[发明专利]一种多维冲击器

说明书

技术领域：

本发明属于石油天然气钻井配套设备技术领域，涉及一种多维冲击器，特别是一种深井硬地层提高机械钻速的钻井工具。

背景技术：

随着老油田常规油气资源的勘探开发进入中后期，为满足我国对油气资源的巨大需求，加大了对深层、薄油层、断块油层等复杂油层以及非常规油气资源的开发力度。在这些油气资源的钻探过程中，深部坚硬地层、强非均质性和软硬交互性地层、可钻性差地层的机械钻速低，延长了钻井周期，增加了资金的投入。因此，发展出能够提高深部地层和复杂油气藏钻探效率的新技术及其配套工具，是提高这类井钻探效率和我国油气资源开发效率的必要途径，也是应对国内外石油钻探市场激烈竞争的重要手段。

为了解决钻进过程中机械钻速低的问题，石油工作者们分别从影响机械钻速的各个因素(包括钻压、转速、钻头选型、井底水力能量、破岩方式、钻头扭矩等)的角度出发，提出并发展了垂直钻井技术、水力加压器、水力振荡器、井下动力钻具、高效PDC钻头和新型复合钻头、分流负压钻头、水力脉动钻井工具和自激空化射流钻井工具、旋冲工具，扭力冲击器等多种提速技术及钻井工具，在一定程度上解决了机械钻速低、钻井周期长和资金投入大的问题。

大量现场试验表明，对于深部坚硬地层，旋冲钻井和扭转冲击钻井取得了更好的提速效果，其主要原因是，随着井深的增加，地层压实程度更高变得更加坚硬，同时井底水力能量减弱，机械钻速对转速和水力能量的敏感程度降低，而旋冲钻井能够产生作用于井底岩石的高频轴向冲击，不仅能够使井底岩石产生初始裂纹并扩展形成体积破碎提高破岩效率，同时能够使钻头周期性的吃入地层，从而提高钻头每转一圈的岩石破碎量，另一方面，扭转冲击工具能够产生作用于井底岩石的扭转冲击振动，将PDC钻头对井底岩石的剪切破碎变为冲击剪切破碎，补充钻头破岩扭矩的不足，消除钻头的粘滑效应，提高机械钻速和PDC钻头使用寿命，对坚硬地层的提速效果较好。

鉴于旋冲工具和扭转冲击工具在深井硬地层取得的较好提速效果，国内外各科研院所和石油公司研制了多种原理、结构和冲击参数各不相同的冲击器，但大部分旋冲工具过分强调冲击功对破岩效率的影响，因此导致冲击频率较低，同时由于过大的轴向冲击可能导致钻头吃入地层过深，在提高机械钻速的同时增加了破岩扭矩，进一步加剧了钻头的粘滑振动，另外，冲击工具普遍存在井下的安全性差和使用寿命低的问题。扭转冲击工具在保证钻头对地层有一定吃入深度的前提下，通过扭转方向上的高频冲击实现提速，但现场应用中存在以下不足：首先是容易引发钻头泥包，这就要求在钻进过程中要经常性的将钻头提离井底，开泵并高转速甩动钻柱，从而消除钻头泥包现象，显著增加了钻进辅助时间；其次是容易引发井斜，主要是因为扭力冲击器提速的前提是钻头要有一定的吃深，这就要求要施加比常规钻进更大的钻压，否则扭转冲击无法有效的作用于切削齿前方的岩石上，钻压的增加则常常导致井斜增加，因此，对井身质量控制的要求在一定程度上限制了扭力冲击器提速潜力的发挥；再次是扭力冲击器只能和常规钻具配合使用，现场试验表明扭力冲击器与螺杆钻具配合使用时由于频率相互干扰导致扭力冲击器提速效果显著降低，扭力冲击器只能够在常规钻井基础上进行提速；最后是为保证提速效果扭力冲击器要配合专门的PDC钻头使用，导致工具租赁和钻头费用高，难以在提速的同时提高效益，使其推广应用受到限制。由此可见，旋冲工具和扭转冲击工具虽然在硬地层提速中效果初现，但是在应用过程中尚存在大量的问题。因此，在我国石油资源勘探开发需求迫切和钻井市场化的大形势下，提出一种切实可行的，能够进一步提高深部硬地层和复杂地层机械钻速和钻探效率的钻井技术及其配套工具十分必要。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种多维冲击器，使钻头同时产生对井底岩石的轴向和扭转冲击，提高破岩效率、钻头寿命，消除钻头泥包，从而提高机械钻速，降低钻井资金投入。