穆總結(jié) 李根生 黃中偉 杜彤 史懷忠 田守嶒

1.油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室克拉瑪依分室·中國(guó)石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)；

2.油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·中國(guó)石油大學(xué)(北京)；3.新疆油田公司開發(fā)公司

鉆井提速是鉆探行業(yè)的永恒主題，采用鉆井提速進(jìn)行降本增效已成為油田的共識(shí)。沖擊破巖技術(shù)是提高機(jī)械鉆速的重要方法［1］。隨著鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展，振動(dòng)沖擊提速技術(shù)及工具研發(fā)進(jìn)入快速發(fā)展階段。其基本原理為采用水力學(xué)原理，將鉆井液的流體能量轉(zhuǎn)換為沖擊能量，提高鉆頭的破巖效率。就目前井下振動(dòng)沖擊鉆井方式而言，可分為三大類，即軸向振動(dòng)沖擊鉆井提速技術(shù)、扭向振動(dòng)沖擊鉆井提速技術(shù)、軸扭復(fù)合振動(dòng)沖擊鉆井提速技術(shù)。筆者對(duì)近3年來(lái)上述提速技術(shù)工作原理及現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并對(duì)振動(dòng)沖擊鉆井技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了論述。

1 振動(dòng)沖擊提速技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 軸向振動(dòng)沖擊鉆井提速技術(shù)

軸向振動(dòng)沖擊鉆井提速技術(shù)的研究由來(lái)已久。從20世紀(jì)初期俄國(guó)工程師B.沃爾斯基設(shè)計(jì)的石油液動(dòng)沖擊器［2-3］開始，科研工作者相繼研發(fā)出了多種軸向振動(dòng)沖擊鉆井提速技術(shù)。近年來(lái)軸向振動(dòng)沖擊鉆井提速技術(shù)主要以水力脈沖空化射流振動(dòng)鉆井提速技術(shù)、自激振蕩式提速工具、Fluid Hammer提速技術(shù)以及水力振蕩器技術(shù)等為代表，并取得了較好的提速效果。

1.1.1 水力脈沖空化射流振動(dòng)提速技術(shù)

李根生［4-6］等對(duì)水力脈沖與空化射流機(jī)理進(jìn)行了耦合研究，并研制出水力脈沖空化射流提速工具，如圖1所示。

圖1水力脈沖空化射流振動(dòng)鉆井提速工具結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of hydraulic pulse-cavitating jet impact ROP improvement tool

其技術(shù)原理：流體通過(guò)導(dǎo)流體后，改變了流動(dòng)方向和速度，促使鉆井液驅(qū)動(dòng)葉輪產(chǎn)生連續(xù)高速旋轉(zhuǎn)，從而連續(xù)改變流道面積，產(chǎn)生脈沖壓力。自激振蕩腔室對(duì)鉆井液脈沖信號(hào)進(jìn)行放大并產(chǎn)生諧振作用，當(dāng)通過(guò)振蕩腔室的出口收縮面積進(jìn)入噴嘴時(shí)，將產(chǎn)生壓力波動(dòng)。這種壓力波動(dòng)又反射回自激振蕩腔室形成反饋壓力振蕩，當(dāng)壓力波動(dòng)的頻率與諧振腔的頻率發(fā)生共振時(shí)，在流體出口端產(chǎn)生強(qiáng)烈脈動(dòng)渦環(huán)流，以波動(dòng)壓力的方式?jīng)_擊井底，改善井底流場(chǎng)。該技術(shù)既可實(shí)現(xiàn)脈沖射流提高清巖破巖能力，又能減少壓持效應(yīng)，大幅度提高機(jī)械鉆速。

截至目前，水力脈沖空化射流振動(dòng)鉆井技術(shù)已在國(guó)內(nèi)油田進(jìn)行了推廣應(yīng)用［7-8］。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：水力脈沖空化射流振動(dòng)鉆井技術(shù)可與不同類型鉆頭相匹配，可在不同類型地層、不同鉆井液性能條件下使用；該技術(shù)無(wú)橡膠件，不受井深及地層溫度影響，對(duì)不同深度地層具有良好的適應(yīng)性；由于工具較短，因此與井下動(dòng)力鉆具配合，在顯著提高機(jī)械鉆速的同時(shí)，對(duì)井身質(zhì)量影響較小。

技術(shù)弊端：由于水力脈沖空化射流的動(dòng)力來(lái)源于鉆井液，沖擊振動(dòng)力受鉆井液排量以及工具尺寸約束，在特定的井眼尺寸條件下無(wú)法產(chǎn)生更高級(jí)別的沖擊效果。

1.1.2 自激振蕩式提速工具

倪紅堅(jiān)等［9］將機(jī)械沖擊和水力脈沖作用相結(jié)合，研制成功自激振蕩式提速工具，如圖2所示。

圖2自激振蕩式提速工具結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of self-oscillating ROP improvement tool

該工具安裝于鉆頭與鉆鋌之間。在鉆井過(guò)程中，鉆井液經(jīng)一級(jí)振蕩器和二級(jí)振蕩器后，通過(guò)八方連接桿經(jīng)下接頭后進(jìn)入鉆頭。在鉆井液流通過(guò)程中，工具內(nèi)部設(shè)計(jì)的振動(dòng)沖擊錘將產(chǎn)生一級(jí)振蕩及二級(jí)振蕩作用，振蕩作用產(chǎn)生的沖擊力通過(guò)八方桿直接作用于鉆頭，從而提高鉆頭的破巖效率；同時(shí)，鉆井液通過(guò)八方桿流經(jīng)鉆頭后，經(jīng)鉆頭水眼噴射出，結(jié)合沖擊錘上下高頻往復(fù)沖擊，從而形成水力脈沖作用并直接作用于井底巖石，達(dá)到改善井底流場(chǎng)、強(qiáng)化清洗效果的目的，并具有降低巖石破壞強(qiáng)度的作用。

目前，自激振蕩式提速工具已在國(guó)內(nèi)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用［10-12］。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：自激振蕩式提速工具有效結(jié)合了振動(dòng)沖擊與水力脈沖的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提高了鉆頭破巖效率；采用水力脈沖誘發(fā)機(jī)械振動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠。

技術(shù)弊端：由于振動(dòng)沖擊力通過(guò)鉆井液的脈沖作用產(chǎn)生，在可鉆性差、巖石強(qiáng)度較高地層鉆進(jìn)時(shí)，無(wú)法有效產(chǎn)生軸向振動(dòng)，因此在硬地層鉆進(jìn)時(shí)受限；振蕩沖擊腔室流體運(yùn)行軌跡復(fù)雜，受鉆井液中固相含量以及地層砂等影響，沖擊錘體易受鉆井液沖蝕。

1.1.3 Fluid Hammer提速技術(shù)

Fluid Hammer提速工具是美國(guó)國(guó)民油井公司(NOV)研制成功的提速工具，目前已成為該公司的主打產(chǎn)品。該工具主要由馬達(dá)總成和沖擊短節(jié)兩部分構(gòu)成，其中螺桿馬達(dá)為常規(guī)螺桿結(jié)構(gòu)；振動(dòng)沖擊短節(jié)是Fluid Hammer的技術(shù)核心，F(xiàn)luid Hammer的沖擊短節(jié)由外筒、密封活塞、花鍵心軸、推力軸承組、高強(qiáng)度螺栓、凸輪組和下接頭等組成，如圖3所示。

圖3 Fluid Hammer沖擊短節(jié)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of Fluid Hammer impact nipple

外筒與上部螺桿定子連接在一起；下接頭直接與鉆頭相連接；密封活塞將工具分割成上下2個(gè)密封腔，在密封腔內(nèi)注入高性能潤(rùn)滑油，為工具內(nèi)部推力軸承組和凸輪組提供良好的潤(rùn)滑條件，確保工具井下使用壽命；花鍵心軸與上端螺桿轉(zhuǎn)子相連接，下端與下接頭通過(guò)花鍵嚙合在一起；凸輪組分為上下凸輪結(jié)構(gòu)，分別安裝在外筒臺(tái)肩處和下接頭處，并通過(guò)高強(qiáng)度螺栓固定。

Fluid Hammer工作原理：Fluid Hammer的外筒與上部螺桿定子連接在一起，花鍵心軸與螺桿轉(zhuǎn)子連接在一起。在鉆井過(guò)程中，沖擊短節(jié)的外筒與下接頭處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。鉆井液驅(qū)動(dòng)上部螺桿轉(zhuǎn)子產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)，螺桿轉(zhuǎn)子帶動(dòng)花鍵心軸及下接頭一起高速旋轉(zhuǎn)，給鉆頭提供破巖扭矩；凸輪組由2個(gè)嚙合的凸輪構(gòu)成，如圖4所示。其中上凸輪(圖4a)由凸輪座與鼓輪組成，并通過(guò)螺栓安裝在外筒內(nèi)的臺(tái)階面處；下凸輪(圖4b)與下接頭連接在一起。在鉆井過(guò)程中，當(dāng)花鍵心軸帶動(dòng)下接頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，下凸輪將與上凸輪產(chǎn)生交變嚙合，在鉆壓作用下交變嚙合產(chǎn)生交變沖擊力(如圖5所示)，并直接施加給鉆頭，為鉆頭提供破巖的沖擊力。

圖4凸輪組結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of cam group

圖5上、下凸輪運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.5 Schematic motion of upper and lower cam

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：施加給鉆頭的沖擊力是通過(guò)鉆壓作用而來(lái)，即將鉆壓轉(zhuǎn)換為沖擊力，具有較高的沖擊載荷并直接施加給鉆頭，提速效果明顯；Fluid Hammer提速工具設(shè)計(jì)有螺桿短節(jié)部分，因此在提速的同時(shí)可以較好地進(jìn)行井斜控制。

技術(shù)弊端：下部沖擊短節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本較高；密封腔通過(guò)旋轉(zhuǎn)密封來(lái)實(shí)現(xiàn)密封，可靠性難以保證，井下使用壽命較低。

目前，F(xiàn)luid Hammer已在油田進(jìn)行了推廣應(yīng)用，從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果來(lái)看，NOV公司在大尺寸井眼的提速效果明顯，且井下使用壽命得到保證；在?215.9 mm井眼中提速效果欠佳。國(guó)內(nèi)相關(guān)高校及鉆探企業(yè)進(jìn)行了Fluid Hammer的研究工作［13-14］，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得一定的提速效果，但距離商業(yè)化應(yīng)用尚有一定距離。

1.1.4 水力振蕩器技術(shù)

水力振蕩器是水平井鉆井過(guò)程中不可缺少的提速工具。在該技術(shù)的研究及應(yīng)用方面，以NOV公司的Agitator為代表，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果明顯［15］。Agitator水力振蕩器由振動(dòng)短節(jié)和動(dòng)力短節(jié)2部分構(gòu)成。動(dòng)力短節(jié)為螺桿鉆具結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)子下方設(shè)計(jì)有脈沖動(dòng)力閥(由轉(zhuǎn)子閥與定子閥構(gòu)成)。在鉆井液作用下，轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子閥產(chǎn)生周期往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如圖6所示。

圖6井下脈沖閥相對(duì)位置示意圖Fig.6 Schematic relative position of downhole pulse valve

當(dāng)轉(zhuǎn)子閥與定子閥處于圖6a所處位置時(shí)，鉆井液產(chǎn)生壓降達(dá)到最大值；隨著轉(zhuǎn)子的連續(xù)旋轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)子閥處于圖6b所處位置時(shí)，陰影面積為流體通過(guò)的最大面積，此時(shí)鉆井液壓降達(dá)到最小值；隨著轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子閥到達(dá)圖6c處位置時(shí)，鉆井液壓降又達(dá)到最大值，此時(shí)的最大值與圖6a時(shí)的最大值絕對(duì)值相等，但相位不同。以上動(dòng)作是連續(xù)的，從而產(chǎn)生一個(gè)正旋脈沖壓降。該脈沖壓降作用于振動(dòng)短節(jié)上設(shè)計(jì)的心軸活塞處，驅(qū)動(dòng)心軸壓縮碟簧，并與外筒產(chǎn)生連續(xù)的高頻低幅振動(dòng)，從而產(chǎn)生振動(dòng)沖擊。這種高頻低幅連續(xù)振動(dòng)沖擊，使得鉆柱與井壁的靜摩擦轉(zhuǎn)換為動(dòng)摩擦，從而大幅度降低摩阻，減少鉆頭的托壓現(xiàn)象，達(dá)到實(shí)現(xiàn)鉆井提速的目的。

隨著鉆井難度的不斷加大，深井超深井、復(fù)雜地層中涉及到的高溫高壓、油基鉆井液等對(duì)水力振蕩器提出了更高要求。為了減少溫度及油基鉆井液對(duì)水力振蕩器的影響，國(guó)內(nèi)已經(jīng)開展了金屬螺桿及渦輪驅(qū)動(dòng)式水力振蕩器的研究工作［16］，目前尚處于試驗(yàn)階段。

1.2 扭向振動(dòng)沖擊鉆井提速技術(shù)

PDC鉆頭已成為油氣勘探開發(fā)的主力鉆頭。在實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中，由于PDC鉆頭的自身特性，在破巖過(guò)程中將會(huì)發(fā)生黏滑效應(yīng)［17-23］，從而大幅度降低PDC鉆頭的破巖效率。

解決PDC鉆頭黏滑效應(yīng)的有效方法就是通過(guò)給PDC鉆頭施加一個(gè)連續(xù)的高頻沖擊力，在該沖擊力作用下PDC鉆頭不需要能量聚積即可瞬間將巖石進(jìn)行剪切破碎。其沖擊原理是通過(guò)扭向振動(dòng)沖擊來(lái)實(shí)現(xiàn)。扭向振動(dòng)沖擊鉆井提速技術(shù)以扭力沖擊器為代表。扭力沖擊器結(jié)構(gòu)如圖7所示。

扭力沖擊器提速工作原理：在鉆井過(guò)程中，鉆井液通過(guò)心軸進(jìn)入扭力沖擊器內(nèi)部，在配流件的作用下產(chǎn)生高低壓腔的相互轉(zhuǎn)換，該高低壓腔作用于沖擊錘兩側(cè)的錘面上。由于高低壓腔的形成，驅(qū)動(dòng)沖擊錘由高壓腔向低壓腔沖擊，該沖擊力作用于沖擊砧上；當(dāng)?shù)?次沖擊完成后，配流件繼續(xù)進(jìn)行第2次高低壓腔的轉(zhuǎn)換，從而使得沖擊錘在高低壓作用下返回沖擊，并作用于沖擊砧另一個(gè)端面處，從而完成一次沖擊周期。以上高低壓腔的轉(zhuǎn)換及沖擊錘的往復(fù)沖擊是連續(xù)的高頻沖擊。由于該沖擊力作用于沖擊砧，而沖擊砧與PDC鉆頭直接連接，相當(dāng)于該沖擊力直接作用于PDC鉆頭的刀翼處，增加PDC鉆頭剪切破碎巖石的沖擊功，提高PDC鉆頭的破巖效率，實(shí)現(xiàn)鉆井提速。

圖7扭力沖擊器結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of torsional impactor

扭力沖擊器是近年來(lái)應(yīng)用較為廣泛的提速工具之一，并在現(xiàn)場(chǎng)獲得良好的提速效果［24-26］。成熟的扭力沖擊器以國(guó)外阿特拉公司的Torkbuster為代表。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)高校及企業(yè)科研機(jī)構(gòu)加快了對(duì)扭力沖擊器的研究步伐，并推廣應(yīng)用于鉆井現(xiàn)場(chǎng)。

扭力沖擊器的弊端：(1)適用鉆頭形式單一，僅適用于PDC鉆頭作業(yè)，無(wú)法與牙輪鉆頭配合使用；(2)適用井型單一，僅適用于直井鉆井提速作業(yè)，不能有效解決水平井段的鉆頭托壓?jiǎn)栴}，無(wú)法滿足水平井段鉆井提速技術(shù)要求；(3)在超塑性泥巖地層鉆進(jìn)時(shí)，由于PDC鉆頭切削齒無(wú)法有效吃入地層，扭向沖擊破巖技術(shù)無(wú)法提高PDC鉆頭在超塑性泥巖中的破巖效率；(4)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度較大，核心部件易沖蝕，井下使用壽命低等。

1.3 軸扭復(fù)合振動(dòng)沖擊鉆井提速技術(shù)

隨著鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展，鉆井向著高溫高壓、高塑性、可鉆性差等地層進(jìn)軍。常規(guī)的軸向沖擊鉆井技術(shù)由于徑向尺寸條件約束，導(dǎo)致水力壓降不能產(chǎn)生足夠大的軸向沖擊力，即軸向振動(dòng)沖擊力不能協(xié)助鉆頭切削齒有效吃入地層，造成提速效果不明顯；扭向沖擊技術(shù)通過(guò)對(duì)節(jié)流噴嘴的設(shè)計(jì)，在確保地面機(jī)泵負(fù)荷能力的前提下，其扭矩沖擊能量可實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石的剪切破壞，但在硬塑性地層鉆進(jìn)時(shí)，由于PDC鉆頭切削齒無(wú)法有效吃入地層，造成鉆頭在該類地層鉆進(jìn)時(shí)無(wú)法產(chǎn)生進(jìn)尺，即無(wú)法達(dá)到提速效果；同時(shí)，扭向沖擊技術(shù)由于只產(chǎn)生扭向沖擊振動(dòng)，對(duì)于定向井及水平井鉆進(jìn)時(shí)，無(wú)法解決鉆頭托壓等問(wèn)題，故扭向沖擊鉆井技術(shù)在水平井鉆井中無(wú)法達(dá)到提速效果。目前，有學(xué)者提出了利用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向與扭向沖擊結(jié)合的方式進(jìn)行水平井鉆井提速試驗(yàn)，但該組合方式鉆井成本過(guò)高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全面推廣。

針對(duì)上述問(wèn)題，提出了軸扭復(fù)合沖擊鉆井技術(shù)，即通過(guò)軸向與扭向結(jié)合的方式，充分發(fā)揮軸向與扭向沖擊作用，以提高提速工具的適用范圍。

1.3.1 復(fù)合沖擊鉆井提速技術(shù)

柳貢慧、汪偉、查春青［27-30］等對(duì)復(fù)合沖擊鉆井工具進(jìn)行了研究。工具結(jié)構(gòu)如圖8所示，換向器的作用是確保在鉆進(jìn)過(guò)程中高低壓腔的轉(zhuǎn)換，即保證軸向沖錘與周向擺錘之間通過(guò)該高壓腔的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生高頻沖擊振動(dòng)；節(jié)流噴嘴的作用是當(dāng)鉆井液流過(guò)工具時(shí)可產(chǎn)生一定的壓降，在該壓降下產(chǎn)生振動(dòng)沖擊力。

圖8復(fù)合沖擊鉆井提速工具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic structure of combined impact ROP improvement tool

復(fù)合沖擊鉆井工具工作原理：鉆井液流經(jīng)節(jié)流噴嘴產(chǎn)生壓降，在該壓降作用下，軸向沖錘與周向擺錘部位產(chǎn)生高低壓腔，從而驅(qū)使沖擊錘由高壓腔向低壓腔產(chǎn)生振動(dòng)沖擊；在換向器的調(diào)節(jié)下，軸向沖錘和周向擺錘均產(chǎn)生連續(xù)的高低壓腔室互換，從而產(chǎn)生連續(xù)的軸向與周向振動(dòng)沖擊作用，在此2種力的共同作用下提高鉆頭破巖效率，達(dá)到提速的目的。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：該技術(shù)由于可產(chǎn)生連續(xù)的軸向與周向沖擊作用，在一定地層條件下，可最大程度提高鉆頭破巖效率，發(fā)揮軸向沖擊與周向沖擊提速效果；工具長(zhǎng)度較短，可滿足定向井、水平井鉆井提速技術(shù)要求。

技術(shù)弊端：復(fù)合沖擊鉆井提速技術(shù)沖擊力的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)節(jié)流壓降和沖擊腔室的高低壓轉(zhuǎn)換而來(lái)，因此，對(duì)鉆井液性能要求較高；軸向沖錘和周向沖錘易受鉆井液沖蝕。

1.3.2 軸扭耦合沖擊提速技術(shù)

穆總結(jié)等［17］對(duì)軸扭耦合沖擊鉆井提速技術(shù)進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該工具主要由軸向沖擊部分與扭向沖擊部分構(gòu)成，如圖9所示。

圖9軸扭耦合沖擊鉆井工具Fig.9 Axial-torsional coupled impact drilling tool

軸向振動(dòng)沖擊產(chǎn)生過(guò)程：軸向沖擊核心部分主要由盤閥、錘座和軸向沖擊錘構(gòu)成。鉆井液驅(qū)動(dòng)盤閥進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，當(dāng)盤閥的弧口轉(zhuǎn)動(dòng)至軸向錘座的下液流通道時(shí)，鉆井液液壓力驅(qū)動(dòng)軸向沖擊錘向上沖擊；當(dāng)盤閥的弧口轉(zhuǎn)動(dòng)至軸向錘座的上液流通道時(shí)，鉆井液液壓力驅(qū)動(dòng)沖擊錘產(chǎn)生向下的沖擊力，從而形成一個(gè)周期的沖擊力。扭向振動(dòng)沖擊產(chǎn)生過(guò)程：鉆井液流過(guò)工具時(shí)，在節(jié)流噴嘴產(chǎn)生壓降Δp。當(dāng)鉆井液進(jìn)入扭向沖擊腔室時(shí)，在扭向沖擊錘的一側(cè)產(chǎn)生壓差Δp的高壓腔室，另一側(cè)為低壓腔室，在Δp壓差作用下，沖擊錘由高壓腔向低壓腔振動(dòng)沖擊；當(dāng)一個(gè)沖擊完成時(shí)，原始位置的高壓腔變?yōu)榈蛪呵?，低壓腔轉(zhuǎn)換為高壓腔，在Δp壓差作用下，沖擊錘體將向初始位置沖擊，從而產(chǎn)生一個(gè)周期的沖擊力。

對(duì)于軸扭耦合沖擊鉆井提速技術(shù)，軸向與扭向振動(dòng)沖擊所產(chǎn)生的沖擊力通過(guò)工具外筒直接作用于鉆頭，給鉆頭提供一種耦合的軸扭沖擊力，加速鉆頭破巖效率，達(dá)到提高鉆速的目的。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：軸扭耦合沖擊鉆井提速技術(shù)充分發(fā)揮軸向沖擊與扭向沖擊作用，大幅度提高鉆頭的破巖效率，提速效果明顯；軸向與扭向沖擊力通過(guò)鉆井液體能量轉(zhuǎn)換而來(lái)，沖擊力為高頻的連續(xù)沖擊力，沖擊效果顯著；整體設(shè)計(jì)無(wú)橡膠件，因此不受井深及井底溫度限制，適應(yīng)性更好；軸向作用下可解決水平井鉆頭托壓?jiǎn)栴}，扭向可有效克服鉆頭黏滑效應(yīng)，因此對(duì)井型適應(yīng)性更廣泛；整體結(jié)構(gòu)壓降較小，對(duì)鉆井設(shè)備無(wú)特殊要求。

技術(shù)弊端：軸扭耦合是將鉆井液的部分液體能量轉(zhuǎn)換為沖擊能量，對(duì)鉆井液排量、固相含量、含砂量等有較高要求；整體動(dòng)密封均通過(guò)金屬密封來(lái)實(shí)現(xiàn)，在鉆井過(guò)程中易受鉆井液沖蝕。

從復(fù)合沖擊鉆井提速技術(shù)角度考慮，還有BPM復(fù)合提速工具及多維提速工具。BPM提速工具主要由螺桿及沖擊器兩部分構(gòu)成，工作原理類似于沖擊螺桿，可在底部產(chǎn)生軸向沖擊與扭向沖擊的耦合作用，近年來(lái)開始在國(guó)內(nèi)頁(yè)巖油開發(fā)中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)推廣。多維提速技術(shù)由于其工作原理與前述沖擊提速技術(shù)有類似之處，本文不再贅述。

2 振動(dòng)沖擊鉆井技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

2.1 增強(qiáng)振動(dòng)沖擊鉆井提速技術(shù)適應(yīng)性

近年來(lái)隨著我國(guó)油氣資源勘探開發(fā)力度不斷深入，對(duì)振動(dòng)沖擊鉆井提速技術(shù)的適應(yīng)性提出了更高要求。在鉆井過(guò)程中，不僅需要進(jìn)行機(jī)械速度的提高，而且需要在提速的同時(shí)保證良好的井身質(zhì)量。一般而言，直井段鉆井提速技術(shù)要求較易于實(shí)現(xiàn)；但對(duì)于造斜段和水平井段而言，既要能滿足提速需求，又要滿足井眼軌跡的控制質(zhì)量，這就要求振動(dòng)沖擊提速工具應(yīng)滿足不同條件下的提速要求。軸扭耦合沖擊提速技術(shù)與螺桿配合可有望解決這一技術(shù)問(wèn)題。

同時(shí)，隨著油田勘探開發(fā)的不斷深入，鉆井向著高溫、高壓、高硬塑性地層深入，對(duì)于鉆井提速而言，需要加大系列化提速工具的研究攻關(guān)力度，增強(qiáng)提速工具與井眼尺寸的適應(yīng)性，解決三高地層鉆井提速技術(shù)難題。

2.2 提高振動(dòng)沖擊鉆井工具井下使用壽命

振動(dòng)沖擊提速技術(shù)的破巖方式與常規(guī)鉆井不同，其通過(guò)將鉆井液部分流體能量轉(zhuǎn)換為振動(dòng)沖擊功，產(chǎn)生的振動(dòng)沖擊力直接施加于鉆頭，提高了鉆頭的破巖效率。對(duì)于振動(dòng)沖擊工具而言，其核心技術(shù)在于鉆井液驅(qū)動(dòng)沖擊部件做功，同時(shí)要求各沖擊部件之間具備良好的動(dòng)密封條件。在高速的鉆井液沖擊作用下，各沖擊部件受鉆井液的沖蝕效應(yīng)將不可避免。當(dāng)沖蝕達(dá)到一定程度時(shí)，將導(dǎo)致密封條件失效，井底振動(dòng)沖擊作用也隨即失效，即工具壽命大大縮短。因此，加強(qiáng)核心部件的表面硬化技術(shù)，提高提速工具的井下使用壽命，將是業(yè)內(nèi)必須深入研究的技術(shù)領(lǐng)域。

2.3 加大智能沖擊提速技術(shù)的研究力度

智能鉆井技術(shù)是全球前沿技術(shù)和行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，反映了一個(gè)國(guó)家的油氣科技發(fā)展水平，隨著油氣資源開發(fā)的進(jìn)一步深入，智能鉆井技術(shù)必將成為油氣鉆探領(lǐng)域的熱點(diǎn)。對(duì)于振動(dòng)沖擊鉆井提速技術(shù)的發(fā)展而言，應(yīng)結(jié)合智能鉆桿與智慧鉆頭領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，著手進(jìn)行井下“機(jī)電液一體化”提速技術(shù)的研究工作。智能鉆井提速技術(shù)涉及到大數(shù)據(jù)、人工智能以及新材料等關(guān)鍵領(lǐng)域，其研究涉及多學(xué)科交叉，因此需要加強(qiáng)鉆井工程與前沿技術(shù)的高效融合，協(xié)同創(chuàng)新，為振動(dòng)沖擊鉆井提速技術(shù)的發(fā)展提供技術(shù)支持。

3 結(jié)論及建議

(1)振動(dòng)沖擊鉆井技術(shù)是鉆井提速的重要手段，隨著我國(guó)油氣資源開發(fā)的不斷深入，對(duì)于鉆井提速技術(shù)提出了更高要求，因此，加大振動(dòng)沖擊鉆井提速技術(shù)研究力度，對(duì)我國(guó)高效開發(fā)油氣資源具有重要意義。

(2)軸向沖擊和扭向沖擊鉆井技術(shù)是目前應(yīng)用較多的提速手段，隨著非常規(guī)油氣資源開采進(jìn)程的不斷加大，長(zhǎng)水平段鉆井提速手段亟需攻克，單純的軸向沖擊或扭向沖擊技術(shù)存在一定局限性，不能完全滿足定向井段及水平段的鉆井提速發(fā)展需求，因此應(yīng)加大長(zhǎng)水平段鉆井提速技術(shù)的攻關(guān)力度，同時(shí)增加工具在地層中的適應(yīng)性研究。

(3)振動(dòng)沖擊提速工具的井下工作壽命是保證提速效果的重要前提，在進(jìn)行此類提速技術(shù)的研發(fā)過(guò)程中，應(yīng)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)、新材料、機(jī)械加工工藝及鉆井工藝等進(jìn)行綜合考慮，充分論證提速工具的設(shè)計(jì)方法，減少工具出現(xiàn)沖蝕現(xiàn)象，確保工具井下使用壽命。

(4)隨著大數(shù)據(jù)、智慧油田技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)加大智慧鉆頭、井下智能提速技術(shù)等機(jī)電一體化提速技術(shù)的研究力度，為油田勘探開發(fā)做出更大貢獻(xiàn)。