劉永旺 管志川 張洪寧 馬廣軍 張 波

(1.中國石油大學(華東)石油工程學院 山東青島 266580； 2.中國石化石油工程技術研究院 北京 100101)

基于鉆柱振動的井下提速技術研究現狀及展望*

劉永旺1管志川1張洪寧2馬廣軍2張 波1

(1.中國石油大學(華東)石油工程學院 山東青島 266580； 2.中國石化石油工程技術研究院 北京 100101)

劉永旺,管志川,張洪寧，等.基于鉆柱振動的井下提速技術研究現狀及展望[J].中國海上油氣，2017,29(4)：131-137.

LIU Yongwang,GUAN Zhichuan,ZHANG Hongning,et al.Research status and prospect of ROP-enhancing technology based on drill string vibration[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(4):131-137.

鉆井提速技術一直是鉆井工程領域的研究熱點，尋找井下可用新能量并開發(fā)出配套的能量轉化方法來提高破巖效率是深井超深井提速領域重要研究方向。分析了井下可獲得能量特征，闡述了利用鉆柱縱向振動能量提升井下鉆井液噴射壓力輔助破巖提速的理念，總結了已研制的井下鉆柱減振增壓裝置、吸振式井下液壓脈沖發(fā)生裝置、多效協同提速鉆井裝置的結構及優(yōu)點，并對深井提速裝備未來發(fā)展方向進行了展望。井下能量的獲取及合理利用是未來提速工具開發(fā)的重要研究方向?；阢@柱振動的提速技術研究成果開拓了深井提速技術新思路，為加快深部油氣資源的勘探與開發(fā)提供了設備支撐，建議進一步加強井下鉆柱振動基礎理論、基于鉆柱振動的提速技術裝備、利用振動提速方法等方面的研究工作，以便將鉆柱振動能量應用到鉆井工程其他領域之中。

鉆柱振動；鉆井提速技術；研究現狀；技術展望

隨著深部地層油氣資源開發(fā)力度的增大，新老探區(qū)內深井、超深井的數量越來越多，鉆井深度越來越深，鉆進速度慢已成為深井鉆井面臨的主要難題。利用井下裝置提高鉆井速度是當今提速的最主要手段[1-4]，研發(fā)的提速工具主要包括井下動力鉆具、旋轉沖擊鉆井工具、井下脈沖空化射流發(fā)生裝置、井下扭力沖擊鉆井工具等。無論何種工具，均需要能量方可發(fā)揮其功效，若能量來源得不到保障，則提速工具很難正常工作。分析發(fā)現，雖然現場常用工具提速的機理各異，但它們大多存在共同特點，即工具發(fā)揮作用的能量源均來源于鉆井循環(huán)介質。鉆井實踐表明，隨著井深的增加，鉆井循環(huán)介質壓耗增大，在極深井中甚至出現循環(huán)介質僅能滿足循環(huán)攜巖的現象[5-13]，極可能出現無法工作甚至影響鉆井作業(yè)正常進行的情況，因此尋找新的井下能量并開發(fā)新型提速技術及裝備成為提高深井鉆井速度急于突破的技術難題之一。筆者在分析井下可獲能量特征的基礎上，詳細闡述了基于鉆柱振動的井下提速技術研究現狀，并對未來提速技術進行了展望，以期為深井、超深井鉆井提速裝備的研制及技術發(fā)展提供參考。

1 井下可獲能量特征分析

鉆桿是井下鉆頭破巖能量的主要來源，但要想提高鉆進速度，必須在鉆桿傳輸的壓力及扭矩基礎上找到其他能源。根據鉆井過程中井下工況分析可知，井底可獲取的能量包括兩大類：①通過媒介傳輸到井下的能量；②井下原有能量。將能量傳輸到井下的媒介有3種：①鉆桿、電纜或鉆桿內埋的電纜；②鉆井循環(huán)介質(鉆井液、氣體等)；③井下便攜式能量源(電池組等)。井下原有能量主要有2種：①鉆柱在鉆進中產生的振動；②井下的地熱能。各種能量應用過程中表現出如下特征。

1) 電纜或鉆桿內埋電纜傳輸能量。電纜是井上能量傳輸到井下的最有效途徑之一，目前應用該方式的井下工具主要有井下電動鉆具、井下電動沖擊回轉鉆具、激光鉆井工具等?，F場應用過程中利用井下電纜傳輸能量表現出以下優(yōu)點：①能量傳輸過程不受井深、鉆井液排量及特性的影響；②利用控制上部能量源的方式直接控制井下工具的工作狀態(tài)；③能夠提供較大的能量，提供的能量穩(wěn)定并且對工作時間沒有限制。但其不足之處在于電纜的存在使得鉆井狀態(tài)變得復雜，增加了失效概率，成本相對較高，而且一旦出現問題檢修十分困難。

2) 井下便攜式能量源(電池)。利用井下便攜式能量源的井下工具有旋轉導向鉆井系統(tǒng)及新型井下電動沖擊回轉鉆具等。該種能量大多作為控制鉆井液流道過流面積引發(fā)鉆井液能量分布變化來促使井下工具運作，而難以作為驅動井下工具的直接能量。該種能量源具有簡單便捷、提供電能相對穩(wěn)定的優(yōu)點，但也存在一些不理想的地方,主要表現在以下幾個方面:①提供的能量較小，難以適應大功率井下工具的需要；②工作時間上有限制，不能夠長時間的工作于井下；③受工作環(huán)境的影響較大，鉆遇高溫地層時很難正常工作。

3) 利用鉆井液(氣體)傳輸能量。該種方式目前應用最為廣泛，基于該原理研發(fā)的工具更是繁多，主要包括井下螺桿鉆具、渦輪鉆具、液力旋轉沖擊鉆具、扭力沖擊鉆具等，其存在問題主要表現在隨著井深增加，壓耗增大，可用能量大幅降低。圖1為不同排量下鉆井循環(huán)壓耗(包括地面管匯、鉆柱內外)隨井深的變化曲線，鉆井液密度1.24 g/cm3,鉆井液黏度26 mPa·s，鉆桿外徑114.3 mm、內徑108.61 mm。從圖1可以看出，循環(huán)壓耗隨著井深增加呈線性增大，因此深井鉆井靠鉆井液的能量來提高鉆井速度是受局限的，在設計井下工具時需要充分考慮井深、鉆井設備和鉆井液性能等因素。

圖1 井深對鉆井循環(huán)壓耗的影響Fig .1 Effect of well depth on pressure loss

4) 地熱能。我國科學開發(fā)利用地熱資源源于20世紀70 年代，到目前為止主要形成了以供暖、洗浴等直接利用方式和發(fā)電為主的地熱資源開發(fā)利用格局[14-18]。但在油氣鉆井過程中井下直接利用地熱能的應用實例現在還未出現。實踐得出，地層溫度隨著深度增加而增加，大約深度每增加33 m，地溫增加1 ℃，按此計算，7 000 m的超深井井下溫度超過210 ℃，若能夠將該能量轉化為機械能，必將可以達到提高鉆速的目的，且該能量可以隨著井深的增加而增大，也可以克服深部地層提速能量不足的問題，但到目前為止未出現將地熱能用于鉆井的裝置及設備。

5) 鉆柱振動能量。油氣鉆井過程中，鉆頭破巖過程及鉆柱與井壁的無規(guī)律碰撞摩擦使井下鉆柱產生縱向扭轉和橫向的各種形式振動，該振動在鉆進硬地層或軟硬夾層時更為劇烈。已有觀點認為鉆柱振動會為鉆井作業(yè)帶來極大危害，主要表現在：①不能給鉆頭均勻地施加鉆壓和扭矩，致使鉆頭壽命縮短和鉆速較低；②促使鉆柱發(fā)生疲勞破壞事故，該事故在鉆具連接部位發(fā)生幾率尤為突出；③引發(fā)地面設備振動，破壞地面設備或者為設備操作者帶來危險。實驗研究及現場測試結果表明，鉆井過程中井底鉆壓存在波動頻率較高且幅度較大的波動，并且其波動幅度隨著井深的增加而增加，雖然鉆柱的振動是有害的，但利與害是可以轉化的，若能夠將此能量合理利用，必將為深井硬地層提速提供可靠的能量。

2 基于鉆柱振動的井下提速技術研究現狀

2.1 井下鉆柱減振增壓裝置及優(yōu)點

高頻率大幅度變化的鉆壓直接作用于鉆頭會使得鉆頭的切削齒瞬間承受極大的沖擊力，從而引起切削齒的崩裂，但在鉆柱中間、鉆頭上部安裝彈簧及阻尼結構會使鉆壓經彈簧及阻尼結構后傳遞到鉆頭，則鉆壓的波動會轉化為彈簧的彈性勢能和阻尼功，鉆壓的波動幅度會大幅度衰減，沖擊力的作用時間也會延長。因此，利用柱塞泵結構運轉時內部液體壓力的反作用來充當衰減鉆壓波動的阻尼，可將阻尼功轉化為柱塞泵結構內部液體壓力，從而實現柱塞泵排出液體壓力的提升。

根據上述理念，設計的井下鉆柱減振增壓裝置[19-23]如圖2所示。該裝置主要由鉆柱動力傳遞總成(工具上接頭、花鍵軸、限位螺母、分流傳壓接頭、過濾器、柱塞、入口單向閥)、壓扭總成(密封套、彈簧腔上部密封、花鍵筒、彈簧筒、彈簧下堵頭、彈簧腔下部密封、下部密封套、增壓筒、支撐過流體、下接頭、轉換接頭)、彈性總成(彈簧)、增壓缸體(增壓缸、超高壓密封總成)、超高壓鉆井液流道總成(高壓流道、超高壓鉆井液流道、超高壓鉆井液流道延長管、超高壓軟管及超高壓鉆井液噴嘴)及鉆頭組成，其突出優(yōu)點是：將鉆柱減振與鉆井液增壓相結合，使容易引起鉆柱疲勞破壞的鉆柱振動能轉化為鉆井液的壓能，實現井底增壓，提高破巖效率，變有害為有利；同時，該裝置不需要改變現有鉆井工藝和裝備，不影響正常的循環(huán)和鉆井作業(yè)。

圖2 井下鉆柱減振增壓裝置結構示意圖Fig .2 Downhole drilling string vibration absorption & hydraulic supercharging device

2.2 吸振式井下液壓脈沖發(fā)生裝置結構及優(yōu)點

將鉆柱振動的能量轉化給部分鉆井液，則可以實現超高壓射流輔助破巖提速；如果將鉆柱振動的能量轉移給循環(huán)中的所有鉆井液，則可以實現為循環(huán)鉆井液脈沖增壓的目的。吸振式井下液壓脈沖發(fā)生裝置利用柱塞泵結構內部液體壓力的反作用來充當衰減鉆壓波動的阻尼，將阻尼功轉化為柱塞泵結構內部液體壓力，從而實現柱塞泵排出液體壓力的提升。設計的吸振式井下液壓脈沖發(fā)生裝置[24]如圖3所示。該裝置包括鉆柱聯動體(工具上接頭、芯軸和套裝在芯軸中部外側的限位體)和鉆柱分動體(柱塞缸外筒、鉆頭、套裝在芯軸上部的花鍵外筒和與花鍵外筒連接的工具中心接頭)。吸振式井下液壓脈沖發(fā)生裝置利用鉆柱的縱向振動及鉆壓波動，通過脈沖發(fā)生裝置的鉆柱聯動體與鉆柱分動體產生相對運動，使得其內部的柱塞泵產生相對周期性運動，利用壓縮柱塞缸內鉆井液產生的高壓脈沖射流改善井底受力狀態(tài)及清巖效果，從而提高鉆井速度，實現快速鉆井。該裝置的優(yōu)點是：能夠有效地對井底全部鉆井液進行周期性壓縮增壓，實現鉆柱振動能量的轉移及脈沖射流的發(fā)生，實現井底射流的脈沖射流調制，且脈沖的幅值較高；產生的脈沖射流平均壓力高于不加該裝置的平均壓力，破巖及攜巖能力增強，降低了巖石的破碎難度；該裝置的能量源隨著井深的增加而增加，工具的使用效果更加顯著；該裝置產生的脈沖射流可以應用于任何鉆頭，由于在井底產生流場的大幅度脈動，能夠緩解鉆頭產生泥包，對排量難于增大而導致的鉆速低的情況提速尤為明顯。

圖3 吸振式井下液壓脈沖發(fā)生裝置結構示意圖Fig .3 Vibration absorbing & downhole hydraulic pulse generator

2.3 多效協同提速鉆井裝置結構及優(yōu)點

鉆井實踐表明，地下巖層各異，若要提高鉆進速度，采用同一種提速機理很難適用于多種地層，因此研發(fā)利用新能源且協同多種提速機理聯合作用的井下提速工具具有重要意義。多效協同提速鉆井裝置可以引入環(huán)空流體增大井底鉆井液排量，同時引入鉆井液以外的能量—鉆柱振動的能量實現脈沖射流調制，既可以提高破巖效率，又可以增強井底攜巖效果，從而提高鉆進速度。設計的多效協同提速鉆井裝置[25]如圖4所示。該裝置包括鉆柱振動連動總成(芯軸體、限位環(huán)、活塞總成)和井底靜止承振總成(防沖擊密封端蓋、花鍵腔密封總成、花鍵外筒、注油孔堵頭、排氣孔堵頭、彈簧保護筒、彈簧下封堵接頭、彈簧腔密封總成、環(huán)空流體入口單向閥、環(huán)空流體入口過流壓緊頭、增壓缸套、增壓缸套密封、增壓總成外筒)。鉆井過程中，鉆柱與井壁的碰摩、鉆頭在井底的跳動等會引起鉆柱縱向振動。當鉆柱振動時，鉆柱振動連動總成相對于井底靜止承振總成產生相對運動，該運動速度呈現周期性變化：當向下振動時，相對運動速度由0加速到某一速度后速度降低直至歸0，向下振動結束；當向上振動開始時，相對運動速度由0加速到反方向的某一速度后速度降低直至歸0，再開始向下振動，如此周而復始。鉆柱向下振動時，井底鉆具組合帶動鉆柱振動連動總成相對于井底靜止承振總成向下運動，當相對運動速度超過鉆井液在增壓缸套內截面的過流速度時，環(huán)空流體出口單向閥及鉆具內孔單向閥關閉，大排量流體射流脈動增壓調制腔內液體壓力升高，鉆頭上安裝的普通噴嘴上形成高壓正脈沖環(huán)空流體射流；與此同時，環(huán)空攜有小顆粒巖屑的鉆井液經環(huán)空流體入口過流壓緊頭篩孔的過濾，流過環(huán)空流體入口單向閥、環(huán)空流體入口流道進入到環(huán)空鉆井液儲存腔中，為鉆柱向上振動時環(huán)空流體進入大排量流體射流脈動增壓調制腔提供準備。鉆柱向上振動時，井底鉆具組合帶動鉆柱振動連動總成相對于井底靜止承振總成向上運動，環(huán)空流體出口單向閥及鉆具內孔單向閥開啟，鉆具中空的鉆井液正常流到井底，發(fā)揮其作用；與此同時，環(huán)空流體入口單向閥關閉，環(huán)空流體出口單向閥開啟，攜有小顆粒巖屑的鉆井液經環(huán)空流體出口流道、環(huán)空流體出口單向閥進入到大排量環(huán)空射流脈動增壓調制腔中，等待鉆柱向下振動時再次形成大排量高壓正脈沖流體射流。如此周而復始，該裝置利用產生的大排量高壓正脈沖射流在井底提高破巖效率，增強井底攜巖效果，從而提高鉆進速度。

圖4 多效協同提速鉆井裝置結構示意圖Fig .4 Cooperating device of multiple effects

相對于現有技術，多效協同提速鉆井裝置可以實現增大井底鉆井液排量、引入環(huán)空流體、引入鉆井液以外的能量以及實現脈沖射流調制的目的，既可以提高破巖效率，又可以增強井底攜巖效果；該裝置不需要改變鉆柱的結構，與應用鉆頭類型無關，適用范圍廣，方便推廣應用。

2.4 基于鉆柱振動的提速技術新進展

鉆柱振動為井下工具提供了新的能量來源，采用不同的機械結構轉化該種能量，將會實現不同的提速技術?；诖怂枷?，筆者及所在研究團隊研制出了3種將鉆柱振動能量轉化為鉆井液液壓能的裝置，并且設計出了將鉆柱振動能量轉化為鉆頭軸向沖擊的“機械式井下吸振沖擊鉆井工具”以及將鉆柱振動能量轉化為鉆頭扭轉沖擊的“井下扭力沖擊激勵裝置”等提速裝備，為深井提速領域提供了新思路。隨著鉆柱振動能量利用思路的拓展，將會有更多種、更優(yōu)質的井下提速工具被研制出來，并服務于鉆井現場。

3 技術展望

目前隨著油氣田開發(fā)的深入，所應用的井型較以往有很大的改變，定向井、水平井等特殊工藝井已成為主要井型。另外，井眼長度較以前亦有大幅度延長，隨著井眼的延伸長度增加，單口井鉆遇的地層也會增加，未來的提速技術更應該關注鉆井工程的發(fā)展特征。

結合現在鉆井工程現狀及提速工具分析，筆者認為未來的提速技術應該解決以下幾個問題：

1) 提速工具的提速能量來源問題。當今的提速工具基本是以犧牲鉆井液能量為代價，隨著井深增加，鉆井液能量是在不斷減小，提速效果必然受到影響，因此搜尋井下可用能量并開發(fā)出應用方法是重要方向。

2) 井下能量利用合理化問題。若能合理利用能夠順利到達井底的能量，則可發(fā)揮更突出的作用。例如，螺桿鉆具將鉆井液液壓能轉化為鉆頭轉速，提高了鉆井速度，且未影響鉆井施工；旋沖鉆井工具將鉆井液液壓能轉化為對鉆頭施加的軸向沖擊，提高了鉆井速度。可見，井下能量合理利用可以提高鉆井速度，但如何利用這些能量才能保證鉆井正常進行，而且如何才能將鉆速提高至最佳，這些都是需要研究的課題。

3) 提速方式多元化問題。不同地層巖石的破壞特征、提速方法不同，同一巖層同時利用多種提速方式，如動力鉆具+旋沖、動力鉆具+扭沖、超高壓射流+磨料射流等，其破巖效果亦更佳，但如何將多種提速方式有機融合是當前研究的難點，亦是今后研究的一個重要方向。

4) 提速工具結構簡單化問題。井下空間有限，且條件惡劣，復雜的機械結構極易失效，因此，在保證其功能實現的基礎上，簡化現有提速工具結構或設計結構簡單的新提速工具是工具研發(fā)領域的又一重要方向。

5) 井下工具長度縮短問題。井眼是細長的空間孔洞，但在井下為了實現多種功能，安裝有各種鉆具及井下工具，所應用的提速工具長度愈短，則對其他鉆具組合或者工具設備影響愈小，因此井下工具長度縮短非常有意義。

6) 提速過程全程無風險問題。井下工具使用壽命有限，且經常會面臨意外失效的問題。工具正常使用時，可加速鉆進速度；但在工具失效后，如何使其不影響正常鉆進，這對于控制井下風險的發(fā)生也是非常重要的，這也是未來提速技術的重要研究方向。

7) 提速技術應用通用化問題。一種提速技術要能夠應用于不同工況，不同井型方可大范圍推廣。

8) 提速方法經濟化問題。開發(fā)出的井下提速技術或工具必須有效降低鉆井成本，否則提速的意義將不復存在。

4 結束語

深部油氣開發(fā)進程的推進及地熱等能源的開發(fā)需要對配套技術的發(fā)展提出了更高的要求，鉆井速度低的問題成為目前深部地層各類資源開發(fā)過程中面臨的主要難題之一，應該充分、合理、有效地利用井下可以利用的一切能量來提高破巖鉆進的效率。鉆井過程中可供井下工具利用的能量來源主要有利用井下電纜傳輸井上能量、井下便攜式能量源、鉆井液(氣體)的液壓能量、鉆柱振動能量以及井底地熱能，這5種能量有的已經被大范圍應用，有的則是剛剛起步，其中利用鉆柱振動來提高鉆井速度的技術為井下提速提供了新的思路，需要加快該方向研究步伐，爭取將井下能量利用得更加合理。

[1] 沈忠厚．現代鉆井技術發(fā)展趨勢[J]．石油勘探與開發(fā)，2005,32(1)：89-91.SHEN Zhonghou.Development trend of the modern drilling technology[J].Petroleum Exploration and Development,2005,32(1):89-91.

[2] 胡書勇，張烈輝，寥清碧，等．現代鉆井技術的發(fā)展與油氣勘探開發(fā)的未來[J]．天然氣工業(yè)，2005,25(2)：93-96.HU Shuyong,ZHANG Liehui,LIAO Qingbi,et al.Development of modern drilling technology and future of petroleum exploration and production[J].Natural Gas Industry,2005,25(2):93-96.

[3] 劉春全，徐茂林，湯平漢．井下電動鉆具的現狀及發(fā)展[J]．鉆采工藝，2008,31(5)：115-117,124.LIU Chunquan,XU Maolin,TANG Pinghan.Present situation and development trend of downhole electromotive drill[J].Drilling & Production Technology,2008,31(5):115-117,124.

[4] 盧春華，陸洪智，李鋒飛．新型電動沖擊回轉鉆具的研究[J]．石油鉆探技術，2010,38(1)：77-79.LU Chunhua,LU Hongzhi,LI Fengfei.Study on a new electric percussive-rotary drilling tool[J].Petroleum Drilling Techniques,2010,38(1):77-79.

[5] 劉力，蔣國盛，陸洪智，等．新型電動沖擊鉆具及其性能試驗研究[J]．礦山機械，2010,38(5)：4-7.LIU Li,JIANG Guosheng,LU Hongzhi,et al.Study on the electric percussive drill and its performance test[J].Mining Machinery,2010,38(5):4-7.

[6] 徐依吉，周長李，錢紅彬，等．激光破巖方法研究及在石油鉆井中的應用展望[J]．石油鉆探技術，2010,38(4)：129-134.XU Yiji,ZHOU Changli,QIAN Hongbin,et al.The study of laser rock breaking method and its application in well drilling[J].Petroleum Drilling Techniques,2010,38(4):129-134.

[7] 李明謙，黃繼慶．螺桿鉆具的應用現狀及未來發(fā)展建議[J]．石油機械，2006,34(5)：73-76,84.LI Mingqian,HUANG Jiqing.The application and future development of screw drill[J].China Petroleum Machinery,2006,34(5):73-76,84.

[8] 張東海，熊立新，劉晏華．螺桿鉆具的應用現狀及發(fā)展方向[J]．斷塊油氣田，1999,6(4)：47-50.ZHANG Donghai,XIONG Lixin,LIU Yanhua.The applied status and development trend of dyna-drill[J].Fault-Block Oil and Gas Field,1999,6(4):47-50.

[9] 成海，鄭衛(wèi)建，夏彬，等．國內外渦輪鉆具鉆井技術及其發(fā)展趨勢[J]．石油礦場機械，2008,37(4)：28-31.CHENG Hai,ZHENG Weijian,XIA Bin,et al.The development trend of turbodrilling technology[J].Oil Field Equipment,2008,37(4):28-31.

[10] 馮定．國產渦輪鉆具結構及性能分析[J]．石油機械，2007,35(1)：59-61.FENG Ding.The structure and property analysis of domestic turbo drilling tool[J].China Petroleum Machinery,2007,35(1):59-61.

[11] 李昱，張海濱．液動沖擊旋轉鉆井技術及其發(fā)展趨勢[J]．石油礦場機械，2006,35(3)：107-109.LI Yu,ZHANG Haibin.The impact-rotary drilling technique and its tendency[J].Oil Field Equipment,2006,35(3):107-109.

[12] 菅志軍，張玉霖，王茂森，等．沖擊旋轉鉆進技術新發(fā)展[J]．地質與勘探，2003,39(3)：78-83.JIAN Zhijun,ZHANG Yulin,WANG Maosen,et al.The new development of percussion-rotary drilling technique[J].Geology and Prospecting,2003,39(3):78-83.

[13] 張云連．沖擊旋轉鉆井工具的發(fā)展現狀及應用研究[J]．石油礦場機械，2001,30(5)：12-14.ZHANG Yunlian.The development and application of rotary percussion drilling tool[J].Oil Field Equipment,2001,30(5):12-14.

[14] 熊繼有，付建紅．井下增壓研究新進展[J]．天然氣工業(yè)，2003,23(6)：91-93.XIONG Jiyou,FU Jianhong.New progress of down-hole boosting research[J].Natural Gas Industry,2003,23(6):91-93.

[15] 李洪敏，朱明亮，潘欣，等．井下增壓鉆井技術前景展望[J]．石油鉆采工藝，1998,20(3)：20-24.LI Hongmin,ZHU Mingliang,PAN Xin,et al.Downhole boost pressure drilling technology and road ahead[J].Oil Drilling&Production Technollogy,1998,20(3):20-24.

[16] 徐依吉，周長李，祁萬軍，等．一種新型井下增壓器的設計[J]．機床與液壓，2010,38(8)：61-64.XU Yiji,ZHOU Changli,QI Wanjun,et al.A new design of downhole supercharger[J].Machine Tool & Hydraulics,2010,38(8):61-64.

[17] 趙繼昌.淺層地熱能的特性及其利用意義[J].中國建設信息供熱制冷，2010(3):50.

[18] 王貴玲，藺文靜，韓玉英，等．淺層地熱能研究現狀及亟待開展的工作[J]．工程建設與設計，2007(11)：1-4.WANG Guiling,LIN Wenjing,HAN Yuying,et al.The research status and work that need urgentle to be carry out of shallow layer geothermal energy[J].Construction & Design for Project,2007(11):1-4.

[19] 管志川，張洪寧，劉永旺，等.井下全排量增壓裝置：ZL 2013 2 0133787.X [P].2013-09-04.

[20] 管志川，魏文忠，劉永旺.井下鉆柱減振增壓裝置：ZL 2010 1 0119842.0 [P].2010-07-28.

[21] 管志川，劉永旺，史玉才，等.利用鉆壓波動提高井底鉆井液噴射壓力的方法：ZL 2011 1 0101056.2 [P].2011-09-14.

[22] 管志川，劉永旺.一種用于井下增壓器的超高壓鉆頭流道系統(tǒng)及其構造方法：ZL 2011 1 0171384.X [P].2012-03-21.

[23] 管志川，劉永旺，魏文忠，等.井下增壓提速系統(tǒng)：ZL 2012 1 0207320.5 [P].2012-10-03.

[24] 管志川，劉永旺，張洪寧，等.吸振式井下液壓脈沖發(fā)生裝置及其鉆井方法：ZL 2013 1 0047969.X [P].2013-05-22.

[25] 劉永旺，管志川.一種提高油氣井鉆井速度的裝置：2014 10153115.4 [P].2014-07-02.

(編輯：孫豐成)

Research status and prospect of ROP-enhancing technology based on drill string vibration

LIU Yongwang1GUAN Zhichuan1ZHANG Hongning2MA Guangjun2ZHANG Bo1

(1.CollegeofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao,Shandong266580,China;2.SINOPECResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing100101,China)

The technology to increase ROP has always been a hot topic in research on drilling engineering.It is an primary direction to seek more downhole available energy and develop related methods to utilize this energy to increase rock-cutting efficiency in deep/ultra-deep wells.The characteristics of downhole available energy was analyzed; and a new concept was elaborated, that is, utilizing the axial vibration of drill string to increase jet pressure of drilling fluid.Then the structure and merits of the equipment we developed, including the downhole vibration absorption & hydraulic supercharging device, the vibration-absorbing hydraulic pulse generator, and the synergetic device, were outlined.And an outlook of ROP-enhancing equipment in deep wells was presented.The acquirement and reasonable utilization of downhole energy are primary direction in the development of ROP-enhancing equipment.The ROP-enhancing technology based on drill string vibration pioneered a novel approach to increase ROP in deep wells, which would provide equipment support to exploration for and production of deep oil and gas resources.The drill string vibration theory, equipment based on vibration, and related methods of increasing ROP should be further studied in order to apply the vibration energy in other aspects of drilling engineering.

drill string vibration; ROP-enhancing technology; research status; technology outlook

*國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)“深井復雜地層鉆井設計平臺與風險控制機制(編號：2010CB226706)”、“十二五”國家科技重大專項“西部山前復雜地層安全快速鉆井技術(編號：2011ZX05021-001)”、中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目“海洋叢式井組井間主動防碰技術基礎理論研究(編號：16CX02025A)”部分研究成果。

劉永旺，男，博士，講師，主要從事鉆井提速提效理論與方法研究、井下工具研發(fā)研究。地址：山東省青島市黃島區(qū)長江西路66號中國石油大學(華東)石油工程學院油氣井工程系(郵編：266580)。E-mail：liuyongwang2003@163.com。

1673-1506(2017)04-0131-07

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.04.017

TE921

A

2016-08-26 改回日期：2016-10-20