基于钻柱振动的井下提速技术研究现状及展望*

刘永旺 管志川 张洪宁 马广军 张 波

(1.中国石油大学(华东)石油工程学院 山东青岛 266580； 2.中国石化石油工程技术研究院 北京 100101)

基于钻柱振动的井下提速技术研究现状及展望*

刘永旺1管志川1张洪宁2马广军2张 波1

(1.中国石油大学(华东)石油工程学院 山东青岛 266580； 2.中国石化石油工程技术研究院 北京 100101)

刘永旺,管志川,张洪宁，等.基于钻柱振动的井下提速技术研究现状及展望[J].中国海上油气，2017,29(4)：131-137.

LIU Yongwang,GUAN Zhichuan,ZHANG Hongning,et al.Research status and prospect of ROP-enhancing technology based on drill string vibration[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(4):131-137.

钻井提速技术一直是钻井工程领域的研究热点，寻找井下可用新能量并开发出配套的能量转化方法来提高破岩效率是深井超深井提速领域重要研究方向。分析了井下可获得能量特征，阐述了利用钻柱纵向振动能量提升井下钻井液喷射压力辅助破岩提速的理念，总结了已研制的井下钻柱减振增压装置、吸振式井下液压脉冲发生装置、多效协同提速钻井装置的结构及优点，并对深井提速装备未来发展方向进行了展望。井下能量的获取及合理利用是未来提速工具开发的重要研究方向。基于钻柱振动的提速技术研究成果开拓了深井提速技术新思路，为加快深部油气资源的勘探与开发提供了设备支撑，建议进一步加强井下钻柱振动基础理论、基于钻柱振动的提速技术装备、利用振动提速方法等方面的研究工作，以便将钻柱振动能量应用到钻井工程其他领域之中。

钻柱振动；钻井提速技术；研究现状；技术展望

随着深部地层油气资源开发力度的增大，新老探区内深井、超深井的数量越来越多，钻井深度越来越深，钻进速度慢已成为深井钻井面临的主要难题。利用井下装置提高钻井速度是当今提速的最主要手段[1-4]，研发的提速工具主要包括井下动力钻具、旋转冲击钻井工具、井下脉冲空化射流发生装置、井下扭力冲击钻井工具等。无论何种工具，均需要能量方可发挥其功效，若能量来源得不到保障，则提速工具很难正常工作。分析发现，虽然现场常用工具提速的机理各异，但它们大多存在共同特点，即工具发挥作用的能量源均来源于钻井循环介质。钻井实践表明，随着井深的增加，钻井循环介质压耗增大，在极深井中甚至出现循环介质仅能满足循环携岩的现象[5-13]，极可能出现无法工作甚至影响钻井作业正常进行的情况，因此寻找新的井下能量并开发新型提速技术及装备成为提高深井钻井速度急于突破的技术难题之一。笔者在分析井下可获能量特征的基础上，详细阐述了基于钻柱振动的井下提速技术研究现状，并对未来提速技术进行了展望，以期为深井、超深井钻井提速装备的研制及技术发展提供参考。

1 井下可获能量特征分析

钻杆是井下钻头破岩能量的主要来源，但要想提高钻进速度，必须在钻杆传输的压力及扭矩基础上找到其他能源。根据钻井过程中井下工况分析可知，井底可获取的能量包括两大类：①通过媒介传输到井下的能量；②井下原有能量。将能量传输到井下的媒介有3种：①钻杆、电缆或钻杆内埋的电缆；②钻井循环介质(钻井液、气体等)；③井下便携式能量源(电池组等)。井下原有能量主要有2种：①钻柱在钻进中产生的振动；②井下的地热能。各种能量应用过程中表现出如下特征。

1) 电缆或钻杆内埋电缆传输能量。电缆是井上能量传输到井下的最有效途径之一，目前应用该方式的井下工具主要有井下电动钻具、井下电动冲击回转钻具、激光钻井工具等。现场应用过程中利用井下电缆传输能量表现出以下优点：①能量传输过程不受井深、钻井液排量及特性的影响；②利用控制上部能量源的方式直接控制井下工具的工作状态；③能够提供较大的能量，提供的能量稳定并且对工作时间没有限制。但其不足之处在于电缆的存在使得钻井状态变得复杂，增加了失效概率，成本相对较高，而且一旦出现问题检修十分困难。

2) 井下便携式能量源(电池)。利用井下便携式能量源的井下工具有旋转导向钻井系统及新型井下电动冲击回转钻具等。该种能量大多作为控制钻井液流道过流面积引发钻井液能量分布变化来促使井下工具运作，而难以作为驱动井下工具的直接能量。该种能量源具有简单便捷、提供电能相对稳定的优点，但也存在一些不理想的地方,主要表现在以下几个方面:①提供的能量较小，难以适应大功率井下工具的需要；②工作时间上有限制，不能够长时间的工作于井下；③受工作环境的影响较大，钻遇高温地层时很难正常工作。

3) 利用钻井液(气体)传输能量。该种方式目前应用最为广泛，基于该原理研发的工具更是繁多，主要包括井下螺杆钻具、涡轮钻具、液力旋转冲击钻具、扭力冲击钻具等，其存在问题主要表现在随着井深增加，压耗增大，可用能量大幅降低。图1为不同排量下钻井循环压耗(包括地面管汇、钻柱内外)随井深的变化曲线，钻井液密度1.24 g/cm3,钻井液黏度26 mPa·s，钻杆外径114.3 mm、内径108.61 mm。从图1可以看出，循环压耗随着井深增加呈线性增大，因此深井钻井靠钻井液的能量来提高钻井速度是受局限的，在设计井下工具时需要充分考虑井深、钻井设备和钻井液性能等因素。

图1 井深对钻井循环压耗的影响Fig .1 Effect of well depth on pressure loss

4) 地热能。我国科学开发利用地热资源源于20世纪70 年代，到目前为止主要形成了以供暖、洗浴等直接利用方式和发电为主的地热资源开发利用格局[14-18]。但在油气钻井过程中井下直接利用地热能的应用实例现在还未出现。实践得出，地层温度随着深度增加而增加，大约深度每增加33 m，地温增加1 ℃，按此计算，7 000 m的超深井井下温度超过210 ℃，若能够将该能量转化为机械能，必将可以达到提高钻速的目的，且该能量可以随着井深的增加而增大，也可以克服深部地层提速能量不足的问题，但到目前为止未出现将地热能用于钻井的装置及设备。

5) 钻柱振动能量。油气钻井过程中，钻头破岩过程及钻柱与井壁的无规律碰撞摩擦使井下钻柱产生纵向扭转和横向的各种形式振动，该振动在钻进硬地层或软硬夹层时更为剧烈。已有观点认为钻柱振动会为钻井作业带来极大危害，主要表现在：①不能给钻头均匀地施加钻压和扭矩，致使钻头寿命缩短和钻速较低；②促使钻柱发生疲劳破坏事故，该事故在钻具连接部位发生几率尤为突出；③引发地面设备振动，破坏地面设备或者为设备操作者带来危险。实验研究及现场测试结果表明，钻井过程中井底钻压存在波动频率较高且幅度较大的波动，并且其波动幅度随着井深的增加而增加，虽然钻柱的振动是有害的，但利与害是可以转化的，若能够将此能量合理利用，必将为深井硬地层提速提供可靠的能量。

2 基于钻柱振动的井下提速技术研究现状

2.1 井下钻柱减振增压装置及优点

高频率大幅度变化的钻压直接作用于钻头会使得钻头的切削齿瞬间承受极大的冲击力，从而引起切削齿的崩裂，但在钻柱中间、钻头上部安装弹簧及阻尼结构会使钻压经弹簧及阻尼结构后传递到钻头，则钻压的波动会转化为弹簧的弹性势能和阻尼功，钻压的波动幅度会大幅度衰减，冲击力的作用时间也会延长。因此，利用柱塞泵结构运转时内部液体压力的反作用来充当衰减钻压波动的阻尼，可将阻尼功转化为柱塞泵结构内部液体压力，从而实现柱塞泵排出液体压力的提升。

根据上述理念，设计的井下钻柱减振增压装置[19-23]如图2所示。该装置主要由钻柱动力传递总成(工具上接头、花键轴、限位螺母、分流传压接头、过滤器、柱塞、入口单向阀)、压扭总成(密封套、弹簧腔上部密封、花键筒、弹簧筒、弹簧下堵头、弹簧腔下部密封、下部密封套、增压筒、支撑过流体、下接头、转换接头)、弹性总成(弹簧)、增压缸体(增压缸、超高压密封总成)、超高压钻井液流道总成(高压流道、超高压钻井液流道、超高压钻井液流道延长管、超高压软管及超高压钻井液喷嘴)及钻头组成，其突出优点是：将钻柱减振与钻井液增压相结合，使容易引起钻柱疲劳破坏的钻柱振动能转化为钻井液的压能，实现井底增压，提高破岩效率，变有害为有利；同时，该装置不需要改变现有钻井工艺和装备，不影响正常的循环和钻井作业。

图2 井下钻柱减振增压装置结构示意图Fig .2 Downhole drilling string vibration absorption & hydraulic supercharging device

2.2 吸振式井下液压脉冲发生装置结构及优点

将钻柱振动的能量转化给部分钻井液，则可以实现超高压射流辅助破岩提速；如果将钻柱振动的能量转移给循环中的所有钻井液，则可以实现为循环钻井液脉冲增压的目的。吸振式井下液压脉冲发生装置利用柱塞泵结构内部液体压力的反作用来充当衰减钻压波动的阻尼，将阻尼功转化为柱塞泵结构内部液体压力，从而实现柱塞泵排出液体压力的提升。设计的吸振式井下液压脉冲发生装置[24]如图3所示。该装置包括钻柱联动体(工具上接头、芯轴和套装在芯轴中部外侧的限位体)和钻柱分动体(柱塞缸外筒、钻头、套装在芯轴上部的花键外筒和与花键外筒连接的工具中心接头)。吸振式井下液压脉冲发生装置利用钻柱的纵向振动及钻压波动，通过脉冲发生装置的钻柱联动体与钻柱分动体产生相对运动，使得其内部的柱塞泵产生相对周期性运动，利用压缩柱塞缸内钻井液产生的高压脉冲射流改善井底受力状态及清岩效果，从而提高钻井速度，实现快速钻井。该装置的优点是：能够有效地对井底全部钻井液进行周期性压缩增压，实现钻柱振动能量的转移及脉冲射流的发生，实现井底射流的脉冲射流调制，且脉冲的幅值较高；产生的脉冲射流平均压力高于不加该装置的平均压力，破岩及携岩能力增强，降低了岩石的破碎难度；该装置的能量源随着井深的增加而增加，工具的使用效果更加显著；该装置产生的脉冲射流可以应用于任何钻头，由于在井底产生流场的大幅度脉动，能够缓解钻头产生泥包，对排量难于增大而导致的钻速低的情况提速尤为明显。

图3 吸振式井下液压脉冲发生装置结构示意图Fig .3 Vibration absorbing & downhole hydraulic pulse generator

2.3 多效协同提速钻井装置结构及优点

钻井实践表明，地下岩层各异，若要提高钻进速度，采用同一种提速机理很难适用于多种地层，因此研发利用新能源且协同多种提速机理联合作用的井下提速工具具有重要意义。多效协同提速钻井装置可以引入环空流体增大井底钻井液排量，同时引入钻井液以外的能量—钻柱振动的能量实现脉冲射流调制，既可以提高破岩效率，又可以增强井底携岩效果，从而提高钻进速度。设计的多效协同提速钻井装置[25]如图4所示。该装置包括钻柱振动连动总成(芯轴体、限位环、活塞总成)和井底静止承振总成(防冲击密封端盖、花键腔密封总成、花键外筒、注油孔堵头、排气孔堵头、弹簧保护筒、弹簧下封堵接头、弹簧腔密封总成、环空流体入口单向阀、环空流体入口过流压紧头、增压缸套、增压缸套密封、增压总成外筒)。钻井过程中，钻柱与井壁的碰摩、钻头在井底的跳动等会引起钻柱纵向振动。当钻柱振动时，钻柱振动连动总成相对于井底静止承振总成产生相对运动，该运动速度呈现周期性变化：当向下振动时，相对运动速度由0加速到某一速度后速度降低直至归0，向下振动结束；当向上振动开始时，相对运动速度由0加速到反方向的某一速度后速度降低直至归0，再开始向下振动，如此周而复始。钻柱向下振动时，井底钻具组合带动钻柱振动连动总成相对于井底静止承振总成向下运动，当相对运动速度超过钻井液在增压缸套内截面的过流速度时，环空流体出口单向阀及钻具内孔单向阀关闭，大排量流体射流脉动增压调制腔内液体压力升高，钻头上安装的普通喷嘴上形成高压正脉冲环空流体射流；与此同时，环空携有小颗粒岩屑的钻井液经环空流体入口过流压紧头筛孔的过滤，流过环空流体入口单向阀、环空流体入口流道进入到环空钻井液储存腔中，为钻柱向上振动时环空流体进入大排量流体射流脉动增压调制腔提供准备。钻柱向上振动时，井底钻具组合带动钻柱振动连动总成相对于井底静止承振总成向上运动，环空流体出口单向阀及钻具内孔单向阀开启，钻具中空的钻井液正常流到井底，发挥其作用；与此同时，环空流体入口单向阀关闭，环空流体出口单向阀开启，携有小颗粒岩屑的钻井液经环空流体出口流道、环空流体出口单向阀进入到大排量环空射流脉动增压调制腔中，等待钻柱向下振动时再次形成大排量高压正脉冲流体射流。如此周而复始，该装置利用产生的大排量高压正脉冲射流在井底提高破岩效率，增强井底携岩效果，从而提高钻进速度。

图4 多效协同提速钻井装置结构示意图Fig .4 Cooperating device of multiple effects

相对于现有技术，多效协同提速钻井装置可以实现增大井底钻井液排量、引入环空流体、引入钻井液以外的能量以及实现脉冲射流调制的目的，既可以提高破岩效率，又可以增强井底携岩效果；该装置不需要改变钻柱的结构，与应用钻头类型无关，适用范围广，方便推广应用。

2.4 基于钻柱振动的提速技术新进展

钻柱振动为井下工具提供了新的能量来源，采用不同的机械结构转化该种能量，将会实现不同的提速技术。基于此思想，笔者及所在研究团队研制出了3种将钻柱振动能量转化为钻井液液压能的装置，并且设计出了将钻柱振动能量转化为钻头轴向冲击的“机械式井下吸振冲击钻井工具”以及将钻柱振动能量转化为钻头扭转冲击的“井下扭力冲击激励装置”等提速装备，为深井提速领域提供了新思路。随着钻柱振动能量利用思路的拓展，将会有更多种、更优质的井下提速工具被研制出来，并服务于钻井现场。

3 技术展望

目前随着油气田开发的深入，所应用的井型较以往有很大的改变，定向井、水平井等特殊工艺井已成为主要井型。另外，井眼长度较以前亦有大幅度延长，随着井眼的延伸长度增加，单口井钻遇的地层也会增加，未来的提速技术更应该关注钻井工程的发展特征。

结合现在钻井工程现状及提速工具分析，笔者认为未来的提速技术应该解决以下几个问题：

1) 提速工具的提速能量来源问题。当今的提速工具基本是以牺牲钻井液能量为代价，随着井深增加，钻井液能量是在不断减小，提速效果必然受到影响，因此搜寻井下可用能量并开发出应用方法是重要方向。

2) 井下能量利用合理化问题。若能合理利用能够顺利到达井底的能量，则可发挥更突出的作用。例如，螺杆钻具将钻井液液压能转化为钻头转速，提高了钻井速度，且未影响钻井施工；旋冲钻井工具将钻井液液压能转化为对钻头施加的轴向冲击，提高了钻井速度。可见，井下能量合理利用可以提高钻井速度，但如何利用这些能量才能保证钻井正常进行，而且如何才能将钻速提高至最佳，这些都是需要研究的课题。

3) 提速方式多元化问题。不同地层岩石的破坏特征、提速方法不同，同一岩层同时利用多种提速方式，如动力钻具+旋冲、动力钻具+扭冲、超高压射流+磨料射流等，其破岩效果亦更佳，但如何将多种提速方式有机融合是当前研究的难点，亦是今后研究的一个重要方向。

4) 提速工具结构简单化问题。井下空间有限，且条件恶劣，复杂的机械结构极易失效，因此，在保证其功能实现的基础上，简化现有提速工具结构或设计结构简单的新提速工具是工具研发领域的又一重要方向。

5) 井下工具长度缩短问题。井眼是细长的空间孔洞，但在井下为了实现多种功能，安装有各种钻具及井下工具，所应用的提速工具长度愈短，则对其他钻具组合或者工具设备影响愈小，因此井下工具长度缩短非常有意义。

6) 提速过程全程无风险问题。井下工具使用寿命有限，且经常会面临意外失效的问题。工具正常使用时，可加速钻进速度；但在工具失效后，如何使其不影响正常钻进，这对于控制井下风险的发生也是非常重要的，这也是未来提速技术的重要研究方向。

7) 提速技术应用通用化问题。一种提速技术要能够应用于不同工况，不同井型方可大范围推广。

8) 提速方法经济化问题。开发出的井下提速技术或工具必须有效降低钻井成本，否则提速的意义将不复存在。

4 结束语

深部油气开发进程的推进及地热等能源的开发需要对配套技术的发展提出了更高的要求，钻井速度低的问题成为目前深部地层各类资源开发过程中面临的主要难题之一，应该充分、合理、有效地利用井下可以利用的一切能量来提高破岩钻进的效率。钻井过程中可供井下工具利用的能量来源主要有利用井下电缆传输井上能量、井下便携式能量源、钻井液(气体)的液压能量、钻柱振动能量以及井底地热能，这5种能量有的已经被大范围应用，有的则是刚刚起步，其中利用钻柱振动来提高钻井速度的技术为井下提速提供了新的思路，需要加快该方向研究步伐，争取将井下能量利用得更加合理。

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(编辑：孙丰成)

Research status and prospect of ROP-enhancing technology based on drill string vibration

LIU Yongwang1GUAN Zhichuan1ZHANG Hongning2MA Guangjun2ZHANG Bo1

(1.CollegeofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao,Shandong266580,China;2.SINOPECResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing100101,China)

The technology to increase ROP has always been a hot topic in research on drilling engineering.It is an primary direction to seek more downhole available energy and develop related methods to utilize this energy to increase rock-cutting efficiency in deep/ultra-deep wells.The characteristics of downhole available energy was analyzed; and a new concept was elaborated, that is, utilizing the axial vibration of drill string to increase jet pressure of drilling fluid.Then the structure and merits of the equipment we developed, including the downhole vibration absorption & hydraulic supercharging device, the vibration-absorbing hydraulic pulse generator, and the synergetic device, were outlined.And an outlook of ROP-enhancing equipment in deep wells was presented.The acquirement and reasonable utilization of downhole energy are primary direction in the development of ROP-enhancing equipment.The ROP-enhancing technology based on drill string vibration pioneered a novel approach to increase ROP in deep wells, which would provide equipment support to exploration for and production of deep oil and gas resources.The drill string vibration theory, equipment based on vibration, and related methods of increasing ROP should be further studied in order to apply the vibration energy in other aspects of drilling engineering.

drill string vibration; ROP-enhancing technology; research status; technology outlook

*国家重点基础研究发展计划(973计划)“深井复杂地层钻井设计平台与风险控制机制(编号：2010CB226706)”、“十二五”国家科技重大专项“西部山前复杂地层安全快速钻井技术(编号：2011ZX05021-001)”、中央高校基本科研业务费专项资金资助项目“海洋丛式井组井间主动防碰技术基础理论研究(编号：16CX02025A)”部分研究成果。

刘永旺，男，博士，讲师，主要从事钻井提速提效理论与方法研究、井下工具研发研究。地址：山东省青岛市黄岛区长江西路66号中国石油大学(华东)石油工程学院油气井工程系(邮编：266580)。E-mail：liuyongwang2003@163.com。

1673-1506(2017)04-0131-07

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.04.017

TE921

A

2016-08-26 改回日期：2016-10-20