中原石油工程有限公司管具公司西南项目部 四川南充 637000
摘要：钻井工程的最终目标是以最低的成本钻出高质量的孔。然而，为了实现低成本钻井，在固定的钻头和钻机成本下，必须在尽可能短的时间内获得更多进尺。实践表明，振动冲击工具在不增加地面设备能力的情况下，可以合理地利用和转化泥浆的水力能辅助破岩。振动冲击工具作为降低成本、提高效率最直接有效的手段之一，在行业中得到了广泛的认可和重视。自20世纪以来，美国、苏联、中国、德国等国家对钻井速度工具进行了大量的研究和创新。试验和应用结果表明，振动冲击工具具有以下优点：（1）提高硬地层机械钻速和进尺深度；（2）有效控制井眼轨迹，提高井身质量；（3）缓解钻柱弯曲和恶性振动；（4）改善钻头破岩环境，提高破岩能量，降低破岩阻力。
关键词：钻井；提速用；振动冲击；工具
1轴向振动冲击工具
经过几十年的发展，在油气钻井领域成功应用的主要轴向振动冲击工具有射流冲击器、注吸式冲击器、自激振荡冲击器、脉冲加速器和旋转冲击器。
1.1射流式冲击器
射流式冲击器又称射流式液动锤（见图1），主要利用一个双稳态射流元件的射流附壁切换特性，控制高压液体交替进入冲击器缸体上下腔，从而推动活塞冲锤往复运动。其结构尺寸及性能参数如表1所示。
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图1射流式冲击器结构示意
表1射流式冲击器性能参数
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射流式冲击器具有结构简单、运动件少、工作稳定、不受井底背压影响等特点，与此同时也存在射流元件易冲蚀、液体能量利用率低等不足。近几年吉林大学对射流式冲击器内部的射流元件（见图2）的结构与材质进行了改进优化，将射流元件从传统三体式结构改进成脸谱型两体式结构，将原有底板和盖板的长条形上下腔控制信号孔改为在基板上采用电火花方式加工而成的矩形截面控制道，并且在材质上全部采用YG11C硬质合金。中国石化石油工程技术研究院对缸体、砧子的结构与材质进行了改进，提高了工具的使用寿命，并且通过优化性能参数，首次与PDC钻头配合在6000m井段实现成功应用。
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图2射流元件
射流式冲击器在新疆塔里木、内蒙古和重庆涪陵等地区70余口井的硬脆性地层进行了应用，平均机械钻速提高30%以上。当前，射流式冲击器正朝着改进元件结构及材质、降低压降、提高油基泥浆适应性等方向持续开展攻关研究。
1.2射吸式冲击器
射吸式冲击器结构如图3所示。
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图3射吸式冲击器结构示意
该冲击器主要利用高压液流喷射时产生的卷吸作用，使控制阀和活塞的上下腔产生交变压力差，从而推动活塞和冲锤往复运动。其主要技术特点有：（1）无弹簧元件，运动部件少；（2）结构简单，拆装方便；（3）液体在腔体内畅通性好；（4）对密封性能要求低。
近年来，东北石油大学、西安石油大学和中国石油大学（北京）等高校都在开展射吸式冲击器研究。其中，中国石油大学（北京）运用计算流体力学软件对射吸式冲击器内部流速场和压力场进行了分析，进一步优化了冲击器排量、喷嘴直径、喷嘴结构、冲程等参数。东北石油大学通过室内性能测试，明确了冲击功和冲击频率会随着排量和冲锤质量的增大而增大，研制的Ø100mm射吸式冲击器总长1.2m、工作频率为1000~4000次/min（16~66Hz）、冲击力为500~1000N、压降1~2MPa，该冲击器在新疆塔里木地区配合PDC钻头进行了现场应用，机械钻速同比常规钻具组合提高133%。
西安石油大学对射吸式冲击器喷嘴、控制阀和活塞等零件进行了优化设计，引入激光熔覆技术，提高了零部件耐磨性，研制的Ø178mm射吸式冲击器工作频率8.8Hz、冲击功134.3J、压降2.56MPa，该冲击器在新疆玛湖地区配合PDC钻头进行了现场应用，机械钻速同比常规钻具组合提高31%。
当前，射吸式冲击器应用规模较小，需要在配流行程优化、关键零部件材质优选、工作稳定性和钻井液能量利用率提升等方面开展深入的攻关。
2扭转冲击工具
扭转冲击工具又称扭力冲击器或扭冲工具，它利用泥浆驱动内部冲击摆锤做来回的旋转冲击，将泥浆压力能转换成一定频率、周向扭转、冲击型机械破岩能量传递给PDC钻头。其主要技术特点有：
（1）消除粘滑、涡旋、跳钻振动，减少了反冲扭矩和扭矩振荡；（2）高频扭转冲击能够提高PDC切削齿剪切岩层效率，提高了机械钻速；（3）延长了钻头寿命、减少了起下钻次数，缓解了下部钻具组合疲劳损伤；（4）有效地控制井眼轨迹，提高了井身质量。
目前应用较为成熟的扭转冲击器均采用的是基于喷嘴驱动的扭转冲击器，压降更小，流通性更好，能够通过大颗粒的堵漏材料，并且扭转冲击力可以通过排量和喷嘴大小进行调节。
与此同时，中国石油大学（华东）、中石化中原石油工程公司钻井院开展了基于射流元件驱动的扭转冲击器研制，它通过双稳态射流元件附壁切换特性，驱动泥浆左右交替进入摆锤腔室内，推动摆锤左右摆动冲击，从而引起钻头扭矩波动。中国石油大学（华东）也提出了一种基于涡轮驱动的扭转冲击器，它主要通过涡轮叶片的旋转来带动扭转冲击机构中的冲击架顺时针和逆时针冲击传动轴，从而产生扭转冲击力。
在现场应用方面，阿特拉扭转冲击器在新疆塔里木、青海和川东北等地区进行了推广应用，其中在塔里木地区平均机械钻速提高110%以上，在川东北元坝地区平均机械钻速3.46m/h，较邻井提高44.17%。中石化胜利钻井院的扭转冲击器先后在东海、南海、玉门、辽河等地区累计应用150余井次，累计进尺超40000m，机械钻速平均提高59%。
中石化石油工程技术研究院研制的扭转冲击器先后在山东、内蒙古、四川等地区应用10余口井，其中在山东临盘油田盘2-斜125井配合液力加压器使用，机械钻速同比提高33%以上。中石油渤海钻探的扭转冲击器近两年在大港、冀东、苏里格和华北等地区应用26口井，平均机械钻速提高53.6%。成都迪普DeepDrill扭转冲击器在浙江油田YS108区块应用4口井，平均机械钻速提高20%以上，扭矩波动减小50%以上。
结束语
在未来的振动冲击加速工具开发过程中，还需要开展以下优化研究:射流冲击器需要降低压降，提高使用寿命；注吸式冲击器需要提高稳定性和能效；自激振荡冲击器和脉冲加速器需要优化内部流场，提高振动和冲击能量；回转凸模螺杆需要降低关键部件的磨损率，减少内部损耗；扭转冲击能量需要增加。组合冲击器需要优化轴向冲击和扭转冲击的能量分布。
参考文献
[1]汪海阁，葛云华，石林.深井超深井钻完井技术现状、挑战和“十三五”发展方向[J].天然气工业，2017，37（4）：1-8.
[2]张锦宏.中国石化石油工程技术发展现状及发展建议[J].石油钻探技术，2019，47（3）：9-17.