0 引言
随着科学技术的发展，PDC钻头已逐步成为石油钻井中的主力钻头。然而，对于硬度高、研磨性强的地层，PDC钻头在井底存在黏滑振动和寿命短等问题，制约了其进一步的提速提效[1-4]。
为解决上述问题，普遍采用优化钻井参数、使用减振工具和改进钻头结构等方法，但这些方法均达到优化极限。为此，国内一直努力研发新型有效的工具，中石化胜利油田钻井工艺研究院的扭力冲击工具和大庆油田钻井工程技术研究院的液力扭转提速工具均取得较好的试验效果[5-6]。笔者基于流体特性、振动理论及破岩机理，开发了扭力冲击钻井工具，并开展了现场试验。
1 扭力冲击钻井工具 1.1 黏滑效应黏滑效应是PDC钻头破岩过程中一种常见的钻头运动状态，极易造成PDC钻头切削齿损坏、钻头寿命缩短、钻具疲劳和钻井速度大幅度下降等。黏滑效应又分为黏滞和滑脱2个阶段，当钻柱提供给钻头的扭矩小于工作面上岩石的剪切极限时，钻头不随钻柱转动，此时钻头处于黏滞状态；当钻柱中积蓄的扭矩大于工作面上岩石剪切极限时，钻柱中扭转弹性能量将瞬间释放，使钻头绕轴向做不规则的变速运动，此时钻头处于滑脱状态。黏滞和滑脱呈周期性交替，在深部硬地层及软硬交错地层中变得更明显、更剧烈[7-9]。
1.2 工具结构扭力冲击钻井工具结构见图 1，其内部核心部件有液动锤、分流器和启动器。液动锤主要受液压冲击力作用，其主要功能是产生反复运动的扭转冲击，运动受控于启动器。分流器不运动，固定在液动锤外壳，并起到固定液动锤压盖和分流流体的作用。启动器是整个工具的换向开关，其运动受控于流体高低压的变换。
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| 图 1 扭力冲击钻井工具剖面图 Fig.1 Cross-section drawing of the torque impact drilling tool 1—外壳短节；2—液动锤外壳；3—液动锤；4—传动接头；5—分流器；6—启动器；7—导流器。 |
1.3 工作原理
扭力冲击钻井工具是一种纯机械动力钻井提速工具，其主要技术参数见表 1。钻井液从上接头经分配器流进冲击器，并二次分配到管状接头内。工具提供的额外高频率周向冲击力改变了PDC钻头的运动状态，其高频的、周期性的周向往返震荡(见图 2)冲击力使钻头不需要等待扭力积蓄足够的能量就可以切削地层。整个钻柱扭矩基本处于稳定状态，有效避免或减轻了PDC钻头黏滑的不利影响，从而达到保护钻头、提高机械钻速的目的。
| 外径/ mm | 排量/ (L·s-1) | 水眼面积/cm2 | 压降/ MPa | 工作频率/ (Hz·min-1) | 工作温度/℃ |
| 165 | 18~75 | 4 | 1.5~3.0 | 750~1 500 | ＜210 |
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| 图 2 内部部件周向往返震荡 Fig.2 Internal components vibration along the circumference direction |
2 流体模拟分析
为了分析扭力冲击钻井工具内部流体在流道中的运动及压力状态，根据扭力冲击钻井工具实际尺寸，使用有限元软件建立模型并进行数值模拟计算。计算参数：流体密度1.0 g/cm3，排量32 L/min，泵压10 MPa。
图 3反映了工具内部流道压力分布状态。由图可知，工具入口压力为7.0 MPa，出口压力为4.7 MPa，即整个工具的压力损耗为2.3 MPa。
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| 图 3 内部流道压力分布云图 Fig.3 Pressure distribution of internal flow channel |
图 4反映了工具内部流道的流体流速分布状态。由图可知，工具中心内部的钻井液流速最大，由内向外逐渐减小；其中心最高速度44.1 m/s，此处钻井液对工具的冲蚀也最为明显，设计时应针对性地做强化处理。
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| 图 4 流体流速分布云图 Fig.4 Fluid flow velocity distribution |
3 扭转冲击试验
利用室内钻井模拟测试系统，开展PDC钻头扭转冲击破岩试验。设计转速135 r/min，钻压50 kN，用自来水作为循环流体，试验岩样选用淡红色砂岩，如图 5所示。
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| 图 5 试验岩样 Fig.5 Rock sample for testing |
通过室内模拟试验，测试记录了钻时与扭矩等数据并绘制曲线，结果见图 6。
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| 图 6 钻时与扭矩关系曲线 Fig.6 Drilling time and torque curve |
由图 6中的曲线可看出，在常规静压钻井过程中，钻头将会产生周期性的黏滑振动，导致钻时发生明显的周期变化。当扭矩不足时，钻头处于黏滞状态，钻速降低，集聚扭矩；当扭矩足够用于破岩时，钻头又突然释放能量产生了滑脱现象，周而复始使钻头一直在井底绕轴向做不规则的变速运动，降低了破岩效率。而利用扭力冲击器施加一定频率的扭转冲击，钻井扭矩基本处于稳定状态，可有效保证钻头切削破岩。
4 现场试验赵57-96x井是一口开发井，设计2个开次，斜深3 350.12 m，垂深3 300 m。目的层Es4、Ek1，岩性以泥岩、砂泥岩和灰质砂岩为主，部分地层夹杂含砾砂岩，可钻性差。
4.1 试验情况扭力冲击钻井工具在该井中完成了3 049~3 115 m和3 193~3 342 m共2个井段的提速试验。在3 049~3 115 m井段，机械钻速为4.48 m/h，与螺杆钻具钻进该井段的机械钻速相当。在3 193~3 342 m井段，机械钻速为9.97 m/h，比螺杆钻具钻进该井段的机械钻速提高126%，比邻井赵57-92x井同地层螺杆钻具的机械钻速提高130%。整体分析可知，扭力冲击钻井工具在赵57-96x井提速64.4%以上，效果显著。
4.2 钻井参数影响钻压大小对工具应用效果有明显影响。在井段3 049~3 115 m, 钻压60 kN，机械钻速4.48 m/h；而在井段3 193~3 342 m，相同的岩性条件下，钻压80 kN，机械钻速达到9.97 m/h。对比可知，高钻压比低钻压钻进效率有明显提高。这是因为足够钻压可使钻头切入地层一定深度，旋扭冲击器高频率周向振荡松弛了地层，使钻头更快破岩。
4.3 钻头使用分析试验井段采用ϕ215.9 mm(8 1/2 in)鼎鑫TS1654D型钻头，5刀翼，16 mm复合齿，如图 7所示。2次入井，累计纯钻30.2 h，钻头起出新度90%以上。扭力冲击钻井工具高频率周向振动松弛了地层，降低了地层对钻头的研磨性，有利于延长钻头使用寿命。
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| 图 7 钻头入井及出井外观 Fig.7 The appearance of the drill bit before and after drilling |
5 结论及认识
(1) 研发的扭力冲击钻井工具结构简单、工作安全可靠、安装使用方便，能够有效抑制黏滑效应对钻具的影响，提高钻头破岩效率，是硬质地层钻井提速的有效手段。
(2) 扭力冲击钻井工具与选用钻头匹配性较好，从钻井参数对工具提速影响来看，大钻压效果更好，能够更大程度地发挥工具提速性能。
(3) 进一步优化工具结构和延长其使用寿命，是扭力冲击钻井工具今后的研究方向。
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