摘要：液动冲击旋转钻井技术是在旋转钻井基础上发展起来的钻井新技术，是在钻头上部联接冲击器，将冲击钻进和旋转钻进相结合的一种钻井方法。调研了液动冲击旋转钻井技术的技术特点，和液动冲击器在国内外的最新发展和现场的应用情况。总结了液动冲击旋转钻井技术的破岩机理及钻井参数的优选方法和钻柱的动力学理论。基于目前液动冲击旋转钻井技术的发展现状，结合目前正在兴起的旋转导向钻井技术，对该技术的发展趋势进行了展望。
关键词：冲击旋转钻井；液动冲击器；钻井参数；发展趋势
前言
近几年来，随着油气钻井向深部的发展，硬地层钻进的难题日益突出，而目前油气田勘探开发钻井中仍主要采用
传统的牙轮钻头，配合PDC钻头及喷射钻井装置的旋转钻井技术。当钻遇硬地层时，钻井效率很低，钻头寿命短，钻井周期长，成本高。液动冲击旋转钻井技术是解决硬岩钻进难题最有效的方法之一。液动冲击器由于是靠高压冲洗液驱动，有利于在深井中使用，因此近几年来它再次成为各国钻井专家广泛关注的热点研究课题。继软地层采用牙轮喷射钻井技术取得重大突破并获得十分显著的钻进效果后，液动液动冲击旋转钻井技术被认为是解决硬岩层、软硬交错地层钻速低、深井硬地层、大斜度地层井眼易斜等难题的最有前途的方法之一，将成为钻井技术发展的又一新方向。
1 液动冲击旋转钻井技术及液动冲击工具
1.1 液动冲击旋转钻井技术
液动冲击旋转钻井技术[1]是在旋转钻井基础上发展起来的钻井新技术，是在钻头上部联接冲击器，将冲击钻进和旋转钻进相结合的一种钻井方法。钻进时，钻头在受到常规钻压和扭矩作用的基础上，还依靠高压气体或钻井液推动冲击器活塞冲锤上下运动，施加一定频率的冲击作用，撞击钻头以增加破岩能力。
实现液动冲击旋转钻井的主要手段是液动冲击钻具。较大功率的钻井泵为实现冲击钻具工作提供了保障。现在使用的滑动轴承牙轮钻头又具有耐冲击性能，保证了液动冲击旋转钻井在不需要改变任何设备的前提下实现石油钻井。
旋转冲击钻井技术实质上就是将冲击钻进的单次破碎岩石作用和旋转钻进的连续破碎岩石作用相结合的一种钻井方法，其主要方式是在钻头上联接一个专用的冲击器。钻进时，钻头在常规钻压和扭矩作用的基础上同时通过冲击器给钻头施加一定功率的冲击载荷，井底钻头就在冲击和旋转共同作用下破碎岩石，进行钻进。因此，冲击器是液动冲击旋转钻井中的核心工具，它的性能优劣决定了液动冲击旋转钻井的效率和效益。
1.2液动冲击工具
液动冲击器[2]利用高压水或钻井液作为动力介质，其应用已有上百年的历史，早在19世纪60年代就有人进行潜孔式液动冲击器的试制。1900-1905年，俄国工程师B.沃尔斯基设计了石油钻井用液动冲击器，并开展了液动冲击器的理论研究工作。20世纪50年代，美国、加拿大和前苏联等国家才研制出几种具有实用价值的液动冲击器。其后液动液动冲击旋转钻井技术在岩心钻探中大规模应用并获得巨大成功。目前，国内外发展的冲击器[3]类型有阀式正作用冲击器、阀式反作用冲击器、阀式双作用冲击器(含活阀式和节流式)、射流式冲击器、时吸式冲击器、气动冲击器、机械式冲击器。前5类冲击器均以高压流体(水、泥浆或其他钻井液等)为动力介质。这些冲击器基本组件包括换向机构(活塞、弹簧、密封件、冲锤)及能量传递机构(砧子、钻头)。
2 液动冲击旋转钻井技术的特点
液动冲击旋转钻井技术的技术特点为：井底不规则的表面受到静压力的压持作用，作用力逐渐增加；接触处产生弹性变形，作用力继续快速增加，钻头下面的岩石开始出现微裂纹，然后逐渐形成放射裂纹，两个主要裂纹在岩石中形成一个长而窄的岩屑压碎和压实破碎区，岩石表面突然破裂，出现许多贝壳状的破碎。然后，作用力增加变慢，两侧产生的剪切体被工具的吃入和崩落排除，作用力下降，形成一个破碎坑，在旋转作用下，两坑穴间脊部被剪切掉，形成体积破碎。一个齿压入岩石后，在井底平面内周向移动时，连续完成多次冲击，且在一定静压力作用下，以应力波形式传递的冲击力能有效作用到岩石上，冲击点密度较大，两相邻点的冲击波相互。
2.1液动冲击旋转钻井技术的破岩特点[4]
2.1.1冲击载荷比静载荷能更有效地破碎脆性硬岩石
冲击载荷的特点是接触应力瞬时可达到极高值，局部应力集中，在岩石内容易产生微裂纹。并且冲击速度越大，岩石脆性越大，越有利于裂隙发育。裂纹的发育，降低了岩石表面的机械强度。当冲击载荷足够大时，应力很快接近或超过强度极限，产生脆性破坏，表现为岩石大体积崩离。
2.1.2岩石处于预压应力状态，受冲击作用更容易破碎
旋转冲击钻进时，井底岩石始终受到轴向压力的作用，使钻头齿下面尚未破碎的岩石处于紧张的与与压应力状态。此时当受到高频冲击作用后更容易破碎。因为预加静载改善了冲击能量的传递条件，使能量有效利用率增加。
在花岗岩、石灰岩和大理岩上的试验表明，当静动载同时作用时，岩石破碎深度和体积比单纯的冲击要大。当冲击能量不变时，随预加静载荷的增大，破碎坑体积相应地增大。且随着岩石硬度的增大，预加静载荷对岩石破碎效果的影响愈明显。
2.1.3冲击形成的裂隙给旋转剪切创造了良好的条件
连续不断的冲击作用在井底岩石表面上形成了延伸程度不同的裂纹，一方面有助于被进一步压碎产生剪切体，另一方面有利于旋转剪切破碎岩石。同时，两次冲击之间所形成的岩石脊部很容易被剪切掉。
2.2液动冲击旋转钻井技术的优点[1,5]
由于液动冲击旋转钻井技术的破岩机理和常规旋转钻井存在不同，因此 其具有以下优点：
能大幅度提高整体钻井效率。由于对岩石基本是体积破碎，而不是研磨破碎，排岩屑能力强，无重复破碎现象，因此具有比一般旋转钻井更高的钻速和能量利用率。
转速低，减缓钻头磨损，延长钻头寿命，减小起下钻次数，从而大幅降低钻井成本。
钻孔质量好，井下事故少。由于冲击器高频对孔底进行冲击，破岩时间极短，硬岩岩性变化对破碎效果影响不大，在钻头上不易形成偏斜力矩，因此形成的井眼规则、质量好、清洁，能有效防止硬岩及复杂地层钻井中的井斜问题。因钻具转速低，减少了钻具与孔壁的碰撞机会，因此不易出现孔壁坍塌等事故。
冲击器的特殊结构可使钻井液由连续流变为高压脉冲射流，高压脉冲射流对井底垫层和岩屑的反复、突发冲刷作用有利于消除岩屑压持效应，改善了喷射效果。
所用的钻压和扭矩小，解决了深井中比载荷不足和与岩石接触时间短的矛盾。冲旋钻进时所需钻头上的轴向压力主要是为了保证冲击器能正常工作和保持切削刀具与岩石表面经常而可靠的接触，所需钻压比常规旋转钻要降低20％～60％，从而降低了功率消耗，在不增加任何设备的情况下提高了钻探能力。
钻头使用范围广。使用同级别磨料（如硬质合金）做成的钻头，相对于单纯旋转钻进而言，在液动冲击旋转钻进时能用于可钻性级别更高的岩石，从而扩大了钻头使用范围。
钻进过程可控，钻头转速、冲击频率、冲击能量和钻压等参数可以调节。
钻柱受力情况得到改善，可减少钻柱屈曲，改善钻井工艺参数。
2.3液动冲击旋转钻井参数的优选[1][6][7][8]
2.3.1钻压的优选
液动冲击旋转钻井中，钻压在于保证冲击器旋转钻具压持井底岩石，不使钻头在受冲击反作用下产生跳钻现象和钻具接头处脱开而影响钻头、钻具寿命和冲击器性能。试验证明，在钻进硬度小于中硬以下地层时，钻压增加，平均机械钻速有所增加，而钻进硬岩时，钻压增加超过一定值。会引起钻头过度磨损，平均机械钻速还会有所下降，最佳钻压是每25mm直径的钻头承受28~47kg，进一步增加钻压不会停止或伤害冲击钻具的作用，但也不会提高破岩效果。
2.3.2转速的优选
转速的高低不影响冲击器的操作性能，选择合适的转数主要是为了对钻头寿命和破岩效率有利。转数的选择与岩石性质有关，当钻进硬地层或强研磨性地层时，破碎岩石主要靠冲击作用，转速应较低；否则会使钻头早期磨损，对于裂隙发育的地层和软塑性岩层(如泥页岩)转速可提高，有利于提高两次冲击间的切削破岩效果。
转速和频率存在一定的匹配关系，两者匹配合理与否影响着钻井破岩效果，不同的岩石性质，转速和频率的匹配关系不同。频率高而转速低，会使井底产生重复破碎，而频率低，转速高，又会造成两次冲击坑穴间脊部岩石宽度增加，不能使两相邻坑穴间岩石产生体积破碎，因此，两次冲击间的夹角存在最优值。由此确定出转数和频率的关系为
式中f——冲击频率，次/min；N——转盘转数.r/min； ——最优转角，国外专家认为两次冲击间的转角 为最优值。
2.3.3排量的优选
排量是液动冲击旋转钻井的重要参数，无论哪种冲击器，都是借助高压高速水流的能量来推动冲锤工作的。因此，排量决定着冲击器的冲击功和频率，随着泵排量的增加，冲击频率、冲击功增加，机械钻速也增加，实际工作中，在满足钻井泵安全工作的前提下，应选择满足冲击器工作尽可能大一些的排量，对于FS——178冲击器，排量和冲击功、频率的关系推导后为
（2）
（3）
式中A——冲击功，N·m；Q——排量，l/s； f——冲击频率，次/min；Ｓ全——全冲程(工作冲程加自由行程)， cm。
2.3.4冲击功的优选
实验证明，随着冲击功能量的增大，岩样上的破碎坑穴越大越深，从破岩效果的角度出发，选择冲击器的冲击功能量在25~40kg·m比较合适，评定冲击破岩效果的合理性，还必须考虑到单位体积破碎功，随着单次冲击功的增大，钻头齿的磨损可大大下降，破岩效率提高。
2.3.5冲击频率的优选
冲击器实际上是一个能量转换器，钻井液通过冲击器将一部分水力能量转换成冲锤冲击传动短节的机械能量，同时摩阻消耗一部分水力能量。
设密度为?籽，粘度为?滋的钻井液以Q的排量流过冲击器，在冲击器进口处的钻井液压力为p1，出口处的压力为p2，则压降为 。
则冲击器消耗的水力能量为：
（4）
设冲击器的效率系数为?浊，则输出功率为：
（5）
冲击器工作时以一定的频率f和冲击功冲击传动短节，当其结构、钻井液的性能及排量确定后，f和W是确定的，冲击器的输出功率也可表示为：
（6）
将式(6)代入式(5)，则：
(7)
在冲击破岩过程中，当单次冲击功不变时，相同时间内增加冲击次数，即提高冲击频率，可以提高破岩能量，即破岩能量与冲击频率成正比。
但当冲击器的总功率不变时，提高频率 ，单次冲击功会降低。由此可见，冲击功应有一个合理的最小值，才能使岩石达到体积破碎，所以冲击频率有一个最大的合理值，即：
(8)
3液动冲击旋转钻井技术的最新进展
液动冲击旋转钻井技术自诞生以来，在油气钻井领域，冲击器可与牙轮钻头、PDC钻头、平底钻头结合；在定向井、位移井、小井眼等特殊工艺井中均可应用；与套管钻进工艺相结合，解决松散、破碎地层的护壁问题；与反循环钻井工艺相结合，解决大直径钻孔的排粉问题；与高压泥浆喷射技术结合，解决液动冲击旋转钻井在软地层钻进效率低的问题。随着液动冲击旋转钻井技术的优势在现场施工中日趋明显，旋转钻井技术也得到了更新的发展，其主要表现在液动冲击旋转钻井工艺技术理论的新进展和液动冲击器的新进展。
3.1液动冲击旋转钻井技术理论的新发展
3.1.1液动冲击旋转钻井钻柱动力学研究
为了更好的指导液动冲击旋转钻井技术在现场的应用，为其提供理论依据，袁光杰[9]等人基于对钻柱动力学的理论分析，考虑了钻头与井底岩石的相互作用和冲击器的冲击作用的影响。在适当的简化条件下，利用弹性杆理论和单元法建立了在冲击器作用下的钻柱纵向振动的动力学模型，并采用数值差分法求解了这一模型，与旋转钻井情况下的结果进行了比较。为进一步研究钻柱在冲旋钻井中的实际运动规律和动力学性能，推广冲旋钻井技术在油气田中的应用奠定了基础。
3.1.2液动冲击旋转钻井钻头仿真模型的建立研究
林元华[10]等人针对钻井机械钻速预测研究中的不足．提出用计算机仿真方法来研究液动冲击旋转钻井的机械钻速。为此，首先对冲旋钻头常用的牙齿面进行离散化后，再结合液动冲击旋转钻头的结构特点和尺寸，利用坐标变换建立了液动冲击旋转钻井钻头的真实数学模型。该模型能准确可靠地描述钻头的形状和结构，为 是液动冲击旋转钻井预测机械钻速提供了可靠的理论基础。
3.1.3液动冲击旋转钻井参数对破岩效率的影响研究
国内一些研究单位及研究人员[6]通过理论和试验相结合的方法，分析了旋冲钻井参数对破岩效率的影响及钻井参数与冲击器性能参数间关系，讨论了石油钻井中常遇到的泥岩、砂岩、灰岩的基本特性参数与冲击器的冲击功和冲击频率的关系，给出了岩石强度、可钻性及硬度与冲击器性能参数的关系。通过优选了有关参数提高了工作效率，使液动冲击旋转钻井更科学化，钻井机械效率进一步提高，大大降低了钻井成本。
3.2液动冲击旋转钻井工具的新发展[2][11]
3.2.1液动冲击旋转钻井工具在国外的新发展
美国泛美石油公司研究开发了一种石油钻井用双作用液动冲击器，在2400m井深做过试验，在石灰岩地层中钻进速度比普通钻进方法提高96%～350%，其主要参数见表1。
美国Perth钻探设备公司受ODP(大洋钻探计划委员会)的委托研制一种液动锤，准备在水深5000m的海底钻进。中部洋脊处属于板块缝合带，混杂有近代破碎岩层.岩层倾角达30°。采用常规的钻进方法钻进此种岩层，经常发生钻具折断事故，结果均导致失败。液动液动冲击旋转钻井方法被认为是解决这一难题的有效手段。据报道，经过3年多的时间在室内研究成功了?覫152. 4mm ( 6英寸)的液动锤，正准备研究?覫144.5mm (17.5英寸)的液动锤，但目前未见其应用成果的报道。
美国Smith Tool公司与英国、德国合作研究出一种阀式无簧式双作用冲击器，这种冲击器采用大质量冲锤，小活塞作用面积，压力高，流量小，从而获得了1000J以上的单次冲击功。但是这种冲击器在石油钻井试验中，当井深超过3000m时，冲击器不能正常工作，目前正在做进一步的深入研究与改进工作。
德国克劳斯塔尔工业大学深钻研究所也在开展液动冲击器的工作理论试验研究及微机仿真电算研究。1993年，设计了一套直径为140mm的阀式双作用冲击器，采用两个弹簧，其结构如图1所示。经初步试验，流量在1000J/min左右，泵压在3～4 MPa，冲击功达800～900J。原拟用于KTB超深钻科学钻井中，但冲击器工作不稳定，尤其在高围压下不工作。
1——阀套；2——阀室；3——弹簧；4——阀套；5——阀；6——衬套；7——外管；8——活塞中空；9——活塞；10——导套；11——砧子；12——滑动套；13——节流环；14——钻头
3.2.2液动冲击旋转钻井工具国内新发展
YZX-127型高冲击功液动冲击器。 YZX-127型液动冲击器由国土资源部勘探技术研究所研制，为一种阀式双作用类型冲击器。由于采用了一种新型的机械式储能变流装置，可以减小回程冲击，流量均匀，提高了液动冲击器的能量利用率，从而获得较高的单次冲击功。其结构及性能参数为：冲击器外径127 mm，钻井直径136-158mm，长度1750mm，工作压力2. 7～7.0MPa，工作泵量0.19～0.4m3/min，冲击频率8～15Hz，单次冲击功180～500J，质量120kg。
该型冲击器已制成样机，并完成了室内调试及试验。在7～8级花岗岩样中进行钻进试验，试验用φ136mm硬质合金球齿钻头，试验结果获得了最高钻速6m/h。
1999年6月在江苏东海科学钻探先导孔的实验孔对冲击器进行了钻进试验。钻进地层为片麻岩，石英含量高，研磨性强，采用φ158mm的固定式硬质合金球齿钻头和φ152mm三牙轮钻头。钻进规程为：泵压3. 0～3. 8MPa，泵量350～470l/min，转速40～80r/min，平均钻速达2.55 m/h，且用牙轮钻头比球齿钻头的效果更好。但是试验过程中冲击器的活塞、上阀及扶正接头均发生过断裂破坏。
XC型液力冲击器。XC型液力冲击器由大庆油田石油钻井研究所设计，结构如图2所示。这种液力冲击器现处于试制阶段，已完成XC-82型及XC-178型冲击器样机的设计及加工，XC-82型液力冲击器已完成了室内测试工作。其室内测试数据如下。
1——水击阀座；2——筒体；3——水击阀心；4——支承座；5——冲锤；6——砧轴口；7——钻头；8——动密封件
冲击器外径72mm，冲锤质量23kg，冲击行程11～27 mm，工作泵压1. 3～3. 7MPa，工作泵量100~350l/min，单次冲击功11. 5～132J，冲击频率10～18 Hz。这种冲击器亦属阀式双作用类型，与国内同类型冲击器的工作原理基本相同，其主要特点：①采用活塞环密封，密封可靠，摩擦阻力小，寿命长；②整个冲击器只有8个零件，且结构简单；③单次冲击能较大。
YSC-178型液动射流式冲击器。YSC-178型液动射流式冲击器主要由长春科技大学研究，主要结构如图3所示。其工作原理是依靠双稳的射流元件控制活塞冲锤的上下运动。冲击器结构简单，运动部件少，除活塞冲锤外无其它运动零件，因而工作寿命长。冲击器工作不受井深及围压的影响，可应用于深井石油钻井。根据不同的地层、井深、钻井工艺，冲击器工作性能参数可以大幅度调整，而其工作的稳定性不受影响。冲击器的单次冲击功可大幅度提高，可配套硬质合金球齿钻头，实现全面的体积碎岩。目前已研制出6套样机，完成了室内测试工作，并进行了三轮现场试验。试验由地矿部石油钻井研究所协助，最长入井时间84h，钻进最大井深2600m，在较硬砂岩中钻进，采用牙轮钻头，平均钻速达3. 58m/h，与普通牙轮钻头钻进相比提高效率161 % ,获得了较好的试验效果。出口美国Smith Tool公司的两套钻具也做了入井试验，取得了满意的效果。
SYZJ液动冲击器。SYZJ液动冲击器为双作用类型冲击器，由石油大学研制。它与一般双作用冲击器相比，其显著特点是采用了一套双阀配水机构，即活塞冲锤的冲程和回程是靠上下两个活阀的配水来完成的。其结构如图4所示。
这种冲击器外径226.8mm，室内测试时，当水泵排量为1000ml/min，泵压4.5MPa，冲击功达399.7J,频率17.5Hz。冲击器在2308～2351m井段进行了入井试验，地层为泥岩及粉沙岩，采用311.l mm HJ517牙轮钻头。钻进规程参数为：钻压120～180kN，顶驱转速50～90r/min，钻井液排量35～45L/s，泵压11~16MPa，试验结果表明，纯钻进时间32h，在粉沙岩井段平均机械钻速为4m/h，与纯旋转钻井相比，提高钻井速度63%，在泥岩中提高钻速21%，并减少了井眼偏斜，获得了很好的效果。
射吸式双作用油井深井冲击器。射吸式双作用油井深井冲击器由西安石油学院研制，其工作原理主要是利用钻井液流过喷嘴的卷吸作用，以及阀控液压随动系统的压力位移综合反馈关系，使阀和活塞产生交变压力差，推动活塞往复运动。
这种冲击器是针对井深4000～5000m钻井需要而设计的，对阀、活塞、密封、喷嘴及砧子等零进一步的试验研究。
4液动冲击旋转钻井技术的发展方向
进一步开展液动冲击旋转钻井中钻头和地层破岩机理，应用试验和数值模拟的方法，弄清冲击应力场的产生、传递以及破碎岩石的过程，从而改进和完善液力冲击及其工具设计。
继续研究液动冲击旋转钻井中钻柱的动力学机理，建立加有液力冲击力的钻柱纵向、横向、扭转振动模型和它们的耦合振动模型，为预测和预防钻具和液力冲击器的使用寿命提供理论指导。
在上面理论研究的基础上，利用计算机编程技术，优化钻井参数，为合理高效的使用液动冲击器提供理论支持。
积极研究直径由小到大，适用于深井的系列化产品的冲击器，增加冲击器的使用寿命，由小的单次冲击功向大单次冲击功发展，以满足体积碎岩的需要，其应用范围更加广泛，由直井向定向井，大位移井方面拓宽。
随着自动化和智能化钻井的不断发展，旋转导向钻井技术在钻大位移深井方面显示出其独特的技术优势，但是钻头钻压难于加上的问题始终无法解决，如果将液动冲击旋转钻井技术应用于旋转导向钻井中，将极大的解决该问题。
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