冲击工具性能影响因素分析及应用

孙明光， 索忠伟， 张洪宁， 张海平

(中国石化石油工程技术研究院)

随着深部储层的勘探开发，钻遇的地层坚硬、研磨性强，破碎难度越来越大，使用螺杆和涡轮等井下动力钻具，提速效果有限，亟需新的钻井提速提效技术。而冲击钻作为一种成熟的钻井技术，已被广泛证明是在坚硬地层钻进有效方法之一。近年来，基于粘滑振动理论，减轻或消除PDC钻头钻进中粘滑振动，可明显地提高机械钻速，如扭力冲击器、旋冲钻具、自激震荡旋冲钻井工具及旋冲螺杆等[1-5]井下工具均具有效果。本文介绍了冲击工具破岩机理，分析了液动射流式冲击工具的性能参数的影响因素，以及与不同类型钻头配合使用的性能参数。国内外应用实例结果证明，与PDC钻头配合使用，冲击工具可改进钻头井底破岩状态，有效保护钻头，延长了钻头井底工作时间，提高了硬地层钻井机械钻速，增加了单只钻头进尺，降低了钻井综合成本。

1 冲击工具破岩机理

冲击工具通过钻井液驱动，在钻井过程中，当开泵循环，钻头接触到井底并施加钻压时，冲击工具开始工作，产生轴向高频振动冲击，冲击能量传递到钻头，辅助钻头齿吃入岩层，并造成岩石应力集中，当冲击工具的冲击功增大到一定值后,可实现对岩石“体积破碎”，有助于在回转切削破岩的同时，辅助冲击破碎岩石，结合旋转剪切联合作用破碎岩石，提高破岩效率[6-9]，图1为PDC齿受力分析图，图2为冲击工具破岩机理示意图。

图1 PDC齿冲击受力分析图

图2 冲击工具破岩机理

一方面，高频振动冲击作用有利于改善钻头井下破岩环境，减少井下复杂时间。另一方面，钻进过程中冲击工具产生的高频、有规律的冲击振动作用，可减少或避免钻头泥包、蹩卡及粘滑现象，同时，冲击工具高频规律性冲击，有助于消除软硬交错地层产生的有害振动，有利于保护井下钻具，延长井下工具的使用寿命[10-12]。

2 冲击工具性能影响因素分析

2.1 冲击工具结构及工作原理

冲击工具由发生装置(控制机构)、执行机构、冲击能量传递机构三部分组成，除活塞与冲锤外无其他运动零件，因而其工作可靠，使用寿命长。冲锤向下直接冲击砧子时，能量利用率高。该类型冲击工具工作不受围压影响，适用于高温、高压条件下的深井作业。

图3 冲击工具原理示意图

冲击工具是一种采用双稳射流元件作为控制机构的井下动力钻具，其工作原理如图3所示。高压钻井液液流从射流元件1的喷嘴喷出，假如在附壁作用下先附壁于右侧，液流便由E输出，进入缸体2的上部，推动活塞3下行。此时，与活塞连接的冲锤4便冲击砧子5，因砧子与钻头6相连，冲击能量经砧子传至钻头6上，完成一次冲击作用。活塞冲程末了，上缸液压升高，反馈讯号回到F控制孔，促使射流由E切换到C输出，液流经C进入缸体下缸，推动活塞上行，做返回动作。回程末了，反馈讯号又回到D，将射流切换到开始位置，液流又从E输出，进入上缸，如此往返，实现冲击作用。上、下缸的回水，则通过E、C输出道而返到放空孔B、A，再经与放空孔连接的水路及砧子内的流道至钻头。

冲击工具的特点是性能参数可调范围大，可与不同类型钻头配合钻进提速；冲击频率在10～25 Hz之间，不干扰井下仪器信号传输；冲击能量向下传递不影响井下钻具和仪器使用寿命；即使不工作，也可作为短钻铤使用，不需要起钻[13]。

2.2 冲击工具性能参数影响因素

冲击工具通常采用调整行程、冲击锤重量和分流孔直径等参数调整性能参数。通过台架试验测试其性能参数，分析其结构参数对性能的影响。这些参数在入井前由拟用井段的钻井参数和地层岩性特征来确定。以Ø228 mm液动射流式冲击工具为例，在行程、冲击锤重量和分流孔直径等参数已确定的情况下，泵排量对其性能参数影响见表1。试验表明，随着行程、冲击锤重量的增加，冲击工具的冲击功和冲击力增加，冲击频率降低；随着分流孔直径减小，冲击工具的冲击功、冲击力和冲击频率均增加。

表1 排量对冲击工具性能参数的影响

由表1可以看出，Ø228 mm液动射流式冲击工具的行程为35 mm，冲击锤重为85 kg，分流孔直径为15 mm，在泵排量分别为45 L/s、50 L/s、55 L/s、60 L/s时，给出了冲击工具性能参数变化的测试结果。该结果揭示了排量对该工具性能参数的影响规律,即冲击工具的冲击功、冲击力与冲击频率随排量增大而增大。

3 冲击工具现场应用

3.1 冲击工具性能参数设计

通过对地层可钻性、硬度或抗压强度的测量及分析，依据冲击工具性能参数与岩石抗钻特性匹配关系，获得破岩所需的冲击功值，进而确定冲击工具结构参数和水力参数。冲击功是冲击工具的重要参数之一，不同岩石破碎所需的冲击功不同，可通过调节冲击工具的行程、锤重和分流孔直径等参数来满足破碎岩石所需的冲击功。基于不同PDC齿抗冲击能力，当冲击工具配合PDC钻头应用时，冲击工具设计的冲击功最大值应不超过PDC齿额定抗冲击能力。

本文以实际应用为例，阐明冲击工具与PDC钻头配合使用时冲击功的设计依据。某井采用了冲击工具与PDC钻头配套技术，PDC钻头(M746PX-C型)PDC齿共60颗，PDC单齿抗冲击功为30 J，通常钻头冠部内锥部位PDC齿所受轴向力最大，向外逐渐减小。承受轴向力的钻头冠部齿共有49颗，理论上整体抗冲击能力可到达1 470 J，远远大于冲击工具设计的最大冲击功335 J，冠部PDC单齿受到冲击功平均为6.8 J，内锥齿承受载荷为平均载荷的1.8倍，受到的最大冲击功为12.24 J，远小于钻头PDC单齿抗冲击能力。由内向外，PDC单齿承受冲击载荷逐渐减小，因此不会产生冲击过载造成的PDC齿损坏现象。由此可见，冲击工具作用于钻头的最大冲击功远小于其额定冲击功。因此，冲击工具与钻头配合使用，不会产生崩齿和损坏现象。冲击功确定后，冲击力和冲击频率等其它参数也相应确定下来。

在容易井斜地层钻进时，常规钻压常会造成井斜增加，因此通常采用较小钻压钻进。但在硬地层钻进时，钻压小不足以破碎岩石，而采用冲击工具配合PDC钻头组合，利用其旋转冲击破岩机理，既可有效控制井斜，又能保持较高的机械钻速。

3.2 应用实例

3.2.1 HY-611井应用

HY-611井是沙特某区的一口评价井，为四开设计的直井，设计井深5 880 m。在三开3 316～3 963 m井段，地层岩性以白云岩、灰岩和碳酸盐岩为主，岩石抗压强度在126～276 MPa之间，可钻性差，研磨性高，是本井三开最难钻进的地层，邻井使用螺杆提速效果不明显。

冲击工具配合PDC钻头在该井段进行了现场应用。冲击工具的轴向冲击能量可直接作用在钻头上，有利于切削齿吃入岩层，避免打滑现象。同时，轴向有规律的高频动载冲击，有助于防止扭矩积聚，消除蹩卡现象，进而保护钻头，延长钻头使用寿命。

钻具组合：Ø304.8 mm PDC(M746PX-C)+Ø228.6 mm浮阀+Ø228冲击工具+Ø304.8 mm扶正器+Ø209.6 mm MWD+Ø210 mm过滤短接+Ø304.8 mm扶正器+Ø210 mm钻铤+Ø139.7 mm加重钻杆。

钻井参数：钻压80～150 kN，排量45～60 L/s，转速100～150 r/min。

冲击工具参数范围：冲击功226～335 J，冲击力30～60 kN，冲击频率11～16 Hz。

该钻具组合钻至井深3 963.25 m，中完起钻。PDC钻头起出后几乎没有磨损，新度可达98 %。冲击工具在井下连续工作103.5 h，起钻后检查保持完好，仍可以工作。表2为使用冲击工具井段与邻井相应井段对比情况。

由表2可以看出，Ø228 mm冲击工具机械钻速与邻井对比最低提速31.28%，最高提速61.79%，验证了冲击工具辅助PDC钻头钻井提速效果。

表2 与邻井机械钻速对比

3.2.2 PX-4D井应用

PX-4D井为国内西南某区块一口三开设计的定向开发井，垂深5 889.00 m /斜深6 545.00 m，在二开2 657.00～3 051.00 m井段地层为须家河组，岩性为深灰、黑色(炭质)页岩、粉砂质页岩与灰色粉砂岩、细粒岩屑砂岩略等厚互层，抗压强度在106～249 MPa之间，岩石硬度高、可钻性差，邻井同井段使用螺杆+PDC钻头的机械钻速在2 m/h 左右。本井将冲击工具置于弯螺杆的上部，在发挥螺杆高转速辅助PDC钻头切削地层的基础上，对钻头施加轴向高频动载冲击，实现了旋转冲击联合破岩。

冲击工具性能参数：冲击功226～348 J，冲击力30～70 kN，冲击频率10～14 Hz。

钻具组合：Ø333.4 mmPDC×0.4 m+Ø244.5 mm 0.75°单弯螺杆+Ø228 mm冲击工具+Ø330 mm扶正器+Ø229 mm浮阀+Ø241.3 mm钻铤+Ø241.3 mm钻铤+Ø228.6 mm钻铤+Ø203.2 mm无磁钻铤+Ø203.2 mm钻铤+Ø178 mm旁通阀+Ø139.7 mm钻杆。

钻井参数：钻压100～120 kN，排量50～55 L/s，转速90 r/min。

该钻具组合钻至井深3 051.00 m，中完起钻。应用中钻压和立压平稳，钻头未出现蹩卡及粘滑现象，螺杆也未发生制动现象，井斜有效控制在设计范围内。冲击工具连续工作110.5 h，其中纯钻时间92.50 h，循环时间18.00 h。冲击工具在起钻后检查保持完好，仍可以继续工作，PDC钻头起出后新度90%。

这趟钻进尺为394 m，平均机械钻速为4.30 m/h，较本井上一趟钻的机械钻速(3.30 m/h)提高了30.3%，较邻井PX-3D井平均机械钻速(2.50 m/h)同比提高了72%，较邻井PX-1D井平均机械钻速(2.20 m/h)同比提高了95.5%，结果见表3所示。

表3 PX-4D井与邻井钻速对比情况

从表3可见：冲击工具+螺杆+PDC钻头组合在彭州须家河组硬地层钻井，提速效果显著。

应用结果表明，冲击工具+螺杆+PDC钻头配合用于难钻及研磨性地层，明显地提升了PDC钻头高转速下破岩效果，展现了钻进进尺多的优势。同时充分发挥了冲击工具高频动载破岩的技术特点，有效解决了钻头磨损加剧、钻压过大导致螺杆制动、井斜超标等问题，并取得了显著的提速效果，证明了PDC钻头+螺杆+冲击工具组合能提高机械钻速和单趟钻进尺，减少起下钻次数，缩短钻井周期，降低钻井综合成本。

4 结论与建议

1)冲击工具产生的高频动载冲击作用于钻头上，改善了井底钻头破岩状态，可提高钻头在井底破岩效率。

2)冲击工具自身结构对性能参数影响较大，而泵排量是影响其性能参数的主要因素：冲击工具的冲击功、冲击力与冲击频率随排量增大而增大。

3)冲击工具+螺杆+PDC钻头组合集成了振动冲击和旋转切削破岩的优势，使用较小钻压就能达到较高的机械钻速，能有效保护钻头，减少螺杆制动，在易斜地层也有利于控制井斜。

4)国内外现场应用表明,冲击工具与PDC钻头配合使用在难钻及研磨性地层钻进，明显增强了PDC钻头的破岩能力，平均机械钻速同比邻井有了明显提高，建议进一步推广应用。