复合冲击钻井立体破岩技术新概念

复合冲击钻井立体破岩技术新概念

柳贡慧

1,2

，李军，李玉梅，查春青，连威，杨宏伟

１１１１１

(1.中国石油大学石油与天然气国家重点实验室，北京102249；2.北京工业大学，北京100192）

摘要：针对软硬交错及非均质性地层钻进中机械钻速低，钻头粘滑振动失效快，钻井成本高等问题，亟待寻找一种具有高效破岩能力的新型破岩利器。本文综述了旋冲钻井技术和扭冲钻井技术各自的优势，并结合高效破岩前沿钻井技术的发展趋势，首次提出复合冲击钻井破岩技术新概念，并相应开发出一套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、高频的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实现真正的“立体破岩”。同时，阐述了复合冲击钻具的工作原理、破岩机理以及影响复合冲击钻具破岩效率的关键性能参数。新型复合冲击钻井技术理念在国内外尚属空白，这项全新的破岩技术的实现有助于把深井钻井技术提高到一个新高度，使液动冲击钻井技术再次成为关注的焦点。

关键词：非均质地层；粘滑振动；复合冲击；立体破岩；机械钻速

中图分类号:TE 243 文献标识码：A

New Concept of Compound Percussion Drilling Technology for Rock Breaking

Liu Gonghui1,2 ,Li Jun1,Li Yumei1,Zha Chunqing1, Lian Wei1, Yang Hongwei1

(1.Petroleum Engineering College，China University of Petroleum，Beijing 102249，China; 2.Beijing University of Technology，Beijing 100192，China)

Abstract: Direct against the low drilling rate,easy failure of stick-slip vibration of the bit and high drilling costs in hard and soft staggered and heterogeneity formation,it is urge to invent a effective tool for rock breaking.This paper reviews the advantages of rotary percussion drilling technology and torsional impact drilling technology, combining with the growing forefront trend of high efficiency rock breaking drilling technology, firstly puts forward the new concept of compound percussion drilling technology,and invent a set of equipment which can reverse the torque and alliance axial impulse percussion. The unit can transform the hydraulic energy into mechanical energy which is high frequency and rotary and axial staggered,and the mechanical energy is directly applied on the bit as well. The bit is exerted with periodic high frequency-low amplitude “compound” percussion,the real “volumetric rock breaking” can be brought out without changing any equipment.At the same time,we have stated the working principle, rock breaking mechanism and the key parameters of the compound percussion units. The concept of new compound percussion drilling technology is still blank at home and aboard,this new rock breaking technology is helpful to lift the deep drilling technology up to a new level,we believe that hydraulic energy percussion technology will become a central point again.

基金项目：中石油集团公司科学研究与技术开发项目“高研磨地层破岩新技术研究”（编号：2014A-4211）、国家自然科学基金“控压钻井测控理论及关键问题研究”（编号：51334003）。

作者简介：柳贡慧，男，1963 年生。中国石油大学（北京）教授，博士生导师。主要研究方向为复合冲击钻井技术、井下过程控制与测量、气体钻井等。电话：010-89731225。E-mail：lgh_1029@163.com。

Keywords:heterogeneity formation;stick-slip vibration;compound percussion; three-dimensional rock breaking;penetration rate

1.前言

随着世界经济发展对油气资源需求的不断增长，勘探开发范围逐渐向复杂储层迈进,深井超深井勘探开发的比例逐步增加，钻遇复杂性“三高地层”（岩石硬度高、岩石可钻性级值高、岩石研磨性高）越来越多，严重影响了深部硬地层机械钻速和勘探开发成本[1-2]。如何提高坚硬、研磨性强地层机械钻速，是困扰石油钻井界多年的一项难题[3]。。针对硬地层钻进过程中机械钻速低，钻头粘滑振动失效快，钻井成本高等问题，亟待寻找一种具有生命力的新型破岩利器来提高坚硬、研磨性强地层的机械钻速。

对于传统的旋冲钻井技术和扭冲钻井技术，无论是对地层的适应性还是冲击器对钻头的匹配性，均存在一定的局限性[4]。。为了发挥两种冲击破岩方式各自的优势，针对软硬交错及非均质性地层，首次提出一种适合我国钻井环境的新型复合冲击钻井破岩技术，并相应开发出一套复合冲击钻具，该钻具结合轴向脉动冲击与扭向反转冲击破岩方式，在不需要改变任何设备的前提下实现高效破岩的石油钻井，可实现真正的“立体破岩”。本研究的开展对不同地质特性岩层实施高效的“立体破岩”、“针对性破岩”，将大幅度地提高软硬交错及非均质性复杂地层的机械钻速，大幅减小或消除钻头的粘滑振动，在保证井身质量的同时提高机械钻速。

2.

3. 新型复合冲击钻井技术

2000年之前，旋冲钻井技术应用比较广泛。2000年以来，相关研究机构大力开展了扭力冲击钻井技术的研究，并进行了现场应用，由于其提高钻速效果显著，已受到国内外钻井专家的密切关注。但是，对于传统的旋冲钻井技术，无论是对中软或非均质地层的适应性还是对冲击器本身，均存在一定的局限性。旋冲钻井与扭冲钻井相比，在钻井提速方面并无优势。扭冲钻井虽然在周向剪切破岩效率高，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的要求。

为了发挥两种冲击破岩方式各自的优势，弥补不足，针对软硬交错及非均质性地层首次提出新型复合扭冲钻具（轴向脉动冲击联合扭向反转冲击）这一可真正实现“立体破岩”方式的技术理念。该复合型钻头结合轴向脉动冲击和扭向反复冲击方式联合破岩，可实现牙轮钻头轴向冲击联合PDC钻头扭向冲击的特点，将轴向冲击模块与扭向冲击模块组合实现有效的“立体破岩”，大幅度提高钻井速度。当钻遇中硬以上及高研磨性地层时，启动钻头的轴向脉动冲击模块。当钻遇软到中硬、比较均质的地层时，启动钻头的扭向回转冲击模块，即实现PDC钻头扭转切削功能。

新型复合冲击钻井技术，简言之就是指复合冲击短节将流体的能量转换成工具的扭向和轴向交替的、高频的冲击机械能，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中，大大消除或降低“粘滑”效应。轴向冲击则附加给钻头更高的轴向破岩能量，从而使钻头具有“立体破岩”效果，提高破岩效率，提高机械钻速。

3.1 复合冲击钻具结构和工作原理

新型复合冲击钻具主要由轴向脉动冲击和扭向反转冲击两个模块组成，其最大的特点就是充分将两种冲击方式有效地结合，并可保证各个传递部件往复同步传递。如图2所示为复合冲击钻具总体结构，主要由涡轮节总成、扭向冲击锤、导向机构、轴向冲击锤、钻头座等部件组成。钻铤短节接上部连接钻铤，钻头座连接PDC钻头，其余部件封闭在壳体内部。

图2复合冲击钻具总体结构

岩石的可钻性差、摩阻扭矩高等特点导致PDC 钻头黏滑现象严重，无法有效吃入地层，破岩效率低。当钻遇中硬以上及高研磨性地层时，启动钻头的轴向脉动冲击模块。当钻遇软到中硬、比较均质的地层时，启动钻头的扭向回转冲击模块，即实现PDC钻头扭转切削功能。

主要工作原理：复合冲击钻具安装在 PDC 钻头上面，在不影响正常钻进的情况下，利用部分钻井液带动涡轮叶片旋转，提供控制旋转阀等导向机构开启的导通能量，钻井液通过流量分配器进入扭冲模块并利用这部分巨大能量通过换向机构形成相互隔离的钻井液流道，最后形成内外高低压腔体，驱动扭向冲击模块内部冲击锤在图3 所示的位置a、b做反复的扭转冲击，将部分流体能量转换成一定频率、周向扭转、冲击型的机械能。随着钻井液的下行，依靠泵入的高压流体，打开轴向冲击模块的导向机构流道，换向器触发带动轴向冲锤活塞向下运动，就这样完成一次扭向冲击联合轴向冲击运动行程。就这样周而复始，冲击锤能够连续完成圆周反复扭转冲击和轴向冲击，使PDC钻头在接收转盘或顶驱传递扭矩的同时，接收来自复合冲击短节的周向冲击能量和轴向冲击能量。那么由这种冲击短节产生的扭向和轴向交替变化的机械冲击能量，集中均匀地传送到钻头上，使钻头产生均匀稳定的扭向和周向的高频冲击力，完全改变了 PDC 钻头的运动方式。综合来讲，复合冲击钻井工具可将流体的液压能转换成周向和轴向的、高频的机械能，用于给钻头施加周期性的低幅高频扭转冲击。当扭矩与钻柱稳态扭矩相结合时，能对钻头施加高效的破岩扭矩，大幅减小或消除钻头的粘滑振动，提高破岩效率，如图4所示为复合冲击钻具运动方式示意图。

a．正向冲击

图3扭向冲击模块

b．反向冲击

图4复合冲击钻具运动方式

3.2复合冲击钻井立体破岩机理初探

结合新型复合冲击钻具的特点和优势，对于破岩机理的研究需从下述技术问题入手：

1)上部钻柱能量释放。钻柱的振动形式比较复杂，主要有轴向振动、径向振动、扭向振动三种形式，如图5所示钻柱振动示意图。钻柱与井壁、钻头与岩石之间的接触非线性作用会引起钻柱粘滑振动，从而引起钻柱间歇性地高速运动和粘滞静止的周期性运动[11]。。钻柱粘滑会在钻头和钻柱中引发周期性应力与应变波动，从而加快钻柱的疲劳失效并降低钻头的破岩效率。当钻头处于粘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。在滑脱阶段，钻柱内积蓄的能量瞬间释放，钻头在正反方向突然加速或减速，就会造成钻头角速度瞬间增大，对钻头

的冲击力较大，导致钻头失效。

为了解决钻头的粘滑振动效应并实现钻柱振动的有效控制和利用，提出在钻柱轴向上串联一个主动控制，来有效地消除粘滑和跳钻。但问题的关键是，以何种方式释放钻柱中聚集的所有能量（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粘滑效应进行破岩。复合冲击钻具作为主动控制装备安装在钻头上部，主要的作用就是通过其有序的横向、纵向以及扭向振动方式合理控制聚集在钻柱中的能量。其中，钻具上部扭向冲击模块功能实质是将聚集于钻柱中的扭向冲击功转变为改变钻头牙齿破岩方式的动力，而轴向冲击模块功能实质是通过水动力提供的轴向往复冲击功转变为改变钻头牙齿上下冲击破岩方式的动力。这种工作方式的实质就是使整个钻柱的扭矩保持稳定和平衡，使钻头和井底始终保持连续性。

图5钻柱的振动形式

2)下部井底钻头-地层作用。对于“三高”地层（岩石硬度高、可钻性级值高、研磨性高），纵向钻具压力很难使钻头吃入更深的岩石，使得高转速磨蚀岩石能力有限，岩石破碎效率低。如果硬地层钻进期间，既能产生纵向的冲蚀、冲击效果，使岩石强度降低，产生纵向裂缝，又有横向的回转力来剪切破碎岩石，就能起到更高效的立体破岩效果。如图6所示为井底岩石连续破碎过程，在复合冲击器旋转钻进时，一个牙齿压入岩石后，在井底平面内完成连续的高频周向移动冲击，且在一定静压力作用下，以应力波形式传递的冲击力能有效作用到岩石上，冲击点密度较大。这样岩石产生形变所需时间缩短，变形速度增大，被冲击点还来不及对作用力重新分配，应力变化很快接近或超过强度极限，使岩石脆性增加，塑性下降，岩石易产生体积破碎。