0 引 言

近年来高频冲击类深井钻井提速工具飞速发展，涌现出了轴向冲击、周向冲击及复合冲击等多种冲击类型的提速工具。该类工具具有操作简单、提速效果好，不需要任何额外辅助设备等特点^[1-2]。国外研究该类工具的机构以美国阿特拉公司为主，该公司研制的扭力冲击器可产生高频稳定的周向冲击能量，使钻头和井底始终保持连续的高频切削，消除粘滑现象，提高剪切效率。该工具技术成熟，并已系列化，在甘肃、青海、新疆和大庆等地区进行了推广应用，其中在大庆油田肇深19井2 537~2 985 m井段进行了应用，平均机械钻速3.8 m/h，有效工作时间176 h，同比邻井机械钻速提高71%。国内研究该类工具的机构主要集中在各大院校和油田的研究院等。其中吉林大学研制的液动射流式冲击器属轴向冲击工具，该工具依靠射流元件控制活塞冲锤的上、下运动，结构简单，运动部件少，除活塞冲锤外无其他运动零件。该冲击器在松南气田腰深7井进行了应用。中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院研制的SLTIT型扭冲工具是一种自激式周向扭转冲击工具，冲击系统设计有启动阀、复位阀和冲击阀等结构，可实现冲击系统的自我激发，无需涡轮或螺杆驱动冲击锤，结构紧凑，轴向尺寸短，在桩23-17-斜30井2 180~3 237 m井段进行了应用，有效工作时间83 h，与上趟钻相比，机械钻速平均提高50%以上，技术相对成熟，目前处于推广阶段。大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院研制的液动旋冲工具是一种集周向冲击和轴向冲击为一体的复合冲击类钻井提速工具，它能够通过钻井液提供的动力，在周向上产生高频冲击，在轴向上产生水力脉冲，辅助钻头破岩。目前该工具在大庆、吉林、内蒙古及新疆塔东地区进行了现场应用，提速效果显著^[2-4]。笔者对该液动旋冲工具的结构、原理及试验情况进行了阐述。现场试验数据表明：该工具设计合理、性能可靠，寿命及提速指标与国外同类产品相当。

1 技术分析 1.1 工具结构

液动旋冲工具主要由壳体总成、动力系统和冲击系统等组成，其结构如图 1所示。壳体总成主要由上接头、本体及下接头组成，上接头与本体通过锥度1∶16、每25.4 mm 5牙的特种钻杆螺纹连接，本体与下接头通过钢球悬挂结构连接，并通过周向均布的4个牙坎传递扭矩^[5]；动力系统主要由定子和转子等组成，通过螺纹固定在本体内部；冲击系统主要由盘阀、锤头和止推轴承等组成，通过牙坎固定在下接头上，传递锤头的冲击能量。

1.2 工作原理

液动冲击工具冲击系统及下接头如图 2所示。钻井液流经定子驱动转子带动上盘阀高速转动，上盘阀上的进液孔与下盘阀上的冲击孔和复位孔周期性对正与错开，产生轴向压力脉冲，间接作用于钻头上，形成“液体弹簧”，使钻头始终与井底接触，起到保护钻头作用，并延长钻头寿命^[6]；当上盘阀上的进液孔与冲击孔对正时对锤头做功，产生周向正向冲击，与复位孔对正时，使锤头复位，并产生反向冲击，从而使锤头高频锤击锤座，锤座将均匀稳定的周向高频冲击力通过牙坎传递给连接钻头的下接头，并通过下接头间接作用于钻头上，使钻头和井底始终保持连续的高频切削，消除了钻头的粘滑和卡钻现象，提高了破岩效率^[7]。

1.3 主要技术参数

液动旋冲工具有效长度0.8 m，最大外径182 mm，当量通径45 mm，工作排量28~32 L/s，冲击频率20~25 Hz，正向冲击力10~13 kN。

2 关键技术

(1) 设计了不产生轴向压力且能量转化效率高的动力系统。该系统主要由定子和转子组成，定子加工有多个侧向条状进液孔，转子周向均布与进液孔同等数量的叶片，与涡轮或螺杆作为动力的轴流机构不同，该机构采用径向进液的方式驱动转子转动，液体的轴向压力由定子承担，并传递给本体的内部台阶上，定子本身不产生轴向力，故而大大减小了轴向摩擦力，提高了能量转化效率。

(2) 设计了正向冲击力大、反向冲击力小，同时具有“液体弹簧”功能的冲击系统。该系统通过下盘阀孔的不对称分布实现正反冲击力大小的控制，同时，上盘阀孔与下盘阀孔周期性导通关闭时，可使冲击系统产生轴向脉冲，并与锤头产生的周向冲击相结合，形成高频复合冲击间接作用在钻头上，保护钻头的同时显著提高机械钻速。

(3) 设计了长寿命开放润滑式止推轴承。该止推轴承由2个聚晶金刚石复合片及轴承基座组成，聚晶金刚石复合片焊接在轴承基座的凹孔里，聚晶金刚石面突出凹孔1~2 mm，2个复合片的聚晶金刚石面对磨。聚晶金刚石具有硬度高、耐磨性强和摩擦因数小等特点，因此在钻井液环境中使用，该轴承寿命远远长于球轴承。

3 试验情况 3.1 室内模拟试验

液动旋冲工具样机装配完毕后，进行了一系列室内模拟试验，试验中各项性能指标均达到设计要求。

3.1.1 整体性能测试

利用F1300钻井泵，模拟工具在30 L/s排量下的工作性能。工具在灌注泵开启时启动，可听到清脆的敲击声，随着泵冲的增加，频率随之增加，在30 L/s时测得工具压降为2.9 MPa，利用便携式震动分析仪测得频率为22 Hz，工作状态平稳^[8]。

3.1.2 加压状态下性能测试

利用F1300钻井泵及液压旋转加压循环试验台模拟工具在钻进过程中的工作性能。工具垂直安装后(见图 3)，逐渐将排量增至30 L/s，工具压降、频率与整体性能测试结果一致。开启加压系统，并将作用在工具上的压力逐渐增至160 kN，增压过程未出现冲击系统受压锤头不工作的情况^[9]。

3.1.3 可靠性测试

在加压状态下，排量30 L/s时，累计清水循环试验10 h，工具出现间歇冲击现象，10 min后无动作，泵压升至3.5 MPa。拆解后发现冲击总成锤头设计不合理，连接处没有设计圆角，导致根部应力集中，在反复冲击过程中出现裂纹，随后整体变形(见图 4)，最后卡死。根据出现的问题，对锤头的结构进行了优化，根部设计圆角，防止应力集中，同时增加了锤头根部圆的直径，提高了锤头连接处的强度。改进后，在可靠性试验中未出现该问题。

3.2 现场试验

自2012年12月20日在达深17井首次现场试验到目前，已在大庆、吉林、内蒙古和塔东等地区累计施工65口井，共使用173套工具，提速效果显著，典型井施工数据见表 1。

现场试验结果表明该工具具有以下特点：①机械钻速高，提速效果好。同比常规钻井方式，提速幅度达0.5~3.0倍。②工具寿命长，单趟进尺长。工具在新疆古城16井单套工具工作时间为256 h，进尺为875.4 m。③适应性强，可满足不同井型。工具除在直井上应用外，还可配合螺杆钻具和定向仪器在水平井和定向井中应用，不影响定向仪器信号的传输，提速效果显著。

液动旋冲工具在现场试验中的各项指标可与美国扭力冲击器相媲美^[10-12]，对标情况见表 2。

4 结论及建议

(1) 液动旋冲工具设计合理，性能可靠，产生周向振动的同时，还可产生轴向水力脉冲，从而有效保护钻头，消除钻头的粘滑和卡钻现象，提高机械钻速。

(2) 液动旋冲工具适应性强，不仅可应用于深层直井，还可配合螺杆钻具及定向仪器应用于定向井和水平井中，不影响定向仪器的信号传输，提速效果显著。

(3) 液动旋冲工具在大庆区块的寿命及提速指标与国外扭力冲击器相当，在辅助破岩方式及正反冲击力大小上具有一定优势。