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[摘 要]随着深井和超深井的勘探开发比例不断增加，对提高油气钻井速度和质量提出了新的挑战。由于深井深部地层岩石坚硬、研磨极值高，PDC钻头易出现粘滑振动现象，严重制约着机械钻速的提高。扭力冲击器与PDC钻头结合使用能够显著提高机械钻速，减少粘滑、卡钻现象出现，延长钻头使用寿命。
[关键词]扭力冲击器；原理；特点
中图分类号：P58 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）08-0300-01
前言
近年来，随着深井和超深井的勘探开发比例不断增加，深部地层岩石硬度和塑性增大，常规牙轮钻头可钻性差、机械转速低、钻井周期长。为提高钻头行程机械钻速，PDC钻头得到广泛使用，但在深部地层PDC钻头出现的粘滑振动现象，不仅严重制约机械钻速进一步提升，还极大地影响了其使用寿命。为消除PDC钻头的粘滑振动现象，经过研究和应用，使用扭力冲击器是减小或消除钻头该现象的最有效方法。
1扭力冲击器在钻井施工中应用的必要性
1.1 钻头
硬地层钻井过程中，由于地下岩石的坚硬度较高，因而对钻进器的钻头质量要求较高，岩石坚硬，钻进、破碎难度较大，因而需要充分提高钻头研磨性和抗磨损性，否则钻头工作效率下降，钻井速度受影响，严重则会导致井下施工事故产生。传统的钻进器钻头抗磨损性有限，因而总体钻进效果不理想。扭力冲击器则将PDC钻头的整体运动状态改变，极大的提高其岩石破碎效率，根据试验分析，扭力冲击器在沟组式地层中试用具有快速钻井的效用，实践应用意义明显。PDC钻头在井下运动时属于无序状态，因而总体振动形式是扭向振动、横向振动和纵向振动相结合，具有一定的组合效应。因而单个PDC在井下振动时切削齿会被严重损坏，进而降低钻头的使用寿命，同时随钻测井信号和扭矩波动干扰定向控制也会受到影响。当井眼出现不规则状态时，井身质量也会下降。分析PDC钻头转速低的原因，能够进一步促进扭力冲击器应用究。
1.2 机械钻速
井下钻进工作中使用扭力冲击器能够有效消除钻头在运动状态下出现的多种振动和单项振动现象，其中多种振动包括纵向振动、横向振动和扭向振动等，钻柱扭矩在平衡和稳定状态下，能够将泥浆的整体流体能量进一步转换为高频、稳定均匀的扭向冲击性机械能，在此过程中，能够将这种冲击性机械能量传导给PDC钻头，使井底和钻头均能够保持一定的稳定性和连续性。使用扭力冲击器可以提供扭向冲击力，这种冲击力处于额外性质的，可以改变PDC钻头运行状态，冲击力每分钟的运作频次是750～1500次。因而钻头在切削地层时不需要扭力积蓄、提供的能量即可完成。PDC 钻头切削地层主要是因为钻头上部有两个作用力，一个力是由扭力冲击器提供，另一个则是由转盘提供，前者可将作用力传导给钻头自身，此时钻杆的扭矩处于稳定状态，扭矩由钻杆传达后可用于地层切削。
2 扭力冲击器结构及原理
2.1 涡轮驱动型
此类型的冲击器主要由涡轮动力系统和扭力冲击系统两大部分组成。在工作的过程中，高压钻井液驱动的涡轮系统提供动力，带动扭力冲击系统工作，再产生周向高频、低幅的扭力冲击作用于钻头。这类扭力冲击器以加拿大联合金刚石公司的旋转扭力冲击装置为典型代表。
2.2 钻井液直接驱动型
由于涡轮驱动类型冲击器中涡轮易损，限制了该类型冲击器的推广和应用，因此发展了由高压钻井液直接驱动类型的扭力冲击器。该类型冲击器结构主要包括流体分流、清洁系统和振动系统两大部分[1]。在工作过程中，高压流体经过分流、清洁系统后，部分流体流经振动系统，使其产生高频、低幅振动并作用于钻头。这类振动器典型代表有TorkBuster扭力冲击器、胜利钻井研究院的扭力冲击工具等。
2.3 扭力冲击器与钻头组合
钻井施工中可将扭力冲击器与PDC钻头共同组合使用，传统的钻井施工过程中使用PDC钻头以钻进、破碎岩层为主，但是这种破岩方式相对单一，总体钻进效率有限。结合使用扭力冲击器和PDC钻头，在相互配合中能够将破岩方式改为冲击破碎，这种运行机理是利用旋转剪切力实现岩层的破碎，以双重作用力对岩层实施冲击、剪切压力。组合应用扭力冲击器和PDC钻头能够保证井身质量，同时对加快钻井速度、提升钻井效果具有重要作用。尤其是在一些岩石较硬的地下岩层中，复合片难以直接吃入地层中，继而导致机械钻速较低，同时钻头在软硬交错型的地层中使用，容易对钻头造成一定的损伤，影响其使用寿命，而将扭力冲击器和PDC钻头组合使用，以双重钻进的形式能够更好的解决这些问题。
3 扭力冲击器技术特点
（1）扭力冲击器内部机械结构合理，泥浆流道通畅，无任何橡胶件，无任何电子元器件，对于整个钻井工艺没有其他特殊要求，能适用于各种钻机性能。此外，由于扭力冲击器内部结构设计精妙，各个换流通道之间能够无缝连接，保证了扭力冲击器对于钻井液的利用率高。可以抗高温达210℃。另外，即使扭力冲击器失效，它也只是相当于一个钻头短节和PDC钻头一起继续旋转并不影响继续钻进，并不需要对此进行起下钻，但性能相当于又回到之前不用扭力冲击器的状态中，这时的机械钻速会降低，但没有任何其他风险。
（2）提供周向往复扭矩：扭力冲击器的中屯、管和上接头处各有流水孔，利用扭力冲击器自身的结构特点，使得钻井液在不同时刻，进入中屯管和上接头内，推动拨叉开关和液压鍾往复运动，并撞击链座，然后把力传递到与扭力冲击器相连接的钻头处，给钻头提供周向往复的扭矩。
（3）减少粘滑、卡钻现象；由于钻头受到了扭力冲击器的间断性的周向往复扭力，导致钻头在钻井过程中从受到单一的摩擦扭矩转变为摩擦扭矩和扭力冲击器扭力的总和，变化的受力情况能有效的减少钻柱粘滑、卡钻的发生。
（4）使用扭力冲击器扭力冲击发生器，钻压在8～14t，大于常规PDC钻头钻压，钻头的PDC齿切入地层更深，使钻头更有效地剪切破碎地层，大大增加机械钻速。
（5）泥浆流量和流速越大，扭力冲击器扭力冲击发生器产生的冲击能量也越大，对钻头产生的机械钻速以及冲击的频率也越高。
（6）扭力冲击器扭力冲击发生器由于是从扭向上产生的稳定均匀的高频冲击，所以只适用于金刚石钻头。产生的所谓振动或冲击，不会对PDC钻头的金刚石复合片产生损坏，反而会延长PDC钻头寿命，同时也减弱其他钻具的疲劳强度，延长其他钻具的寿命。
（7）突破PDC钻头瓶颈：扭力冲击器的使用，能够使得PDC钻头在软硬交错的不均质夹层，特别是塑性的岩层有着良好的发挥效果，使得PDC钻头突破了以往的瓶颈。
4 扭力冲击器发展趋势
扭力冲击器从第一代产品的问世到现在已经发展了十几年。目前国外扭力冲击器技术较为成熟，基本实现了大范围商业化应用。为进一步充分发挥PDC 钻头的潜能，提高机械钻速，未来扭力冲击器发展趋势主要表现以下三个方面：
（1）在保证工作可靠性前提下进一步优化结构设计，朝着体积小、活动部件少、结构简单、便于加工的方向发展；
（2）扭力冲击器配套的PDC钻头技术研发必将得到突破，研发专用配套的PDC 钻头，二者达到最佳匹配，发挥PDC钻头的最大优势；
（3）朝着多样化、智能化方向发展。多样化、智能化将会进一步扩大扭力冲击器与专用PDC 钻头组合工具的使用范围，更好的满足MWD、LWD测井等相关作业要求，使其能满足直井、定向井及水平井等各种复杂地质条件下的钻井作业要求。
5 结束语
扭力冲击器是目前可以减小或消除钻头粘滑振动现象的最有效方法，通过产生直接作用于PDC钻头上的高频、低幅的扭力冲击来降低或消除钻头的粘滑振动现象，提高机械钻速，提高PDC钻头寿命。随着油气勘探领域向海上及深部地层扩展，地质环境复杂程度不断增加，未来扭力冲击器发展必将向着结构简单、便于加工、可靠性高及多样化、智能化的方向发展，且扭力冲击器配套的专用PDC钻头技术研发必将得到突破，配合其使用才能满足直井、定向井及水平井等各种复杂地质条件下的钻井作业要求。
參考文献
[1] 张怀文，马玉佼.TorkBuster扭力冲击器应用研究分析[J].辽宁化工，2012（8）：8-10.
[关键词]扭力冲击器；原理；特点
中图分类号：P58 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）08-0300-01
前言
近年来，随着深井和超深井的勘探开发比例不断增加，深部地层岩石硬度和塑性增大，常规牙轮钻头可钻性差、机械转速低、钻井周期长。为提高钻头行程机械钻速，PDC钻头得到广泛使用，但在深部地层PDC钻头出现的粘滑振动现象，不仅严重制约机械钻速进一步提升，还极大地影响了其使用寿命。为消除PDC钻头的粘滑振动现象，经过研究和应用，使用扭力冲击器是减小或消除钻头该现象的最有效方法。
1扭力冲击器在钻井施工中应用的必要性
1.1 钻头
硬地层钻井过程中，由于地下岩石的坚硬度较高，因而对钻进器的钻头质量要求较高，岩石坚硬，钻进、破碎难度较大，因而需要充分提高钻头研磨性和抗磨损性，否则钻头工作效率下降，钻井速度受影响，严重则会导致井下施工事故产生。传统的钻进器钻头抗磨损性有限，因而总体钻进效果不理想。扭力冲击器则将PDC钻头的整体运动状态改变，极大的提高其岩石破碎效率，根据试验分析，扭力冲击器在沟组式地层中试用具有快速钻井的效用，实践应用意义明显。PDC钻头在井下运动时属于无序状态，因而总体振动形式是扭向振动、横向振动和纵向振动相结合，具有一定的组合效应。因而单个PDC在井下振动时切削齿会被严重损坏，进而降低钻头的使用寿命，同时随钻测井信号和扭矩波动干扰定向控制也会受到影响。当井眼出现不规则状态时，井身质量也会下降。分析PDC钻头转速低的原因，能够进一步促进扭力冲击器应用究。
1.2 机械钻速
井下钻进工作中使用扭力冲击器能够有效消除钻头在运动状态下出现的多种振动和单项振动现象，其中多种振动包括纵向振动、横向振动和扭向振动等，钻柱扭矩在平衡和稳定状态下，能够将泥浆的整体流体能量进一步转换为高频、稳定均匀的扭向冲击性机械能，在此过程中，能够将这种冲击性机械能量传导给PDC钻头，使井底和钻头均能够保持一定的稳定性和连续性。使用扭力冲击器可以提供扭向冲击力，这种冲击力处于额外性质的，可以改变PDC钻头运行状态，冲击力每分钟的运作频次是750～1500次。因而钻头在切削地层时不需要扭力积蓄、提供的能量即可完成。PDC 钻头切削地层主要是因为钻头上部有两个作用力，一个力是由扭力冲击器提供，另一个则是由转盘提供，前者可将作用力传导给钻头自身，此时钻杆的扭矩处于稳定状态，扭矩由钻杆传达后可用于地层切削。
2 扭力冲击器结构及原理
2.1 涡轮驱动型
此类型的冲击器主要由涡轮动力系统和扭力冲击系统两大部分组成。在工作的过程中，高压钻井液驱动的涡轮系统提供动力，带动扭力冲击系统工作，再产生周向高频、低幅的扭力冲击作用于钻头。这类扭力冲击器以加拿大联合金刚石公司的旋转扭力冲击装置为典型代表。
2.2 钻井液直接驱动型
由于涡轮驱动类型冲击器中涡轮易损，限制了该类型冲击器的推广和应用，因此发展了由高压钻井液直接驱动类型的扭力冲击器。该类型冲击器结构主要包括流体分流、清洁系统和振动系统两大部分[1]。在工作过程中，高压流体经过分流、清洁系统后，部分流体流经振动系统，使其产生高频、低幅振动并作用于钻头。这类振动器典型代表有TorkBuster扭力冲击器、胜利钻井研究院的扭力冲击工具等。
2.3 扭力冲击器与钻头组合
钻井施工中可将扭力冲击器与PDC钻头共同组合使用，传统的钻井施工过程中使用PDC钻头以钻进、破碎岩层为主，但是这种破岩方式相对单一，总体钻进效率有限。结合使用扭力冲击器和PDC钻头，在相互配合中能够将破岩方式改为冲击破碎，这种运行机理是利用旋转剪切力实现岩层的破碎，以双重作用力对岩层实施冲击、剪切压力。组合应用扭力冲击器和PDC钻头能够保证井身质量，同时对加快钻井速度、提升钻井效果具有重要作用。尤其是在一些岩石较硬的地下岩层中，复合片难以直接吃入地层中，继而导致机械钻速较低，同时钻头在软硬交错型的地层中使用，容易对钻头造成一定的损伤，影响其使用寿命，而将扭力冲击器和PDC钻头组合使用，以双重钻进的形式能够更好的解决这些问题。
3 扭力冲击器技术特点
（1）扭力冲击器内部机械结构合理，泥浆流道通畅，无任何橡胶件，无任何电子元器件，对于整个钻井工艺没有其他特殊要求，能适用于各种钻机性能。此外，由于扭力冲击器内部结构设计精妙，各个换流通道之间能够无缝连接，保证了扭力冲击器对于钻井液的利用率高。可以抗高温达210℃。另外，即使扭力冲击器失效，它也只是相当于一个钻头短节和PDC钻头一起继续旋转并不影响继续钻进，并不需要对此进行起下钻，但性能相当于又回到之前不用扭力冲击器的状态中，这时的机械钻速会降低，但没有任何其他风险。
（2）提供周向往复扭矩：扭力冲击器的中屯、管和上接头处各有流水孔，利用扭力冲击器自身的结构特点，使得钻井液在不同时刻，进入中屯管和上接头内，推动拨叉开关和液压鍾往复运动，并撞击链座，然后把力传递到与扭力冲击器相连接的钻头处，给钻头提供周向往复的扭矩。
（3）减少粘滑、卡钻现象；由于钻头受到了扭力冲击器的间断性的周向往复扭力，导致钻头在钻井过程中从受到单一的摩擦扭矩转变为摩擦扭矩和扭力冲击器扭力的总和，变化的受力情况能有效的减少钻柱粘滑、卡钻的发生。
（4）使用扭力冲击器扭力冲击发生器，钻压在8～14t，大于常规PDC钻头钻压，钻头的PDC齿切入地层更深，使钻头更有效地剪切破碎地层，大大增加机械钻速。
（5）泥浆流量和流速越大，扭力冲击器扭力冲击发生器产生的冲击能量也越大，对钻头产生的机械钻速以及冲击的频率也越高。
（6）扭力冲击器扭力冲击发生器由于是从扭向上产生的稳定均匀的高频冲击，所以只适用于金刚石钻头。产生的所谓振动或冲击，不会对PDC钻头的金刚石复合片产生损坏，反而会延长PDC钻头寿命，同时也减弱其他钻具的疲劳强度，延长其他钻具的寿命。
（7）突破PDC钻头瓶颈：扭力冲击器的使用，能够使得PDC钻头在软硬交错的不均质夹层，特别是塑性的岩层有着良好的发挥效果，使得PDC钻头突破了以往的瓶颈。
4 扭力冲击器发展趋势
扭力冲击器从第一代产品的问世到现在已经发展了十几年。目前国外扭力冲击器技术较为成熟，基本实现了大范围商业化应用。为进一步充分发挥PDC 钻头的潜能，提高机械钻速，未来扭力冲击器发展趋势主要表现以下三个方面：
（1）在保证工作可靠性前提下进一步优化结构设计，朝着体积小、活动部件少、结构简单、便于加工的方向发展；
（2）扭力冲击器配套的PDC钻头技术研发必将得到突破，研发专用配套的PDC 钻头，二者达到最佳匹配，发挥PDC钻头的最大优势；
（3）朝着多样化、智能化方向发展。多样化、智能化将会进一步扩大扭力冲击器与专用PDC 钻头组合工具的使用范围，更好的满足MWD、LWD测井等相关作业要求，使其能满足直井、定向井及水平井等各种复杂地质条件下的钻井作业要求。
5 结束语
扭力冲击器是目前可以减小或消除钻头粘滑振动现象的最有效方法，通过产生直接作用于PDC钻头上的高频、低幅的扭力冲击来降低或消除钻头的粘滑振动现象，提高机械钻速，提高PDC钻头寿命。随着油气勘探领域向海上及深部地层扩展，地质环境复杂程度不断增加，未来扭力冲击器发展必将向着结构简单、便于加工、可靠性高及多样化、智能化的方向发展，且扭力冲击器配套的专用PDC钻头技术研发必将得到突破，配合其使用才能满足直井、定向井及水平井等各种复杂地质条件下的钻井作业要求。
參考文献
[1] 张怀文，马玉佼.TorkBuster扭力冲击器应用研究分析[J].辽宁化工，2012（8）：8-10.