液动冲击器发展现状及在油气钻井应用探讨

黄雪琴，孟庆昆，郑晓峰

(中国石油勘探开发研究院，北京 100083)①



液动冲击器发展现状及在油气钻井应用探讨

黄雪琴，孟庆昆，郑晓峰

(中国石油勘探开发研究院，北京 100083)①

液动冲击钻井技术是解决硬地层钻速慢难题的有效方法之一。着重对液动冲击器的类型、工作原理、发展现状及优缺点进行综述，并对其在油气钻井行业的发展方向进行探讨。分析结果表明：正作用式液动冲击器的尺寸小，主要应用于浅地层，技术成熟，在地质矿探工程中应用广泛；双作用式和射流式液动冲击器的尺寸较大，适用于深井，该技术处于试验阶段，未大规模推广应用；反作用式和射吸式液动冲击器在早期有研究，后期研究较少。在油气钻井行业中，液动冲击器发展方向是输出功率高、关键部件制造要求高、对复杂井下条件的柔性适应性要求高，双作用式和射流式液动冲击器在油气钻井行业中具有较好的发展前景。

液动冲击；发展趋势；应用

近年来，随着油气钻井向深部发展，硬地层钻速慢的难题日益突出[1-2]。钻遇硬地层时，传统的牙轮钻头、PDC钻头及喷射钻井的旋转钻井技术，钻井效率低，钻头寿命短，成本高。冲击旋转钻井技术是解决硬地层钻速慢难题的有效方法之一，该技术可分为气动冲击钻井技术和液动冲击钻井技术2种。气动冲击钻井技术利用高压气体作为动力和循环介质，驱动空气锤对钻头施加冲击功，进行冲击钻进[3]。气动冲击钻井技术应用于潮湿和出水地层时，容易造成钻头泥包，无法正常钻进[4]。液动冲击钻井技术利用液体作为动力和循环介质，解决了气动冲击钻井技术在潮湿和出水地层不适用的问题。与传统的旋转切削钻井技术相比，液动冲击钻井技术具有大幅提高硬岩钻进速度、防止井斜、延长钻头寿命等优点[5]。该技术自诞生以来就得到了较好的发展，并应用于矿山、采石、地质勘探、水文水井、石油钻井、地热钻井、工程施工及工程勘察等领域[6]。液动冲击钻井技术的核心工具是液动冲击器，本文将介绍液动冲击器的类型、工作原理、发展现状及优缺点，并对液动冲击器在油气钻井行业中应用的发展方向进行探讨。

1　液动冲击钻井技术

液动冲击钻井技术是在钻头上部安装一个冲击器，在钻进过程中，依靠高压液流驱动冲击器所产生的高频冲击力不断地施加给钻头，以达到破碎坚硬岩石的效果[7]。液动冲击钻井技术与传统旋转钻井技术相比，更好地利用了坚硬岩石脆性大，而抗剪强度较低、不耐冲击的弱点，且在钻进时只需施加较小的钻压来压持钻头，故能有效地解决坚硬岩层和某些复杂岩层钻探过程中钻速慢的问题[8]。

液动冲击钻井技术的核心工具是液动冲击器。目前，国内外液动冲击器的类型有：正作用液动冲击器、反作用液动冲击器、阀式双作用液动冲击器、射流式液动冲击器、射吸式液动冲击器[9]。

2　液动冲击器发展现状

2.1正作用液动冲击器

正作用液动冲击器是利用高压液流的压力升高推动冲锤活塞加速向下运动，产生冲击而做功，同时压缩弹簧，储备能量，一旦工作室压力下降，弹簧便释放弹性能推动冲锤活塞复位。工作原理如下图1所示。

1—外壳；2—活阀座垫圈；3—阀簧；4—活阀； 5—冲锤活塞；6—锤簧；7—铁砧；8—缓冲垫圈。图1　正作用液动冲击器工作原理

正作用液动冲击器是液动冲击器中研究最早、最深入的[10]，在浅层钻孔行业发展成熟，但在油气钻井行业未得到全面应用。前苏联地质部系统推广的液动冲击器主要是正作用式，在矿业钻井行业应用广泛，其主要型号为ΓB-5、ΓB-6、Γ-7、Γ-9，冲击器外径54 ～73 mm，冲击器质量25 ～50 kg。1970—1980年，累计进尺890万m，获得较好的经济效益。1983年，中国地质科学院勘探技术研究所研制的YZ系列正作用液动冲击器，主要应用于岩心钻探领域。在3 500 m钻进试验中，钻速提高20%～40%。采用人造孕镶金刚石钻头在“打滑”地层中钻进时钻速可比回转钻速高数倍。河北地质矿产局综合研究地质大队研制的ZF系列正作用液动冲击器，冲击器外径54 ～56 mm，冲击器质量18 ～20 kg，单次冲击功8～15 J，冲击频率42 ～57 Hz。1983年进尺为4 056 m，平均机械钻速提高46%，回次进尺提高62%。ZG系列液动冲击器是在ZF系列基础上改进的，主要降低单次冲击功，提高冲击频率[11]。

正作用液动冲击器在油气钻井行业未全面应用的原因是：

1)尺寸小，排量小。

2)工作弹簧在高频冲击作用下使用寿命短。

3)对井深适应性敏感，受背压影响明显，适合于1 000 m以浅的钻孔。

4)不正常工作时将截断液流通道，必须提钻检查，不能循环泥浆。

2.2反作用液动冲击器

与正作用冲击器正好相反，反作用液动冲击器将弹簧置于活塞的上部腔室，利用高压液流的压力升高来推动活塞冲锤上升，同时压缩弹簧，储备能量，一旦工作室压力下降，弹簧便释放弹性能推动冲锤活塞加速向下运动，产生冲击而做功。工作原理如下图2所示。

1—工作弹簧；2—外壳；3—活塞；4—钻砧。图2　反作用液动冲击器工作原理

反作用液动冲击器在前苏联浅层钻孔行业有所发展，但应用较少；国内早期对其有所研究，后期研究较少[10]。前苏联研制的ΓBMC-5M型、我国研制的79-3型反作用液动冲击器，结构复杂，易损件较多，其应用报道较少。美国海湾石油公司和壳牌石油公司所用的反作用液动冲击器，主要应用于石油钻井及排除卡钻等，故直径较大，可钻进直径222 mm的井眼；冲锤质量高达300 kg，冲击频率10 Hz。

反作用液动冲击器在油气钻井行业应用的可能性不大，主要原因是：

1)结构复杂。

2)易损件较多。

3)需要刚度较大的弹簧，弹簧制造工艺要求较高，使用寿命短。

2.3阀式双作用液动冲击器

阀式双作用液动冲击器的主要特点是冲锤活塞的工作冲程与反冲程均由液压推动，而不依赖弹簧的作用。利用高压液流在冲锤活塞上、下两端面积不同而产生的压力差，推动冲锤活塞上升，当冲锤活塞上行到与活阀接合时，冲锤活塞中心孔的液流通道被关闭，在液流作用下推动冲锤活塞加速向下运动，产生冲击而做功。

前苏联1960年起研制了一系列阀式双作用液动冲击器，有无簧式以及活阀具有回动弹簧式[10]。尽管也获得了甚至比正作用液动冲击器不差的钻进效果，但是在生产工作中的运用比正作用液动冲击器少得多。美国泛美石油公司研制了一种用于石油钻井的阀式双作用液动冲击器，冲击器外径200 、311 mm，单次冲击功397 J、794 J。曾在15口井的30 ～2 400 m井段做过试验，在石灰岩中钻速提高96%～350%。美国Smith Tool公司与英国、德国合作研制一种阀式无簧式双作用液动冲击器，冲锤质量大，活塞作用面积小，压力高，流量小，从而获得了1 000 J以上的单次冲击功[12]。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。1993年，德国克劳斯塔尔工业大学深钻研究所设计了一套直径为140 mm的阀式双作用液动冲击器，采用2个弹簧[12]。经过初步试验，单次冲击功达800～900 J。原拟用于KTB超深井科学钻井中，但冲击器工作不稳定，尤其在高围压下不工作，因此未被采用。

2005年，中国地质科学院勘探技术研究所研制的YZX系列液动冲击器，与传统液动冲击器相比，结构简化，密封副由4道减少到2道，降低了运动件的阻卡率；取消了固定式节流环，冲击能量提高了25%～50%；可调式、多孔分流结构，解决液动冲击器工作泵量与钻井现场所用泵量不匹配的矛盾[13]。2001～2005年，YZX127液动冲击器在中国大陆科学钻探CCSD1井施工中，累计进尺3 526.3 m，最大井深5 118.2 m，在可钻性8～9级榴辉岩和片麻岩中，钻速提高近1倍，回次满管率达95%以上，岩心收获率为90%以上。1998年，大庆石油管理局钻井研究所为满足深井硬地层钻井需要，研制了XC-82型液动冲击器，其主要特点是：采用活塞环密封，密封可靠，摩擦阻力小，寿命长；结构简单，整个冲击器只有8大组件[14]。石油大学研制的SYZJ型双作用液动冲击器是依靠2个活阀的配水来推动冲锤活塞的冲程和回程[15]，在依南5井吉迪克组2 308～2 351 m井段进行试验，在泥岩地层中钻速只提高21%，而在硬脆性地层钻速提高了63%，井斜保持在2°，获得较好的经济效益。

阀式双作用液动冲击器在油气钻井行业深井钻井有所发展，但推广应用还需要进一步研究，主要原因是：

1)运动密封副多，运动阻卡几率大，对钻井液性能要求高。

2)对井深适应性较敏感，受背压影响较明显。

3)固定式节流环对冲锤下行做功产生一定的阻尼作用。

2.4射流式液动冲击器

射流式液动冲击器以一个双稳射流元件作为控制机构，由于双稳射流元件具有附壁和切换的特性，可控制流体按一定的规律进入冲锤活塞工作腔体的上腔和下腔，从而推动冲锤活塞作上下往复运动[16]。

射流式液动冲击器在油气钻井行业推广应用还需进一步研究，主要原因有：

1)射流元件冲蚀磨损严重，使用寿命短。

2)射流元件附壁切换易受钻井液性能影响对钻井液性能要求苛刻。

3)运动密封副在较短时间内失效。

2.5射吸式液动冲击器

射吸式液动冲击器利用液流高速喷射时产生的卷吸作用及阀与冲锤间压力与位移的综合反馈关系，通过阀与冲锤、活塞上腔与下腔液流压力差的正负交换而使冲锤反复运动冲击做功[10]。

射吸式液动冲击器也是我国首创的一种液动冲击器[10]，早期有所研究，后期研究较少。云南地质矿产局研制的SX-54Ⅲ型射吸式液动冲击器，外径54 mm，冲锤质量6～10 kg。1983-1984年，在云南、黑龙江等七省进行生产试验，工作液主要为清水，少数钻孔采用普通泥浆，累计进尺3 521.47 m，钻速较回转钻进提高15%～155%。为长庆油田设计并应用的CQS型液动冲击器，外径156～178 mm，冲锤质量35 kg。在长庆油田洼6-8、北95-1、华173、坪29-23、坪32-19、新摆9-7、陕186、陕195等八口井上进行试验，最大井深2 350 m，累计进尺3 289 m。在中生界下白垩系和侏罗系地层(上部井段)机械钻速提高20%～30%，中生界中、下三迭系地层(下部井段)机械钻速提高40%左右[20]。试验中冲击器除一套因加工质量问题已报废外，有3套使用时间达到200 h，出井后新度80%，还可再用。西安石油大学研制的射吸式双作用液动冲击器，是针对深井4 000～5 000 m钻井需要而设计的，对阀、活阀、密封、喷嘴及砧子等零件做进一步的优化设计，重要部位采用激光熔覆技术，提高耐磨性，但未见其应用报道[21]。

射吸式液动冲击器靠卷吸力抬升活塞，活塞质量不能过大，在油气钻井行业应用的可能性不大，主要原因是：

1)油气钻井用液动冲击器冲锤活塞质量大，需要的抬升力大。

2)对喷嘴的压降要求大，磨损速度快。

3　液动冲击器在油气钻井行业的应用探讨

液动冲击器在地质矿探行业应用已形成规模，并逐步向油气钻井行业发展。由于油气钻井与地质矿探钻孔有很大区别，且近年来油气钻井向深部发展，因此，有必要对液动冲击器在油气钻井行业中的应用进行探讨。

1)油气钻井要求液动冲击器具有高输出功率。

在钻井中，岩石破碎比功是钻头破碎单位体积岩石所消耗的体积功。在平衡钻进井段，地层岩石的破碎比功随深度的增加呈逐渐上升的趋势，但是在欠平衡钻井井段，地层岩石破碎能耗陡然下降，其破碎比功与浅部地层破碎比功接近[22]。据统计，目前浅层钻井用液动冲击器单面积输出功率不高于168 kW/m2，深井中做过试验的液动冲击器单面积输出功率不高于397 kW/m2；而采用欠平衡钻井的空气锤，应用于深井时单面积输出功率545～683 kW/m2。据此分析，在油气钻井行业深井中近平衡或过平衡钻井作业中应用液动冲击器，必须具有较高的输出功率。

2)油气钻井对液动冲击器关键部件制造要求高。

液动冲击器的关键部件有弹簧、密封件、阀或射流元件等。弹簧在高频、大功率输出条件使用寿命短；密封件耐温、抗磨损能力有限，在深井含固相流体中易失效；阀或射流元件在高排量、高黏度、含固相钻井液的冲刷下易于磨损，使用寿命较短。因此，油气钻井对液动冲击器关键部件制造要求高。

3)油气钻井作业井下状态复杂，液动冲击器柔性适应性要求高。

井下压力系统复杂，钻井液密度和黏度变化较大，要求液动冲击器对钻井液性能变化具有较好的适应性；为保证钻井岩屑清洁效率，要求钻井液排量大、泵压高，液动冲击器需适应大排量要求。因此，油气钻井对液动冲击器井下复杂条件下的柔性适应性要求高。

4　结论

1)目前国内外应用于浅地层的小尺寸液动冲击器主要是正作用式，技术成熟，在地质矿探工程应用广泛；应用于深井的大尺寸液动冲击器主要有双作用式和射流式，该技术处于试验阶段，未大规模推广应用；反作用式和射吸式液动冲击器在早期有研究，后期研究较少。

2)在油气钻井作业中，液动冲击器发展方向是输出功率高、关键部件制造要求高、对复杂井下条件的柔性适应性要求高。目前液动冲击器在油气钻井，尤其是在深井中应用，还需要进一步优化研究。从目前的研究、应用情况来看，阀式双作用和射流式液动冲击器在油气钻井中具有较好的发展前景。

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Development Status of Hydro-hammers and Application of Hydro-hammers in Oil and Gas Well Drilling

HUANG Xueqin，MENG Qingkun，ZHENG Xiaofeng

(ResearchInstituteofPetroleumExplorationandDevelopment，Beijing100083，China)

Hydro-impact drilling technique is one of the effective methods for improvement of penetration rate in hard formation.The summarization of the style，working principle，development status，advantages and disadvantages of hydro-hammers are focused on in this paper.In addition，the development directions of hydro-hammers in oil and gas well drilling are investigated.The results were as follows：in the first place，direct action hydro-hammers with small size were mainly used in shallow formation，and were technical maturity，and were extensively used in geology and mineral exploration engineering；moreover，double action hydro-hammers and jet hydro-hammers with relatively big size were mainly used in deep formation，and were in experiment period，and were not used extensively；finally，reverse action hydro-hammers and Jet suction hydro-hammers were research in early time，and little research were conducted in late time.The development directions of hydro-hammers in oil and gas well drilling are high output power，high manufacture quality of key parts，and good flexible adaptability for complex underground condition.Double action hydro-hammers and jet hydro-hammers have good prospects.

hydro-hammer；developing trend；application

1001-3482(2016)09-0062-05

2016-03-05

中国石油集团公司“钻井新技术新方法研究”项目(2014A-4211)

黄雪琴(1984-)，女，广西人，壮族，博士研究生，研究方向为油气井井下提速工具，E-mail：huangxueqin1204@163.com。

TE921.207

Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.09.014