液动冲击钻井技术发展与应用现状.pdf

2 0 1 4年第 4 2卷第 6期 石 油机械 CHI NA P ET R0L EUM MACHI NERY ●钻井技术与装备 液动冲击钻 井技术发展 与应用现状 付加胜 ， 李根生 田守增 史怀忠 1 ．中国石油集团钻井工程技术研究院2 ．中国石油大学 北京油气资源与探测国家重点实验室 摘要 冲击钻井比传统钻井或者金 刚石钻井的机械钻速高，特别是在硬质地层能大幅提 高机 械钻速。在介绍冲击钻井技术特点的基础上 ，分析 了国内外冲击钻井技术 的研 究进展和应用情况， 对国产液动射流式冲击器 、射吸式冲击器和 阀式冲 击器 的结构特 点和性能参数进行 了对 比分析。 指出阀式液动冲击器在井下的工作寿命和 稳定性有待提高 ，射流 式冲击器 的工作压 降有待降低。 最后提出冲击器的2个研制方 向一是高频率、小单次冲击功；二是低频率 、大单次冲击功。 关键词冲击器；冲击钻井；机械钻速 ；研 究进展；应用现状 中图分类号T E 9 2 1 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 4 ． 0 6 ． 0 0 1 The Cu r r e n t De v e l o pme nt a nd App l i c a t i o n o f Hy dr a u l i c Pe r c us s i o n Dr i l l i n g Te c hno l o g y F u J i a s h e n g L i Ge n s h e n g T i a n S h o u c e n g S h i Hu a i z h o n g 1 ． D r i l l i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e ，C N P C 2 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f P e t r o l e u m R e s o u r c e a n d P r o s p e c t i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y of P e t r o l e u m，B e lti n g Ab s t r a c t Th e p e r c u s s i o n d r i l l i ng h a s a f a s t e r ROP t h a n d r i l l i n g wi t h c o n v e nt i o n a l b i t s o r wi t h d i a mo n d bi t ， a nd c a n s i g ni f i c a n t l y i mpr o v e t he ROP e s pe c i a l l y i n d ril l i n g h a r d l a y e r s ．Ba s e d o n t he i n t r o d u c t i o n o f t e c h ni c a l f e a t ur e o f t h e p e r c u s s i o n d r i l l i n g，t h e r e s e a r c h pr o g r e s s a nd a p p l i c a t i o n o f i mp a c t d r i l l i ng t e c h n o l o g y b o t h i n d o me s t i c a n d f o r e i g n a r e a n a l y z e d ． T h e s t r u c t u r a l f e a t u r e s a n d p e r f o r ma n c e o f d o m e s t i c h y d r a u l i c j e t h a m me r ，j e t d r a w h a mme r a n d v a l v e a c t u a t e d h a mme r a r e c o n t r a s t i v e l y a n a l y z e d ． I t i s p o i n t e d o u t t h a t t h e wo r k i ng l i f e a n d s t a b i l i t y o f h y d r a u l i c v a l v e a c t u a t e d h a m me r n e e d t o b e i m p r o v e d ， a n d t h e p r e s s u r e d r o p o f h y d r a u l i c j e t h a m me r n e e d t o b e r e - d u c e d． Th e r e e x i s t t wo r e s e a r c h d i r e c t i o n s ，o n e i s h i g h f r e qu e nc y h a mme r wi t h s ma l l s i n g l e i mp a c t i n g e n e r g y a n d a n o t h e r i s l o w f r e q u e n c y h a mme r wi t h l a r g e s i n g l e i mp a c t i n g e n e r g y ． Ke y wo r ds h a mme r ；pe r c u s s i o n d ril l i ng；ROP；r e s e a r c h p r o g r e s s；a p p l i c a t i o n s t a t us 0 引 言 据估计 ，美国在硬质地层钻井领域每年花费约 1 2 亿美元，如果在钻头合理寿命 内，硬质地层中 的机械钻速能够提高 1 倍 ，则 能节约费用 2～ 6 亿美元 。 冲击钻井技术一直成功应用于地层相对较浅的 固体矿物勘探开发 中，能有效提高钻进效率 ，从而 备受油气钻井行业 的关注。钻头在冲击动载作用下 破碎岩石 ，旋冲钻井则在冲击钻井的基础上加上钻 头旋转作用剪切破碎岩石。冲击钻井 的机械钻速一 般比旋转钻井高 2～ 3倍 ，且 冲击钻井能有效降低 钻井成本 ，缩短钻井时间。 2 0世纪 5 0至 6 0年代 冲击钻井技术得 到了快 速发展 ，有关研究人员进行 了冲击钻井原理试验研 究和一些单井现场应用。在 2 0世纪 8 0年代 以前 ， 冲击钻井技术未见大规模的现场应用报道 ，这主要 基金项 目国家重点基础研究发展计划 9 7 3计划项 目 “ 深井 复杂地层安 全高效 钻井基 础研究 ” 2 0 1 0 C B 2 2 6 7 0 0 ；国家科技 重大 专项 “ 复杂结构井优化设计与控制关键技术” 2 0 1 1 Z X 0 5 0 0 90 0 5 。 石 油机械 2 0 1 4年第 4 2卷第 6期 是因为冲击器频繁的机械故障以及经济效益的不确 定性。从 2 0世 纪 9 0年代开 始 ，石油钻井 越来越 深 ，岩石强度也随着井深的增加越来越硬 ，冲击器 可以应对这些挑战，许多学者对此进行 了大量的工 具设计和试验研究 。笔者介绍 了冲击钻井技术 的特 点 ，并对国内外冲击钻井技术 的发展现状和应用情 况进行了分析 ，指出了冲击钻井技术 的发展趋势 ， 以期推动我国冲击钻井技术的快速发展 。 1 冲击钻井的特点 1 ． 1 优点及可能的应用 冲击钻井比传统钻井或者金刚石钻头钻井的机 械钻速高 ，尤其在一些硬质地层 ，例如花岗岩、砂 岩 、石灰岩和白云岩等 J 。在相同的转速和钻压 下 ，在 中等硬度的花岗岩中，旋冲钻井的机械钻速 是传统旋转钻井方式的7 ． 3 倍，即使在两者都有利 的操作条件下 ，旋冲钻井机械钻速也比旋转钻井高 2 ． 3倍 j 。这是因为钻头齿对岩石 的频繁冲击和高 冲击强度 的作用 ，以及钻 头旋转时对岩屑清洗 良 好 。机械钻速的提高还可带来钻井成本的降低。 冲击钻井的其他优点 j 1 相同的机械钻 速时，冲击钻井所需 钻压 小，减小了钻柱受力 ； 2 与岩石接触 时问较 短，只 占总钻井 时间 的 1 ％ ～ 2 ％ ，可减少钻头磨损并延长钻头寿命 ； 3 由于钻头齿的破岩方式 以冲击破岩为主， 所钻井眼的井斜角较小且直井的井斜角较易控制 ， 从而改善井眼状况 ； 4 产生的岩屑颗粒较大 ，有利于岩屑录井 ， 能够给地质研究提供更好的资料 ，但大颗粒岩屑也 对大井眼快速钻井带来井眼清洁问题。 冲击钻井可能的应用 1 冲击器可以作为井底地震 信号源而用 于 测井 ； 2 冲击器可作为导向钻井的部件 ； 3 冲击能量可以用 于井 下发电和井下 高压 射流增压。 1 ． 2 存在的问题 尽管冲击钻井很长时间都是油气钻井行业关注 的热点，但 由于冲击器机械故障、经济效益的不确 定性等因素影响了钻井行业对其的认可，主要有 以 下关键问题尚待解决。 1 冲击器 的优化问题 ，如 冲击器种类 、冲 击次数 、单次冲击能量 直接 关系冲程 、活 塞面 积和供 给压 力等 ，经济 上能接受的最优机械钻 速更在于现场实际应用 ，而不是理论验证 ； 2 冲击器切削齿易泥包而失去钻进能力 ； 3 过大 的冲击 能量会 带来井 眼稳 定 问题 ， 如页岩中产生空腔、扩孔或振动引起 的井壁坍塌 ； 4 页岩和其他软地层 中应用效果差 ； 5 引起钻柱和钻机严重振动 ； 6 定 向井、水平井 、微小井 眼井 或连续管 钻井使用冲击钻井方式的效果没有先例。 2 国内外冲击钻井技术研究进展和应 用情况 冲击器又称 冲击锤 ，是冲击钻井的关键设备。 冲击器使用时安装在钻头上部 ，冲击器的活塞和冲 锤在钻井介质的推动下做轴 向运动 ，并对钻头产生 冲击作用。冲击器根据使用介质的不 同分为空气锤 和液动冲击器。液动冲击器靠钻井液驱动 ，其动力 介质为液体 。由于冲击钻井能显著提高破岩效率 ， 因而技术进展迅速 ，且将使用范围拓展到矿山、地 质勘探、石油钻井 、地热钻井及工程 勘察等领域。 2 0世纪初 ，俄罗斯工程师 B ．沃尔斯设计 了液动冲 击器 ，并进行了相关设计分析。 液动冲击器分为阀式和无阀式 2种 ，前者包括 双作用、反作用和正作用等 3种类型 ，后者包括射 流式 、孔底反循环式 、射吸式和绳索取心式等 4种 类型。目前 ，国内外许多公 司都在进行液动冲击器 的研究 。国外有美 国泛美石油公司、P e r t h钻探设 备公司、S m i t h t o o l 公司、T e r r a l o g技术公司、P D V S A ． I n t e v e p公司 、巴西石油公 司、A m e r a d a He s s 公 司、德国克劳斯塔尔工业大学 、B B J 工具公司和加 拿大 S u n c o r 能源公 司等 ，其研究主要 以各类 阀式 冲击器为主_ 5 J 。国内研究机构 主要 有 中国石油 大 学 北京 、大庆油 田、吉林大学 原长春科技大 学 、原德州钻井所、渤海油 田、长庆油 田和云南 地质局等 。 2 ． 1 国外的研究情况 2 ． 1 ． 1 美 国公 司的 冲击 器 美国泛美石油公司研制了双作用液动冲击器 ， 在 2 4 0 0 m井深进行了试验 ，在石灰岩地层中机械 钻速比普通钻井方法提高 9 6 ％ ～ 3 5 0 ％ ，其 主要参 数见表 1 。 美国 P e r t h钻探设备公司研制了 1 5 2 ． 4 mm 6 i n 液 动 冲击 器 ，并 准备 研 制更 大外 径 4 4 4 ． 5 m m的冲击器 ，但未见其应用成果的报道 。 6 石 油机械 2 0 1 4年第 4 2卷第 6期 作压降有待降低 ，射流元件的寿命也需要延长。 冲击器的研制方 向为 一是高频率 、小单次冲 击功。国外 已取得 了一定 突破 ，如 B B J工具公 司 与加拿大 S u n c o r能源公司研 制的液动冲击器 ；二 是低频率 、大单次冲击功。国内在这方面做的研究 工作较多 ，也取得了一定成果 。当冲击器的寿命达 到能配合 1 个钻头使用完时 ，那么液动冲击钻井技 术将会被广泛应用 ，并拓展到新的应用领域。 参考文献 [ 1 ] Wh i t e l e y M C，E n g l a n d W P ． A i r d r i l l i n g o p e r a t i o n s i m p r o v e d b y p e r c u s s i o n b i t ／h a mm e r t o o l t a n d e m [ R]． S PE 1 3 42 9， 1 9 8 6． [ 2 ]P r a t t C A ． Mo d i fi c a t i o n s t o a n d e x p e ri e n c e w i t h p e r c u s s i o n a i r d r i l l i n g[ R ]． S P E ／ 1 A D C 1 6 1 6 6 ，1 9 8 7 ． [ 3 ] Me l a m e d Y，K i s e l e v A，G e l f g a t M，e t a 1 ． H y d r a u l i c h a mme r d ri l l i n g t e c h n o l o g y D e v e l o p me n t s a n d c a p a b i l - i t i e s[ J ]． J o u r n a l o f E n e r g y R e s o u r c e s T e c h n o l o g y ， 2 0 0 0 ，1 2 2 1 1 8 ． [ 4 ]H a n G a n g ，B r u n o M，L a o K ． P e r c u s s i o n d ri l l i n g i n o i l i n d u s t r y R e v i e w a n d r o c k f a i l u r e m o d e l i n g[ C]∥ AAD E 2 0 0 5 Na t i o n a l T e c h n i c al C o n f e r e n c e a n d E x h i b i t i o n，W y n d a m Gr e e n s p o i n t ， Ho u s t o n， T e x a s ， Ap ri l 5 7，2 0 05 ． [ 5 ] S a z i d y M S ，R i d e o u t D G，B u t t S D，e t a 1 ． Mo d e l i n g p e r c us s i ve d ril l i n g pe rfo r ma nc e us i n g s i mu l a t e d v i s c o e l a s t o ． p l a s t i c r o c k m e d i u m [ c ]／ ／ 4 4 t h U ． S ． R o c k Me c h a n i c s S y mp o s i u m a n d 5 t h U ． S ． C a n a d a R o c k Me c h a n i c s S y mp o s i u m，S a l t L a k e C i t y ， U t a h ，J u n e 2 73 0， 2 01 0 ． [ 6 ]L a g r e c a A J ，S a n t a n a D D，S u d r e z G，e t a 1 ． F l u i d p e r - c u s s i o n h a mme r fi e l d t e s t i n t h e alo c t h o n o u s c r e t a c e o u s b l o c k ，e a s t e rn v e n e z u e l a[ C]∥P e t r o l e u m S o c i e t y ’ s Ca na d i a n I n t e r na t i o nal Pe t r o l e um Co nf e r e n c e 2 0 02， C a l g a r y，Al b e r t a ，C a n a d a ，J u n e 1 11 3，2 0 0 2 ． [ 7 ]P l d c i d o J R，【 J a g e A V M，C a r v a l h o D J L ，e t a 1 ． A n e w t y p e o f h y d r a u l i c h a mme r c o mp a t i b l e w i t h c o n v e n t i o n a l d r i l l i n g fl u i d s[ R]． S P E 8 4 3 5 5 ，2 0 0 3 ． [ 8 ] S t a y s k o R，F r a n c i s B，C o t e B ． F l u i d h a mm e r d ri v e s d o w n w e l l c o s t s[ R]． S P E ／ I A D C 1 3 9 9 2 6 ，2 0 1 1 ． [ 9 ] 菅志军，殷琨，蒋荣庆，等 ．油气勘探钻井用液动 射流式 冲击器 的研究 与应用[ J ]．世 界地 质， 1 9 9 8 ，1 7 4 8 8 9 2 ． [ 1 0 ] 菅志军 ，殷琨，蒋荣庆，等．增大液动射流式冲击 器单次冲击功的试验研究 [ J ]．长春科技大学学 报 ，2 0 0 0，3 0 3 3 0 3 3 0 6 ． [ 1 1 ] 蔺刚，殷琨 ，徐克里 ． 钻井用射流式液动冲击器防 [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] [ 1 6 ] [ 1 7 ] [ 1 8 ] [ 1 9 ] [ 2 O ] [ 2 1 ] [ 2 2 ] [ 2 3 ] [ 2 4 ] 空打机构改 型设计[ J ]．石 油机械，2 0 0 7 ，3 5 5 2 32 4 ． 王清岩 ．基于虚拟样机技术的动压反馈式液动冲 击器结构设计与动态仿真分析 [ D]．长春吉林 大学 ， 2 0 0 8 ． 沈建中，贺庆，韦忠 良，等 ． Y S C一1 7 8型液动射 流冲击器在旋冲钻井 中的应用 [ J ]．石油机械， 2 0 1 1 ，3 9 6 5 2 5 4 ． 袁新梅 ，孙起昱，张慢来，等 ． 液动冲击器缸体结 构优化设计 [ J ]．石油机械，2 0 0 9，3 7 1 2 4 2 4 4．71 ． 文平 ，陈波，雷巨鹏，等．液动冲击旋转钻井技术 在玉门青西油田的应用 [ J ]．天然气工业 ，2 0 0 4 ， 2 4 96 46 7 ． 王雷 ，郭志勤 ，张景柱，等 ． 旋冲钻井技术在石油 钻井中的应用 [ J ]．钻采工艺，2 0 0 5 ，2 8 1 8 1 0． 陈朝达 ，高建强，郝建华，等．射吸式双作用油井 深井冲击器设计 [ J ]．石油矿场机械，1 9 9 9，2 8 6 4 3 4 6 ． 蒋宏伟 ，黄成 ，王克雄，等 ． 射吸式液动冲击器内 部流场数值模拟研究 [ J ]．石油机械，2 0 0 7 ，3 5 9 2 52 8 ． 刘玉民，韩玉安，孙艳龙 ，等 ． x c 一8 2型液力旋 冲钻具及配套钻头的性能测试 [ J ]．石油机械， 1 9 9 9 ，2 7 5 2 0 2 3 ． 菅志军，张文华 ，刘国辉 ，等 ．石油钻井用液动冲 击器研究现状及发展趋势 [ J ]．石油机械，2 0 0 1 ， 2 9 1 1 4 3 4 6 ． 陈劲松，翟应 虎 ． S Y Z J型冲击动载发生器的液能 利用研究 [ J ]．石油钻探技术，2 0 0 0 ，2 8 2 3 3 3 5． 王克雄 ，郭清 ． S D D C型液动旋冲接头 的设计理论 研究 [ J ]． 天然气工业 ，2 0 0 7 ，2 7 3 6 9 7 1 ． 王克雄 ，郭清 ，张劲 ． S D D C型双作 用液 动旋 冲接 头能量利用率研究 [ J ]．中国机械工程 ，2 0 0 8 ， 1 9 3 2 8 1 2 8 4 ． 代常友 ．阀式正作用液动冲击器的性能参数分析 [ D]．成都 成都理工大学，2 0 0 7 ． 第一作者简介付加胜，工程师，生于 1 9 8 3年，2 0 1 3 年毕业于中国石油大学 北京油气井工程专业 ，现从事 油气井流体力学与工程研究工作。地址 1 0 2 2 0 6 北京市昌 平 区。 电 话 0 1 08 0 1 6 2 2 2 7 。 E ma i l k a n g 3 3 4 5 1 8 1 2 6 ． c o n。 收稿 日期 2 0 1 31 21 7 本文编辑王刚庆