扭转冲击器研究及应用

卢玲玲，何东升，张伟东，贾礼霆（．西南石油大学　机电工程学院，成都60500；．宝鸡石油机械有限责任公司，陕西　宝鸡700）

扭转冲击器研究及应用

卢玲玲1，何东升1，张伟东2，贾礼霆1
（1．西南石油大学机电工程学院，成都610500；2．宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡721002）①

扭转冲击器作为深部硬地层快速钻进的关键技术，是一种集机械剪切、水力和扭转冲击为一体的新型钻井工具。介绍了国内外现有扭转冲击器的研究现状和实际应用情况，阐述了其结构、特点以及工作原理，对比分析了各扭转冲击器关键技术的优势与不足，指出了扭转冲击器应朝着提高产品结构可靠性、适应高密度钻井液下工作等方向研究，同时也指出了扭转冲击器在钻井领域有着很好的应用及发展前景。研究结论对提高和完善国内扭转冲击器技术、实现国产化以及配套P D C钻头的研制和改进具有一定的参考价值。

扭转冲击；快速钻进；研究现状；现场应用

在高硬度或砾岩地层中实现快速钻进是钻井过程中的技术难题，当P D C钻头钻硬地层或研磨性地层时，钻头可能会出现转矩不足而无法破碎地层，此时钻柱因弹性势能的积蓄持续扭转，直至P D C钻头克服地层阻力，钻柱中的能量便会瞬间释放出来，使钻柱与钻头一起产生剧烈振动，钻头突然加速，造成钻头损坏，即粘滑现象［1］。P D C钻头配合扭转冲击器使用，此时的P D C钻头上有2个力作用在切削地层，一个是钻盘提供的扭力，另一个是扭转冲击器直接传递到钻头上的额外扭向冲击力，钻头无需等待扭力积蓄就可以直接切削地层，并且对钻杆不产生任何作用，只作用在钻头本身，此时钻杆的转矩基本稳定，钻杆传达的转矩可以完全用于切削地层。在钻井过程中，围绕由粘滑现象造成的钻头失效问题，扭转冲击器是旋转钻井体系下简便且综合效益较高的技术［2］。扭转冲击器直接安装在P D C钻头的上方，给钻头直接施加低幅高频扭转冲击，产生高效的破岩转矩，从而大幅地降低钻头的粘滑现象。扭转冲击器的关键技术在于利用钻井液驱动内部冲击锤做反复的扭转冲击，将流体能量转换成一定频率、周向扭转、冲击型的机械破岩能量，并直接传递给钻头［3］。扭转冲击器外部尺寸紧凑，内部机械结构合理，流道通畅，无任何橡胶件，无任何电子元件。当扭转冲击器失效时，不会对整个钻进过程产生任何影响，无需起下钻，只是相当于一个钻头短节和P D C钻头一起旋转，只是性能回到没有扭转冲击器时的状态，机械钻速降低。

1 国内外扭转冲击器研究现状

目前，国外Ulterra公司、H alliburton公司，国内西南石油大学、中国石油大学对扭转冲击器都有一定的研究。Ulterra公司的TorkBuster利用高速的钻井液驱动涡轮，带动驱动器敲击传动轴，将扭转冲击能量传递给钻头。H alliburton公司的旋转冲击装置，利用钻井液带动叶轮旋转，使冲击块反向冲击砧座，传递能量。西南石油大学公布的一种扭转冲击钻井工具是利用螺杆带动驱动器，其原理与Ulterra公司的TorkBuster工作原理相似。另外，中国石油大学公布的SL TID T型扭转冲击钻井提速工具，利用钻井液的流体压差，直接驱动内部冲击锤做圆周反复冲击。

1．1 Torkbuster工具以及扭转冲击钻井工具

Torkbuster扭转冲击钻井工具主要由壳体、传动轴、驱动器、滑动块、传动销、推力轴承、定轴、涡轮等组成［4 7］（如图1），利用高速钻井液驱动涡轮（或螺杆）旋转，带动滑动块凸起旋转敲击传动轴凸起，将扭转冲击能量传递给钻头。工具上端经转换接头与钻铤相连，下端传动轴直接与钻头相连。钻井液驱动固定在定轴上的涡轮转子（螺杆）转动，定轴随涡轮转子转动，旋转的定轴通过螺纹带动驱动器同速转动，此时涡轮转子、定轴、驱动器的转速相同。而进入涡轮段的钻井液大部分经定轴上开有的导流孔流入传动轴，其余通过定轴与壳体之间的间隙进入冲击碰撞处，再经流砂孔流出。滑动块上开有环形凹槽和条形凹槽，条形凹槽具有导向作用，滑动块以环形凹槽中的传动销为轴转动，条形凹槽则作为另一传动销的运动轨道，传动轴和滑动块都设有凸起，凸起部分配合形成棘轮结构（如图1a）。驱动器位于壳体与传动轴之间，依靠传动销将扭矩传递到滑动块，驱使滑动块转动。滑动块转动，使滑动块凸起与传动轴凸起发生碰撞，从而将流体能量转换成机械冲击能量，同时迫于传动轴的阻力，凸起部分快速分离，使传动轴得到频率较高的冲击性转矩，滑动块继续旋转进行下一次碰撞。

该工具的长度小，用钻井液驱动涡轮提供动力，结构简单；壳体上端与转换接头连接，壳体内部设有台阶，安装方便；驱动器与壳体间留有间隙，传动轴开有流砂孔，可以用钻井液冷却碰撞处并清除沉积砂粒；但该工具涡轮（螺杆）部件多，易损坏，传递效率低。

图1 TorkBuster扭转发生冲击钻井工具

1．2 Haiiiburton公司的旋转冲击装置

哈里伯顿旋转冲击装置［8］（如图2）主要由砧座、冲击块、叶轮、涡轮头等部分组成。当钻柱的转矩满足钻头的正常钻进时，叶轮和砧座之间有较大的间隙，钻井液全部流入主轴孔，装置不提供冲击转矩；当钻头遇到阻力时，间隙变小，进入涡轮头的钻井液不再进入主轴孔中，而是经涡轮头的斜流道流入壳体与叶轮之间的空腔中，当叶轮的弧形腔与砧座弧形腔对齐时，流体密封在此空腔中，高压流体作用在冲击块斜面，带动与其连接在一起的扭转弹簧转动，储蓄能量，直到冲击块的相对速度为零时扭转弹簧蓄能完毕，此时的叶轮转过一定角度，流体也不再进入弧形空腔，密封在弧形空腔中的流体由砧座内侧流道流出并进入主轴孔，弧形空腔中的钻井液压力降低，扭转弹簧开始释放能量，使2个冲击块迅速反向旋转，冲击砧座，并完成一个撞击周期。

冲击块采用分体式设计，使用连接轴连接，转动惯量小，相同频率时冲击能量小，且分体设计不能保证扭转冲击同步，有冲击紊乱、起反作用的可能。H alliburton公司的旋转冲击装置采用钻井液直接驱动，没有涡轮（或螺杆）部件，可靠性高。

图2 哈里伯顿扭转冲击装置

1．3 SLTID T型扭转冲击钻井提速工具

SL TID T型扭转冲击钻井提速工具是根据TorkBuster工具和H alliburton公司的旋转冲击装置改进的［9］，由钻铤接头和扭转冲击器组成。扭转冲击发生器主要由导流盖、截流喷嘴、冲击锤、定位套、筛管、锤座和支撑装置组成（如图3）；钻铤接头与扭转冲击器以花键组合定位，由联接体间隙联接；导流盖与锤座固定后内部形成空腔，空腔内由内到外依次为截流喷嘴、筛管、定位套、冲击锤。

工作时，由锤座和冲击锤形成相互隔离的钻井液流道。钻井液经截流喷嘴分流成3部分：一部分通过锤座上的主轴孔直接到达钻头；另一部分钻井液经过锤座上的导流道与第3部分经过筛管上开有的过流槽流出的钻井液相互作用驱动冲击锤旋转，冲击锤与锤座形成冲击仓，随着冲击锤的转动，冲击仓中的钻井液流出，压差增大，推动冲击锤继续转动，直至冲击锤敲击锤座，此时定位套的流道打开，定位套反向触发带动冲击锤向反方向旋转，周而复始。该钻井工具内部的运动部件少，易损件少，结构简单。

图3 SL TID T型扭转冲击装置

2 现场应用研究

2．1 地层性质

目前，TorkBuster在国内外的应用比较广泛，国内在祈参1井、元坝地区、塔河油田、玉北区块、青西白垩系现场等地区都有应用［10 13］。祈参1井的地质资料不完整，岩层夹层多，钻头型号选择困难，参数无法强化都是制约钻井提速的瓶颈问题；元坝地区地层砂泥岩交错、研磨性强，地层可钻性差，粘滑现象严重；青西现场钻井提速难点主要表现在白垩系地层岩性硬度大，最高达到6～8级，钻头牙齿难以吃入地层，30%的进尺耗用60%的钻井周期。综合可知，扭转冲击发生器可适用于地层温度高、压力大、岩石坚硬、可钻性差的地层。

2．2 技术参数［14］

TorkBuster主要技术参数如表1。

表1 TorkBuster主要技术参数及规格

2．3 效果分析

1） 机械钻速大幅提高。扭转冲击器很好地解决了地层钻速较慢的问题，消除钻头钻进时可能出现的振动以及粘滑现象，平均机械钻速可以达到常规钻速的3倍以上。即使后期泥浆密度比较高，提高机械钻速的效果仍比较明显，但是寿命缩短。

2） 钻头寿命得到提高。综合现场来看：第一趟钻，钻头提取出来完好，没有损害，冲蚀也不是很严重，具备再次入井的条件，经济效益大幅提高；第二趟钻，在高密度、高冲蚀的情况下，钻头平滑磨损，钻头性能比较之前选型，寿命大幅提高。

3） 使用扭转冲击器配合P D C钻头钻井后，转盘扭矩平稳，额外提供的力对钻杆没有任何作用，只作用在钻头体本身，钻杆的扭矩基本稳定，所以使用扭转冲击器钻井时不会影响录井和测井。

4） 经济效益得到提高。配合P D C使用，钻头寿命延长，起下钻次数减少，钻井时间减短，节省钻机租赁费用、材料和人工成本。

5） 自带稳定器的扭转冲击器在提速的同时，还能起到防斜的作用，保证井身质量。

3 结论

1） 扭转冲击器能够减少钻井粘滑现象，提高机械钻速，延长钻头寿命，减小钻柱振动，降低钻进成本。

2） 不同结构的扭转冲击器，其工作原理基本类似，都是将钻井液的流体能量转换为扭转冲击力，进而将能量传递给钻头。

3） 根据地层因素选择和调整相应的钻头类型、优化施工参数和钻具组合，尤其钻硬地层时，应调整好合适的钻井参数，将扭转冲击器的提速作用发挥到最大。

4） 扭转冲击器还有待改进，使之在高密度钻井液中也能持续高效工作，通过提前预处理，使重浆粘度得到控制，避免直接加重晶石吸附井壁以及粘度突升情况的发生。

5） 扭转冲击器技术的研究，在现场取得了良好的应用试验效果，但是，国外扭转冲击器先进技术及设备引进成本较高，国内钻机配套钻头又很难与进口扭转冲击器匹配，所以，国内应加大自主研发力度，早日突破该项技术瓶颈。

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Research and Appiication Prospect of Torsionai Impact Hammer

LU Lingling1，H E Dongsheng1，ZHANGWeidong2，JIA Liting1
（1．School of M echanical and Electronic Engineering，South west Petroleu m Universitu，Chengdu610500，China；2．Baoji Oilfield M achineru Co．，Ltd．，Baoji721002，China）

Torsionalim pact ha mmer is the key technology of fast drilling in deep and hard forma tion．Itis a new type of drilling tool collecting of mechanical shear，hydraulic and torsionalim pact．T he study intended to introduce the current research and actual application of torsional im pact ham mer both at ho me and abroad，specifically expound its structure，characteristics and w orking principle，co m paratively analysis the key technology of the torsionalim pact ha m mer’s advantages and disadvantages，point out that the localization of the ha m mer should focus on such aspects as reliable tool structure，w orking in high density drilling fluid，as well as a good application and prospect for develop mentin the field of drilling．T he study conclusion is certainly and referentially valuable for im provement and perfection of torsionalim pact ha m mer，realizing nationalization，the sa me too supporting the develop ment and im provement of P D C bit．

torsionalim pact；fast drilling；research status；field appl ication

T E921．2

A

10．3969／j．issn．1001 3842．2015．06．019

1001 3482（2015）06 0082 04

①2014 12 03

中地共建资助项目（010086012）

卢玲玲（1990 ），女，江苏南通人，硕士研究生，主要从事钻井机械的研究，Email：lingling2xl＠163．co m。