù)始，沖擊錘可以連續(xù)完成扭向沖擊和軸向沖擊，使PDC鉆頭接收來自復(fù)合沖擊鉆具的扭向沖擊能量和軸向沖擊能量。那么由該工具產(chǎn)生的扭向和軸向交替變化的機(jī)械沖擊能量，集中均勻地傳送到鉆頭，使鉆頭受到均勻穩(wěn)定的扭向和周向的高頻沖擊力，完全改變了PDC 鉆頭的運(yùn)動(dòng)方式。綜合來講，復(fù)合沖擊鉆具可將流體的液壓能轉(zhuǎn)換成周向和軸向的高頻機(jī)械能，用于給鉆頭施加周期性的低幅高頻扭轉(zhuǎn)沖擊及高效的破巖扭矩，從而大幅減小或消除鉆頭的黏滑振動(dòng)。

圖5　扭向反轉(zhuǎn)沖擊模塊扭轉(zhuǎn)沖擊原理Fig.5　Torsional percussion principle of reversal torsional percussion module

圖6　復(fù)合沖擊鉆具運(yùn)動(dòng)方式Fig.6　Motion pattern of composite percussion drilling tool

2.3影響破巖效率的關(guān)鍵參數(shù)

現(xiàn)場應(yīng)用中，為了提高復(fù)合沖擊鉆具的破巖效果，還需對影響其破巖效率的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行深入研究，并進(jìn)行優(yōu)化。分析認(rèn)為，影響復(fù)合沖擊鉆具破巖效率的關(guān)鍵參數(shù)主要有鉆壓、轉(zhuǎn)速、沖擊頻率、沖擊功、排量等。

1) 鉆壓是影響復(fù)合沖擊鉆具破巖效率的主要參數(shù)。正常鉆進(jìn)時(shí)，鉆壓的作用主要表現(xiàn)為將鉆頭壓持在井底，使鉆頭牙齒與地層保持緊密接觸，減少鉆頭齒與地層巖石間沖擊功的傳遞損失。沖擊鉆井中，鉆壓的作用主要表現(xiàn)在可以提高沖擊作用力的峰值。在沖擊作用力衰減過程中，仍可使鉆頭齒對地層巖石的作用力達(dá)到一定值而破碎巖石；在沖擊作用力消失后，仍可使地層巖石產(chǎn)生未形成巖屑的破裂。

2) 轉(zhuǎn)速和沖擊頻率存在一定的匹配關(guān)系。地層的巖性不同，轉(zhuǎn)速和沖擊頻率的匹配關(guān)系也不同。頻率高而轉(zhuǎn)速低，巖石重復(fù)破碎；頻率低而轉(zhuǎn)速高，又會造成兩次沖擊坑穴間脊部巖石寬度增加，不能產(chǎn)生足夠的“體積破碎”。因此，轉(zhuǎn)速和沖擊頻率的匹配是否合理會影響破巖效果。

3) 沖擊功是決定復(fù)合沖擊鉆具破巖效率的主要參數(shù)。目前，研究沖擊功對破巖效率影響的方式主要是室內(nèi)試驗(yàn)。在沖擊功較低時(shí)，破碎比功隨著沖擊功增大而降低，且降低的速度較快，破巖效率提高較快；隨著沖擊功進(jìn)一步增大，破碎比功的降低速度和破巖效率的提高速度減緩；當(dāng)沖擊功增加到一定值時(shí)，破碎比功接近于恒定值，破巖效率保持穩(wěn)定。

4) 排量是影響復(fù)合沖擊鉆具破巖效率的重要參數(shù)。排量直接影響沖擊功和沖擊頻率，而沖擊功和沖擊頻率是影響破巖效率的關(guān)鍵參數(shù)。沖擊器工作是通過高速流體的能量推動(dòng)沖錘實(shí)現(xiàn)的，因此排量決定著沖擊器的沖擊功和沖擊頻率，可以通過調(diào)節(jié)泵排量間接調(diào)整沖擊頻率和沖擊功，以達(dá)到高效破巖的目的。

3　結(jié)　論

1) 針對傳統(tǒng)的旋沖鉆井和扭沖鉆井存在的局限性，為發(fā)揮兩種鉆井破巖方式的優(yōu)勢，首次提出了適用于軟硬交錯(cuò)及非均質(zhì)性嚴(yán)重地層的復(fù)合沖擊破巖鉆井新技術(shù)。

2) 為了控制并合理地利用鉆柱振動(dòng)，有效消除黏滑和跳鉆，在鉆柱軸向上串聯(lián)一個(gè)主動(dòng)控制裝備——復(fù)合沖擊鉆具，將軸向沖擊和扭向沖擊兩種破巖方式有效結(jié)合起來，保證各個(gè)傳遞部件往復(fù)同步傳遞，實(shí)現(xiàn)三維“立體破巖”，從而提高機(jī)械鉆速。

3) 理論分析認(rèn)為，復(fù)合沖擊破巖鉆井新技術(shù)可通過控制鉆頭黏滑振動(dòng)提高破巖效率，從而提高軟硬交錯(cuò)及非均質(zhì)地層的機(jī)械鉆速，有望將深井鉆井技術(shù)提高到一個(gè)新的高度。

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[編輯令文學(xué)]

New Technology with Composite Percussion Drilling and Rock Breaking

LIU Gonghui1,2,LI Yumei1,LI Jun1,ZHA Chunqing1,ZHANG Tao3,HUO Mingming4

(1.CollegeofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing,102249; 2.BeijingUniversityofTechnology,Beijing，100124; 3.Schoolofinformation&CommunicationEngineering,BeijingInformationScience&TechnologyUniversity,Beijing,100192; 4.XinjiangPetroleumEngineeringConstructionCo.,Ltd.,Karamay，Xinjiang，834000，China)

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

stick-slip vibration; rotary percussion drilling; torsional percussion drilling; three-dimensional rock breaking; drilling tool; penetration rate

2016-01-12；改回日期：2016-05-29。

柳貢慧(1963-)，男，山東黃縣人，1984年畢業(yè)于阜新礦業(yè)學(xué)院露天開采專業(yè)，1992年獲中國礦業(yè)大學(xué)北京研究生部機(jī)械專業(yè)博士學(xué)位，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事動(dòng)力沖擊鉆井技術(shù)、井下過程控制與測量、氣體鉆井等方面的研究工作。E-mail：lgh_1029@163.com。

國家自然科學(xué)基金“控壓鉆井測控理論及關(guān)鍵問題研究”(編號：51334003)、中國石油天然氣集團(tuán)公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目“高研磨地層破巖新技術(shù)研究”(編號：2014A-4211)聯(lián)合資助。

?鉆井完井?doi:10.11911/syztjs.201605002

TE248

A

1001-0890(2016)05-0010-06