国内外扭力冲击器的研究现状及展望

2022-05-14赵金成陈杰陈立伟刘禹铭柴龙顺蒋畅

机械工程师 2022年5期

赵金成，陈杰，陈立伟，刘禹铭，柴龙顺，蒋畅

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

0 引言

随着对油气资源开发力度的加大，浅层易开发资源日益枯竭，勘探开发领域逐渐向深井、超深井延伸，钻头遇到花岗岩、硬砂岩、砾岩等超硬岩层的几率也逐渐增大，PDC钻头在破碎超硬岩层时，对比常规牙轮钻头、金刚石钻头，在钻进速度、钻头寿命、作业成本等方面更具优势，因此PDC钻头在超深复杂地质井中得到广泛应用[1]。PDC钻头在破碎超硬岩层时，易出现黏滑现象，对机械钻速、钻头寿命影响严重，为消除黏滑振动，国内外进行了大量研究，其中扭力冲击器+PDC钻头作业模式可明显减缓或消除该问题[2]。目前，国内外已有多家机构推出该类型工具，并在各大油田超硬地层中得以应用，在延长钻头寿命、提高机械钻速等方面有一定成果，但也存在一些问题，本文梳理国内外扭力冲击器研究情况，结合现场应用，给出该类工具的发展建议。

1 PDC钻头黏滑振动产生机理

PDC钻头在破碎岩石过程中，与钻柱系统、岩石特性有着密切关系，在理想状态下，钻头与钻具以相同速度转动，PDC齿连续剪切岩石，实际上，在超硬地层钻柱传递给钻头的转矩不足以使PDC齿切削岩石时，钻头不再与钻具同速转动，处于黏滞状态，钻机持续提供转矩，当钻柱中储存的能量足以剪切岩石时，钻头绕轴变速转动，钻头处于滑脱状态[3]。

2 国内外研究现状

为提高超硬地层破岩速度，延长钻头寿命，减少起下钻时间，国内外已就扭力冲击器进行了大量研究与试验。其中包括Ulterra研发的TorkBuster液压式扭力发生器和涡轮式扭力发生器、Halliburton公司研发的旋转冲击装置。与国外相比，国内扭力冲击器的研究起步相对较晚，其中以中石化胜利钻井研究院联合中国石油大学（华东）研制的SLTIDT型扭冲工具[4]、中国石油大学（北京）研制的复合冲击钻具[5]较为典型。

2.1 涡轮式扭力发生器

Ulterra研发的涡轮式扭力冲击器在作业时，泥浆经过滤分流器，驱动上下涡轮动力机构，从而使非平衡动力机构高速运动，再由动力轴将非平衡动力机构上聚集的动能传递给冲击器牙嵌结构，牙嵌结构将均匀、高频扭击传递给钻头，实现扭力冲击钻井。该扭力冲击器可通过调整非平衡动力机构质量，调节输出的高频扭击力，结构形式如图1所示[6]。

图1 涡轮式扭力冲击器结构

2.2 TorkBuster液压式扭力发生器

Ulterra研发的TorkBuster液压式扭力发生器，通过可调流量喷嘴（节流机构）产生压耗，泥浆进入换向腔中，使冲击机构内部高低压腔交替进行，冲击锤高频、均匀、稳定撞击冲击面，冲击面将冲击力传递到牙嵌结构上，牙嵌结构与钻头相连，从而在钻头上形成高频扭转冲击，结构形式如图2所示[7]。

图2 TorkBuster液压式扭力发生器结构

2.3 旋转冲击装置

Halliburton旋冲装置由砧座、叶轮、冲击块和涡轮头等零部件构成。在正常钻进时，砧座与叶轮之间的缝隙很大，泥浆可全部由中心孔流走；当出现钻头遇阻时，砧座与叶轮之间的缝隙迅速减小，泥浆流入涡轮头，冲击机构会高速往复旋转，冲击砧座，砧座将高频转矩传递到钻头上，结构形式如图3所示[8]。由于旋冲装置的冲击机构为分体，无法保证同步旋转冲击，输出的冲击波可能存在紊乱现象，导致机械钻速降低，因此Halliburton旋冲装置未能规模性应用。

图3 旋转冲击装置结构

2.4 SLTIDT型扭冲工具

胜利钻井院联合中国石油大学（华东）研制的SLTIDT型扭冲工具，钻铤短节与钻具组合中的钻铤连接，钻头座与钻头直接连接。泥浆流经喷嘴时，会截留部分泥浆进入扭冲工具内部冲击锤与导向机构中，泥浆推动冲击锤敲击钻头座，由此传递给钻头，完成一次扭击；换向机构在泥浆的推动下，实现换向，泥浆再推动冲击锤反向敲击钻头座，再完成一次反向扭击。PDC钻头在接收钻柱传递转矩的同时，可接收来自扭冲12～40 Hz的周向冲击能量[9]。

2.5 复合冲击钻具

中国石油大学（北京）研制的复合冲击钻具，泥浆在流经喷嘴时会产生压耗，有一部分泥浆通过换向轴进入径向扭击腔和轴向振击腔。其中径向扭击腔与SLTIDT型扭冲工具工作原理相同，通过流道变化，可以输出径向扭击，轴向振击腔在换向轴的往复转动中，高低压腔轮流切换，轴向冲击锤上下锤击工具本体，再传递到钻头座上，复合冲击钻具的轴向冲击由轴向冲锤的轴向运动来实现，往复扭转冲击由摆锤的周向往复转动来实现，结构形式如图4所示[10]。