复合冲击破岩钻井新技术
第４４卷第５期石 油 钻 探 技 术Ｖｏｌ畅４４Ｎｏ畅５２０１６年９月ＰＥＴＲＯＬＥＵＭ ＤＲＩＬＬＩＮＧ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳＳｅｐ．，２０１６
收稿日期：２０１６０１１２；改回日期：２０１６０５２９。
作者简介：柳贡慧（１９６３－），男，山东黄县人，１９８４年毕业于阜新矿业学院露天开采专业，１９９２年获中国矿业大学北京研究生部机械专业博士学位，教授，博士生导师，主要从事动力冲击钻井技术、井下过程控制与测量、气体钻井等方面的研究工作。Ｅ‐ｍａｉｌ：ｌｇｈ＿１０２９＠１６３．ｃｏｍ。
基金项目：国家自然科学基金“控压钻井测控理论及关键问题研究”（编号：５１３３４００３）、中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目“高研磨地层破岩新技术研究”（编号：２０１４Ａ４２１１）联合资助。
磼钻井完井磾ｄｏｉ：１０．１１９１１／ｓｙｚｔｊｓ．２０１６０５００２
复合冲击破岩钻井新技术
柳贡慧１，２，李玉梅１，李 军１，查春青１，张 涛３，霍明明４
（１．中国石油大学（北京）石油工程学院，北京１０２２４９；２．北京工业大学，北京１００１２４；３．北京信息科技大学信息与通信工程学院，北京１００１９２；４．新疆石油工程建设有限责任公司，新疆克拉玛依８３４０００）
摘 要：针对传统旋冲钻井和扭冲钻井在钻头的匹配性及地层的适应性方面存在的局限性，结合高效钻井技
术发展趋势，提出了复合冲击破岩钻井新技术，并开发了可实现扭向反转冲击联合轴向脉动冲击的新型复合冲击钻具。该钻具可将流体的液压能转换成工具扭向和轴向交替的高频冲击机械能并直接传递给钻头，给钻头施加周期性的低幅高频复合式冲击，在不需要改变任何设备的前提下提高破岩效率。在介绍复合冲击破岩钻井新技术破岩原理的基础上，详细介绍了复合冲击钻具的结构和工作原理、影响破岩效率的关键参数等。新型复合冲击破岩钻井新技术，可真正实现“立体破岩”，从而提高机械钻速和井身质量。
关键词：黏滑振动；旋冲钻井；扭冲钻井；立体破岩；钻井工具；机械钻速中图分类号：ＴＥ２４８ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１０８９０（２０１６）０５００１００６
ＮｅｗＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗｉｔｈＣｏｍｐｏｓｉｔｅＰｅｒｃｕｓｓｉｏｎＤｒｉｌｌｉｎｇａｎｄＲｏｃｋＢｒｅａｋｉｎｇ
ＬＩＵＧｏｎｇｈｕｉ１，２
，ＬＩＹｕｍｅｉ１
，ＬＩＪｕｎ１
，ＺＨＡＣｈｕｎｑｉｎｇ１
，ＺＨＡＮＧＴａｏ３
，ＨＵＯＭｉｎｇｍｉｎｇ
４
（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ（Ｂｅｉｊｉｎｇ），Ｂｅｉｊｉｎｇ，１０２２４９；２．ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１００１２４；３．Ｓｃｈｏｏｌｏｆｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ＆ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＥｎ‐ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１００１９２；４．ＸｉｎｊｉａｎｇＰｅｔｒｏ‐ｌｅｕｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｋａｒａｍａｙ，Ｘｉｎｊｉａｎｇ，８３４０００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓｏｆｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｒｏｔａｒｙｄｒｉｌｌｉｎｇａｎｄｔｏｒｓｉｏｎａｌｄｒｉｌｌｉｎｇｉｎｄｒｉｌｌｂｉｔｍａｔｃｈｉｎｇａｎｄａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｅｗｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇｗａｓｐｒｏ‐ｐｏｓｅｄ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ａｎｅｗｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｅｒｃｕｓｓｉｖｅｄｒｉｌｌｉｎｇｔｏｏｌｗａｓａｌｓｏｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｏａｃｈｉｅｖｅｒｅｖｅｒｓａｌｔｏｒｓｉｏｎ‐ａｌｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎａｎｄｔｏｒｓｉｏｎａｌｐｕｌｓｅｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎ．Ｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｔｏｏｌｃｏｕｌｄｃｏｎｖｅｒｔｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｅｎｅｒｇｙｏｆｆｌｕｉｄｓｉｎｔｏａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｅｎｅｒｇｙｏｆｔｏｒｓｉｏｎａｌａｎｄａｘｉａｌｈｉｇｈ‐ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎａｎｄｄｉｒｅｃｔｌｙｔｒａｎｓｆｅｒｉｔｔｏｔｈｅｂｉｔ．Ｔｈｕｓ，ｐｅｒｉｏｄｉｃｌｏｗ‐ａｍｐｌｉｔｕｄｅｈｉｇｈ‐ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎｗａｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｂｉｔｉｎｏｒ‐ｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｗｉｔｈｏｕｔｅｑｕｉｐｍｅｎｔｃｈａｎｇｅ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｔａｉｌｓｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｄｒｉｌｌｉｎｇｔｏｏｌｓ，ｋｅｙｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ａｎｄｍｏｒｅ．Ｔｈｅｎｅｗｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｒｅｅ‐ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｒａｔｅｏｆｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎａｎｄｔｏｅｎｈａｎｃｅｗｅｌｌｂｏｒｅｑｕａｌｉｔｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｉｃｋ‐ｓｌｉｐｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｒｏｔａｒｙｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎｄｒｉｌｌｉｎｇ；ｔｏｒｓｉｏｎａｌｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎｄｒｉｌｌｉｎｇ；ｔｈｒｅｅ‐ｄｉｍｅｎ‐ｓｉｏｎａｌｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇ；ｄｒｉｌｌｉｎｇｔｏｏｌ；ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｒａｔｅ
随着油气资源勘探开发的不断深入，深井、超深井越来越多，钻遇“三高地层”（岩石硬度高、岩石可
钻性级值高、岩石研磨性高）的可能性越来越大，这严重影响了深部硬地层的机械钻速和勘探开发成本
［１７］
。针对硬地层钻进过程中机械钻速低、钻头因
黏滑振动失效快、钻井成本高等问题，亟待研制开发一种新型破岩工具来提高高硬度和高研磨性地层的
机械钻速。
冲击钻井技术的设想最初源于欧洲，冲击回转
钻井技术的实际应用距今已有上百年的历史［８９］
。
１９５８年，我国开始旋冲钻井技术研究与试验，至今
万方数据