临盘油田40块区域内定向井油层埋深分布在3 000.00~3 580.00 m，地层岩性为泥岩和砂岩互层，定向井稳斜段较长，滑动钻进时托压严重，托压井段井斜角一般为15°~90°，狗腿严重度为(1°~20°)/30m，导致后期井眼轨迹控制难度大，常规钻具组合需要更换2~3次才能达到轨迹控制目的，使用螺杆钻具组合地层自然增斜率(4°~5°)/100m，导致滑动钻进调整轨迹耗时长，还不一定能达到预期效果。其原因在于重力效应问题造成井下钻柱受到很大摩阻(轴向摩擦力和摩擦扭矩)^{[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]}，导致钻压无法有效传到钻头，送钻困难；工具面不稳定，导致进行滑动钻进后却不见滑动钻进效果，延长了钻井周期，增加了钻井成本。防托压冲击器的性能参数可调，不会对钻头或其他钻具产生破坏；同时，采用防托压冲击器进行降摩减阻，可以大幅度减少润滑剂的使用量，有利于环保。为些，在对冲击器的结构进行改进、优化其性能参数的基础上，在盘 40-斜501井钻井过程中，试验应用了防托压冲击器，并获得良好的防托压效果。

防托压冲击器由控制机构、动力机构和能量传递机构等3部分组成。在直井提速用冲击器的基础上，改进了动力机构，以适用于水平井、定向井提速需求，具体结构见图1。

图 1 防托压冲击器结构示意 Fig. 1 Structure of the reducing WOB stack impactor

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防托压冲击器的工作原理^{[10, 11]}：防托压冲击器位于钻具组合的中和点下部和钻头之间 ，当钻井液循环、钻头接触井底或中和点以下钻柱遇阻时，防托压冲击器开始工作，钻井液经过换向机构，流体产生有规律的换向，交替作用到活塞的上、下端面，推动活塞带动冲锤产生高频往复运动，冲锤高频冲击作用到砧子上，冲击能量由传递机构传递到钻柱，钻柱在高频振动下，将与井壁产生的静摩擦转换为动摩擦，起到防摩减阻作用，有利于滑动钻进、提高机械钻速及摆放工作面。

防托压冲击器的特点：1)性能参数可调，不会对钻头或其他钻具产生破坏；2)振动频率不会干扰MWD/LWD信号的传递；3)没有阀及弹簧等易损件，工作可靠，使用寿命与螺杆寿命匹配；4)设计了防空打机构，防托压冲击器在下部钻柱遇阻或钻头接触井底时开始工作，否则防托压冲击器不工作，避免了防托压冲击器做无用功；5)适用于不同井型(直井、水平井及定向井)钻井提速及防摩减阻。

模拟测试了防托压冲击器在水平井工作状态下的工作稳定性及连续工作寿命，以期为防托压冲击器用于水平井、定向井钻井提速及降摩减阻提供试验依据。试验步骤为：将防托压冲击器水平放置在试验台架上，下面垫好枕木并固定；上测试接头与进水管线连接，下测试接头与回水管线连接；固定好进水管线及回水管线，开泵，记录防托压冲击器启动排量及泵压；调整排量，继续进行试验。试验结果见表1。

由表1可知，随着排量增大，防托压冲击器的振动力及振动频率增大。此外，防托压冲击器在不同角度下放置均能稳定工作，可以用于斜井段的钻井提速。防托压冲击器正常工作时间达120 h后，仍然能继续工作。

防托压冲击器缸体内壁保持完好，一侧与活塞配合面处有磨痕；活塞和活塞杆表现出了明显的单面磨损，即水平放置的下侧磨损明显，上侧没有任何磨损痕迹。

拆开后检查测量，活塞和缸体间单边间隙磨损0.04~0.06 mm，活塞杆和缸盖之间的间隙单边磨损0.03~0.05 mm。

分流装置的径向密封保持完好，没有冲蚀情况。轴向密封完好无损。分流装置和射流元件配合紧密，密封完好。缸盖与缸体配合径向密封完好，未见冲蚀。

冲锤锤头和砧子端面相互撞击产生微小变形，冲锤端面直径从55.0 mm增至55.4 mm；砧子端面直径从60.0 mm增至60.5 mm，砧子上无肉眼可见裂纹。

冲锤扶正块出现了明显的单面磨损，扶正块单面磨损量为0.4 mm。

试验结果表明：防托压冲击器在模拟水平井的试验时间达120 h，工作稳定，仍可继续工作；防托压冲击器的轴向、径向密封完好，运动副表现出单面磨损，磨损量在0.06 mm以内，冲锤锤头与砧子端面的变形量在0.5 mm以下，防托压冲击器缸体组件的耐磨损时间在120 h以上，适用于水平井、定向井钻井提速。

盘40-斜501井是临盘油田的一口滚动勘探井，井型为定向井，设计井深为3 683.00 m，主要目的层为沙4下段。该井在钻井施工过程中试验应用了防托压冲击器，降摩减阻提速效果显著。

摩阻是目前各种复杂结构井钻井作业中最突出的问题,尤其是在滑动钻进中托压、黏阻严重。因摩阻产生大扭矩使钻柱发生屈曲，利用防托压冲击器产生轴向振动，将静摩擦转化为动摩擦，可以有效降低钻柱摩阻。应用摩阻软件分析应用井段的扭矩情况，结果如图2、图3所示。

图 2 设计的钻柱扭矩 Fig. 2 The designed torque friction tension of the drill string

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图 3 实际的钻柱扭矩 Fig. 3 The actual torque friction tension of the drill string

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由图2、图3可知，实钻中扭矩明显降低，表明防托压冲击器具有防摩减阻效果。

在冲击器台架性能测试的基础上，结合临盘油田盘40-斜501井的钻井设计,对防托压冲击器性能参数进行了调整优化，并进行了性能测试。通过测试确定了工具的结构及性能参数，为后续现场试验参数优选提供了依据。

测试结果表明，冲击器的冲击力与冲击频率随排量增大而增大。依据台架试验结果，优选出防托压冲击器现场应用参数，防托压冲击器行程为45 mm，锤重为63 kg，活塞直径为85 mm，分流孔直径为13 mm；其冲击力为60~80 kN，频率为8~10 Hz。

优化钻具组合为：ф215.9 mm PDC钻头+ф172.0 mm 1.5°螺杆+411×4A10回压阀+4A11×4A10无磁定向接头+ф165.1 mm无磁钻铤1根+4A11×410配合接头+ф127.0 mm加重钻杆×1柱+411×431配合接头+ф177.8 mm防托压冲击器×2.6 m+ф127.0 mm加重钻杆×5柱+ф127.0 mm钻杆。

工作过程中，该冲击器的振动频率保持不变，能量逐渐衰减。其冲击力越大，对钻柱的影响长度越大，因此通过调整该冲击器的冲击力，可以调整其影响钻柱的长度。现场应用中，根据井身结构、井眼直径及钻井参数优化该冲击器在钻具组合中的位置。

共3套防托压冲击器在盘40-斜501井进行了3井次的现场试验，总进尺1 080 m。地层为沙河街组沙4段，地层岩性主要为泥岩、砂岩及粉砂岩，应用井段分别为2 598.00~2 979.00，2 984.00~3 343.00和3 343.00~3 683.00 m，第一、二井次工作时间分别为103和101 h，第三井次工作时间85 h，完钻起钻。在整个试验过程中，定向顺畅。在滑动钻进中，机械钻速较邻井相近井段平均机械钻速提高50%以上；在复合钻进中，机械钻速较邻井相近井段的平均机械钻速提高30%以上，具体对比情况见表2。

现场试验结果表明，应用防托压冲击器并采用同一种钻具组合可以进行深部井段钻进直至完钻，节省了用于更换钻具组合的起下钻时间。

1) 防托压冲击器应用于定向井斜井段钻进时，滑动钻进顺利，钻压和立压平稳，防托压效果明显，工具面摆放更容易、更精准。与同类工具相比，防托压冲击器性能参数可调，适用范围更广。

2) 防托压冲击器在水平井段的应用效果和使用寿命还有待于进一步验证；防托压冲击器在钻具组合中的位置还有较大的优化空间，有必要深入开展相关理论研究。