复合冲击钻具的研制及现场试验

在油气井钻井施工中，为提高硬地层的机械钻速，通常应用PDC钻头钻进，但存在PDC钻头易出现黏滑振动、机械钻速提高幅度不大等问题[1-2]。为此，R.W.Tucker等人[3]设计了钻头振动控制系统，实时监测钻头处的振动情况，并根据监测结果调整转盘转速和钻压来抑制PDC钻头的黏滑振动，但其结构较为复杂，可行性不高。后来国内外分别研制应用了扭力冲击器抑制PDC钻头的黏滑振动[4-7]，并在部分地层的应用中获得了较为明显的提速效果。另外，硬地层机械钻速低的另一个原因是钻头吃入深度不够以及钻头对岩石的作用强度不高[8]。为此，国内外研制应用了旋冲钻具[9-17]，并有效提高了硬地层的机械钻速，但是该钻具会对下部钻具组合以及钻头的使用寿命产生不利的影响，从而限制了其推广应用。为进一步提高硬地层的机械钻速并抑制PDC钻头的黏滑振动，笔者将扭力冲击器和旋冲钻具的特点相结合，提出了一种复合冲击破岩新技术[18]，研制了复合冲击钻具，并在葡4-32井进行了现场试验，与邻井相比，机械钻速提高了60.2%。

复合冲击钻具主要由壳体组件、连接短节、换向机构、轴向冲锤、摆锤、冲击筒、喷嘴、悬挂机构以及钻头座组成，如图 1所示。复合冲击钻具上端接钻铤，下端接PDC钻头。

复合冲击钻具的换向机构有A，B，C和D 4条通道，其中，通道A和B分别与轴向冲锤的上下腔体对应，通道C与摆锤换向通道相连，通道D与摆锤的摆腔相连。换向机构的转动会改变各通道与之相对应通道之间的开启和关闭状态，从而改变高压流体和低压流体的流动方向。

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[16]。

复合冲击钻具内的轴向冲锤和摆锤在钻井液的驱动下会高速运动，由于钻井液中含有固相颗粒，会加剧运动副的磨损。当运动副磨损严重后，会造成泄漏量增大，降低其性能，甚至造成其提前失效。为了避免出现这种情况，对所有运动副进行了耐磨处理，主要包括：轴向冲锤、换向机构以及摆锤整体碳氮共渗；冲击筒内壁喷涂硬质合金粉末，并进行烧结。

喷嘴是复合冲击钻具的关键部件，直接在工具内部形成压降。喷嘴处流体的流速较快，冲蚀会很严重。因此，选择YG8硬质合金作为喷嘴材料，并对其表面进行打磨处理。

由于复合冲击中的轴向冲击功较大，当钻头没有接触井底时，轴向冲击载荷由螺纹来承受，会对螺纹造成一定损伤。为了避免发生这种情况，复合冲击钻具设计了防空打结构。当钻头没有接触到井底时，复合冲击钻具内的换向机构、摆锤、冲击筒以及钻头座会一起向上移动至悬挂机构的上端面处(如图 1所示)，此时轴向冲锤的通道B被挡住，高压流体不能流入轴向冲锤的通道，不产生轴向冲击。只有当钻头接触到井底，推动换向机构、摆锤、冲击筒以及钻头座整体向上移动，通道B才会被完全打开，轴向冲击才会产生，并通过端面传递给钻头。

复合冲击钻具的主要结构参数为：轴向冲锤质量为25 kg，摆锤质量为6 kg，外壳直径为177.8 mm，接头为431×430接头。

复合冲击钻具的主要技术特点：

1) 能同时给钻头提供高频单向轴向冲击和往复扭转冲击，提高破岩效率；

2) 保护切削齿，提高钻头的使用寿命；

3) 可以根据地层特性和钻头性能，通过改变喷嘴直径调节其性能；

4) 该钻具能与井下动力钻具配合使用；

5) 全采用金属材料，适用温度高。

为了验证复合冲击钻具的可行性，同时测试其性能，进行了复合冲击钻具地面试验。图 2为复合冲击钻具地面试验流程。

将复合冲击钻具固定安装在试验台架上，其入口与泵出口连接，出口通过高压水管与水罐连接。试验台架的入口和出口处分别安装有压力传感器。复合冲击钻具外部安装有加速度传感器来测量钻具的冲击频率及冲击功。

通过地面试验研究了复合冲击钻具性能参数与排量、喷嘴直径之间的关系，结果见图 3—图 5。

图 3为不同直径喷嘴下复合冲击钻具冲击频率与排量的关系。

由3可知：在喷嘴直径相同的情况下，复合冲击钻具轴向冲击和扭转冲击的频率随排量增大而增大，两者基本呈线性关系；在排量相同的情况下，复合冲击钻具轴向冲击和扭转冲击的频率随喷嘴直径增大而减小，喷嘴直径越大，冲击频率越小。

图 4为不同直径喷嘴下复合冲击钻具扭转冲击功和轴向冲击功与排量的关系。

由图 4可知：在喷嘴直径相同的情况下，复合冲击钻具的扭转冲击功和轴向冲击功随排量增大而逐渐增大，两者近似呈二次函数关系；在排量相同的情况下，复合冲击钻具的扭转冲击功和轴向冲击功随喷嘴直径增大而减小，喷嘴直径越大，冲击功越小。

图 5为不同直径喷嘴下复合冲击钻具压降与排量的关系。

由图 5可知：在喷嘴直径相同的情况下，复合冲击钻具的压降随排量增大而逐渐增大；在排量相同的情况下，复合冲击钻具的压降随喷嘴直径增大而减小。

地面试验结果显示，复合冲击钻具能实现同时产生轴向冲击和扭转冲击的功能，且在连续运行30 h后，还是较为平稳，没有出现故障，证明复合冲击钻具是可行的。

通过分析复合冲击钻具性能参数与排量和喷嘴直径的关系可知，复合冲击钻具的性能参数与排量和喷嘴直径直接相关：在相同喷嘴直径下，排量越大，复合冲击钻具的冲击功和冲击频率越大，但是也造成压降越大；在相同排量下，喷嘴直径越小，复合冲击钻具的冲击功和冲击频率越大，但是也会造成压降越大。因此，现场应用复合冲击钻具时，需要根据携岩需要的排量和压降要求，优选喷嘴直径。

选取吐哈油田的葡4-32井作为试验井，该井为直井，设计井深为3 335.00 m，试验井段为2 798.00～3 337.00 m，所钻地层为致密灰紫色泥岩与灰色泥岩互层。

复合冲击钻具试验前的一趟钻采用“螺杆+PDC钻头”复合钻井方式钻进，由于地层中有硬度较高的夹层，造成扭矩波动较大，机械钻速较慢(约为4.00 m/h)。该趟钻的PDC钻头入井总时间为30 h，由于机械钻速过慢，结合所钻地层的性质，判断钻头已严重磨损，起钻后发现钻头出现严重的崩齿现象。

复合冲击钻具在葡4-32井试验时的钻井参数为：转盘转速90 r/min，钻压60～80 kN，钻井液排量35 L/s。所用钻井液密度1.35 kg/L，选用了五刀翼、5个φ22.0 mm喷嘴的PDC钻头。钻具组合为：φ215.9 mm PDC钻头+φ177.8 mm复合冲击钻具+2根无磁钻铤+14根加重钻杆+钻杆。

为了保证钻井过程中所需要的排量，要求复合冲击钻具的压降不能超过4 MPa，因此，复合冲击钻具选用φ20.0 mm喷嘴。

试验过程中，转盘扭矩较为平稳，PDC钻头未出现黏滑振动。复合冲击钻具的入井总时间为92 h，其中纯钻进时间为64 h，累计总进尺为539.00 m，平均机械钻速为8.42 m/h，而邻井相同层位采用了“螺杆+PDC钻头”复合钻井方式，平均机械钻速为5.25 m/h。与邻井相比，使用复合冲击钻具后平均机械钻速提高了60.2%。

图 6为复合冲击钻具试验后起出的钻头。从图 6可以看出，起出后的钻头较新，切削齿出现正常磨损，基本没有出现崩齿现象，符合再次入井标准，证明使用复合冲击钻具能起到保护PDC钻头的作用。对起出的复合冲击钻具进行拆卸检查，发现内部部分位置出现冲蚀，但不影响正常使用。

现场试验表明，复合冲击钻具可靠性较好，能有效提高机械钻速，控制PDC钻头的黏滑振动，起到保护PDC钻头的作用。

1) 为提高硬地层机械钻速，控制PDC钻头钻进硬地层存在的黏滑振动问题，研制了能实现扭转冲击和轴向冲击的复合冲击钻具。

2) 复合冲击钻具的冲击频率、冲击功及压降与排量和复合冲击钻具喷嘴直径密切相关：复合冲击钻具喷嘴直径一定时，冲击频率、冲击功和压降随排量增大而增大；排量一定时，复合冲击钻具的冲击频率、冲击功和压降随喷嘴直径增大而减小。

3) 在葡4-32井的现场试验表明，复合冲击钻具的可靠性较好，能有效提高机械钻速，抑制PDC钻头的黏滑振动，起到保护PDC钻头的作用。

4) 为充分发挥复合冲击钻具的作用，应进行复合冲击钻具冲击频率和冲击功与地层的匹配性研究。

5) 由于复合冲击钻具是一种新型的提速工具，目前对其研究较少，对其相关配套技术的研究较少，建议进行相关配套技术的研究。