冲击钻井工具的研制与应用

李相勇

（大庆钻探钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163413）

冲击钻井工具的研制与应用

李相勇*

（大庆钻探钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163413）

大庆油田深井数量逐年增多，深部地层研磨极值高，机械钻速低，造成钻井周期和成本增加。研制了一种利用高压液流提供纵向振动的井下工具——冲击钻井工具。对冲击钻井工具的结构、原理、技术特点等方面进行了详细的阐述。现场试验验证冲击钻井工具使用效果良好。

钻井；冲击钻井工具；纵向振动；辅助破岩

随着油田深部油气藏勘探和开发的深入，深井钻井数量逐年增多。钻井深度不断增加，钻遇地层日益复杂，大庆油田深部地层普遍存在岩石坚硬、研磨极值高、单只钻头进尺少、钻头寿命短、机械钻速低等特点。而冲击钻井工具能够为钻头提供额外的高频冲击，辅助钻头破岩，提高破岩效率，大幅提高深层钻井机械钻速，缩短钻井周期，降低钻井成本，具有较好的市场应用前景。

1　国内外技术现状

国外美国NOV公司自主研发了fuildhammer工具已在四川、甘肃、青海、新疆等地区有大量的应用，均取得了良好的效果。该工具能够产生轴向高频冲击，在保证井身质量的同时提高机械钻速。2013年5月该工具在大庆徐深9-平4井应用，前期钻速较快，但后期钻速明显降低，分析原因为工具寿命存在一定问题。

西南石油大学和地质矿产部勘探技术研究所分别研制出此类工具，均可实现轴向冲击，但压耗较高，并且均存在寿命问题。

2　技术分析

2.1结构组成

如图1所示，冲击钻井工具由动力机构、冲击工具上本体和冲击工具下本体3大部分构成。

2.2工作原理

动力机构内部的转子在钻井液驱动下高速旋转，转子下端连接冲击心轴，动力机构转子连接冲击机构，并带动冲击机构旋转，产生高频的机械冲击传递给冲击工具下本体，冲击工具下本体连接钻头，使高频机械冲击传递给钻头辅助钻头破岩，实现冲击钻井提速的目的。

图1　冲击钻井工具总装图1.动力机构；2.冲击工具上本体；3.冲击工具下本体

3　关键技术及制造难点

3.1高频动力传递与转换技术

利用动力机构提供旋转动力，通过冲击机构将周向转动转化为高频纵向冲击，并有效传递给钻头。针对该项关键技术，设计了螺旋面旋转冲击机构，如图2、图3所示，该机构主要由固定凸轮体和锤座组成，凸轮体固定在冲击工具上本体上，周向上与动力机构外壳体保持一致；锤座固定在冲击工具下本体上，且锤座内部设计有花键机构与冲击心轴连接，当动力机构心轴旋转带动冲击心轴旋转，使凸轮体与锤座相对转动。

图2凸轮体　

图3锤座

3.2表面抗磨损抗冲击技术

工具受钻井液冲蚀和高频的机械冲击及摩擦，影响工具使用寿命，需要提高内部机构表面的抗磨损和抗冲击能力。针对冲击机构磨损问题，进行了材料优选，采用抗冲击性强、耐磨性高的锰钢，并进行表面高频淬火，增加表面硬度，改善表层组织结构，进一步提高了工具寿命。

4　室内试验

冲击钻井工具输入端连接高压管线连接，输出端连接回水管线，通过F1300泥浆泵进行循环，试验介质为清水，此时构成一个连接冲击钻井工具的循环系统。在冲击钻井工具下本体处安装频率测试仪，开泵循环，工具有明显纵向振动，同时排量在30L/s时，振动频率为35Hz，泵压为1.0MPa。

5　现场应用

2015年11月研制的冲击钻井工具在汪深1-4井开展了现场试验，应用层位为泉头组泉二段至登娄库登四段，单趟钻进尺349m，平均机械钻速4.53m/h，累计工作时间102h，与上一趟钻牙轮钻头钻进相比机械钻速提高了127%，进尺提高190%。与临井汪深1-1井同层位平均机械钻速提高144%，平均单只钻头进尺提高223%；对比效果显著；同时该工具现场应用压耗较低，排量34L/s时压耗仅为1MPa；井斜控制较好，入井井斜为0.8°，使用后井斜变为0.2°。现场试验表明：使用冲击钻井工具后机械钻速明显提升。

6　结论

（1）自主研发出能够冲击破岩、提高机械钻速且安全可靠的冲击钻井工具，以满足深井提速和降低钻井成本的需求；

（2）独特的螺旋面传动机构实现了冲击载荷的平稳输出；

（3）现场试验效果明显，现场适用性强，寿命高于国外同类产品，提速效果显著。

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TE21

A

1004-5716（2016）04-0053-02

2015-12-31

2015-12-31

李相勇（1983-），男（汉族），山东平度人，工程师，现从事钻井、完井新工具研发技术工作。