最新研究表明，在钻井设计阶段充分考虑钻头与底部钻具组合（BHA）方案，可在保障钻井速度的同时，大幅降低剧烈振动的发生。
 
 
图1 HFTO已被认定是造成井下工具严重损坏、延误工期的主要原因之一，在长水平段钻井中尤为突出。行业此前应对HFTO的工作，大多集中在提升工具耐用性以延长井下服役时间；而近期针对 HFTO成因的研究，已推动企业开发出更具针对性的缓解策略与技术。
 
近年来，高频扭振（HFTO）日益被视为导致井下工具损坏与钻井时效损失的主要诱因。随着钻井速度持续提升，尤其是在非常规油气藏开发中，这一问题影响范围不断扩大。尽管行业已通过强化井下工具结构来抵御剧烈振动、延长井下服役时间，但HFTO仍会造成钻井效率降低、部件寿命缩短，甚至导致传感器数据失真。
 
当前挑战之一，是行业对HFTO的本质与成因仍缺乏充分认知。不过，这一局面近年正逐步改变。以往研究已证实，HFTO振幅敏感性、钻铤转速与钻压（WOB）之间存在关联；而近期通过实验室复现 HFTO的新方法，让行业对其诱因及优化缓解策略有了更深入的理解。
 
例如，斯伦贝谢通过搭建可在实验室环境下模拟钻头产生HFTO的测试装置，在HFTO成因研究方面取得了重要突破。这家位于英国的实验室自2022年投入HFTO试验以来，已实现多种钻井参数的独立控制测试，结果表明：HFTO与钻压、钻铤转速等参数之间呈现复杂的非线性关系。
 
斯伦贝谢井筒构建科学顾问阿什利・约翰逊表示：“这样的实验装置至关重要。转速、钻压、钻头本身都是关键影响参数，再加上地质条件及其他关键耦合作用，不确定性会大幅增加。该装置为钻头设计与钻井参数优化提供了可落地的依据，彻底改变了我们对HFTO的认知。”
 
随着配备电机式旋转导向系统（RSS）的BHA在北美非常规盆地越来越多地用于钻更长水平段，业内专家表示，深入理解各类RSS及BHA部件如何引发高频扭振（HFTO）的有害影响至关重要。借助高频采样的先进RSS传感器进行测量与监测，作业方能够采用最优缓解策略，避免工具过早失效。
 
然而，HFTO缓解是一个多维度问题，必须从项目初期就统筹考虑，才能实现稳定的钻井交付。这一工作始于钻头与底部钻具组合设计、工具检测与维护，以及针对作业场景制定目标钻井参数方案，再通过RSS中的实时识别技术落地执行。在此基础上，还需形成一套最优的综合缓解策略。
 
哈里伯顿北美陆地钻井工程解决方案经理纳维恩・奈尔表示：“要缓解HFTO，关键要从规划阶段抓起。一切都始于钻头设计和BHA设计。钻头必须针对目标地层实现最高效率，同时选用合适的钻井参数。钻头的切削深度参数要能高效破碎岩石，底部钻具组合则应尽量减少各级钻铤之间刚度的剧烈变化，避免形成应力集中点。必须统筹全局，综合考量所有因素。”
 
随着更稳定、可靠且经济高效的新技术方案不断推出，HFTO缓解技术也在持续进步。例如，科学钻井公司（Scientific Drilling）针对RSS研发的一款减振工具，已在现场应用中实现振幅大幅降低，显著提升了底部钻具组合部件的可靠性与使用寿命。目前该工具在非旋转导向系统领域的拓展应用也正在测试中。
 
科学钻井公司运营工程与数字解决方案总监乔希・威尔逊说：“在我们使用随钻测量（MWD）的许多作业场景中，都能发现这类振动现象。”
 
 
图2 自2012年起，斯伦贝谢便在其位于英国剑桥的实验室，利用一台大型常压钻井设备开展钻井动力学研究。2022年，该公司对这台设备进行了重新配置，采用弹簧悬挂钻头的方式复现高频扭振（HFTO），以开展更具针对性的HFTO测试。
 
深挖根本原因
 
此前研究已证实，HFTO振幅对钻铤转速与钻压（WOB）较为敏感，而新一代监测工具可提供连续、质量更高的数据，能以更高分辨率分析振动特征。
 
自2012年起，斯伦贝谢便在英国剑桥的实验室采用一台大型常压钻井装置，开展钻头结构、钻井工具测试及钻井动力学研究。约翰逊博士介绍，在2010年代的各类试验中，HFTO频繁出现，甚至已成为试验中最主要的井下失效现象。
 
2022年，斯伦贝谢对该装置进行改造，启动针对HFTO成因的专项测试，旨在量化其物理诱因。公司研发了一套质量 — 弹簧模拟系统：将钻头作为质量块，通过弹簧悬挂，在实验室环境下复现HFTO。
 
传统HFTO钻头试验通常需要长达40英尺以上的长钻铤，以提供产生HFTO所需的扭转柔度；而采用质量 — 弹簧方案后，仅需使用经过重新设计、具备合适扭转刚度的常规5英尺钻铤，即可生成HFTO。
 
约翰逊博士表示：“若要规模化生成HFTO，就必须配备完整的BHA。我们需要模拟旋转导向工具、柔性接头、MWD系统，还必须实现全液压驱动。但这样一来，试验装置规模会极其庞大，需要大量人员操作，每天只能完成一到两次试验。而这套新系统将试验装置大幅缩短，只需钻进一块3英尺高的岩样即可。通过这种方式，我们可以在同一块岩样上钻4个孔，地质条件完全一致，从而降低试验结果的不确定性。”
 
更短的钻铤也使斯伦贝谢能够在试验中独立控制各项参数。传统大型HFTO试验装置很难改变HFTO的共振频率，而在新试验装置中，可通过在钻柱上端或下端增加质量块来调节频率，参数调整的灵活性显著提升。
 
斯伦贝谢井筒构建钻井领域负责人奥莱・雅各布・耶尔森表示：“我们的目标是在这套系统中激发出HFTO，并且能够灵活测试钻头及切削齿与岩石接触面的各项物理特性，从而厘清其物理机理。我们希望更贴近实际作业场景，以此优化钻井系统。如果在全尺寸试验装置上进行各种假设情景模拟，效率会很低，因为工况太多，且每种应用都是全新挑战。”
 
试验结果表明，HFTO是由钻头引发的现象，本质是切削结构产生的共振耦合。钻头与岩面作用时会产生宽频振动能量，当这些能量在底部钻具组合中被 “困住” 并形成驻波时，就会在特定频率下引发剧烈振动，最终形成HFTO。
 
试验还显示，即便在完全相同的条件下钻进，不同钻头产生的峰值振幅也存在显著差异。约翰逊博士指出，这一发现表明钻头设计是降低HFTO风险的关键因素。
 
“我们注意到，切削齿与岩石之间的弹性相互作用，正是钻头产生共振的根源。” 他解释道，“当切削齿向前移动并开始剪切岩石时，这种相互作用力正是驱动HFTO产生的原因。据此，我们可以分析单颗切削齿的特性。只需改变钻头上少量切削齿，就能彻底改变HFTO特征，这是一项重大突破。我们采用可配置式钻头——可更换刀翼结构、调整钻头本体材料，从源头实现HFTO抑制。”
 
自2024年起，斯伦贝谢将HFTO研究拓展至BHA，旨在研究不同设计对 HFTO的抑制效果。公司在实验装置与钻井动力学仿真模型中，同步测试了各类振动谐波与频率对钻具组合的影响。该项工作并非为了提供单一的BHA减振方案，而是针对特定地层、特定井眼给出最优定制化设计。
 
耶尔森说：“让各项关键性能指标协同发挥作用至关重要，因为在进行井段作业设计时，所有指标都会产生影响。我们正致力于研发新一代钻井系统，希望把所有研究成果应用其中，不仅通过系统优化钻头特性，同时也能观测BHA改动带来的差异。目前我们尚未完全实现目标，但这是我们的核心攻关方向之一。”
 
图3 哈里伯顿在中东地区应用的RSS中，一根柔性短节因HFTO作用发生扭断。在配备电机式旋转导向系统的钻具组合中，HFTO对BHA的破坏尤为严重，因为会增加额外的失效风险点。
 
旋转导向系统对HFTO的影响
 
RSS已成为北美非常规油气市场的核心差异化技术，可助力定向钻井团队以更高稳定性完成更长水平段钻进，同时缩短建井周期。但该技术在带来优势的同时，也增加了BHA部件与钻头损坏的风险。哈里伯顿的奈尔先生指出，HFTO是对这类RSS工具威胁最大的振动失效形式，核心原因是电机式RSS为钻具组合新增了多个薄弱失效点。
 
以往由HFTO引发的失效包括：RSS偏心单元钻铤裂纹、各类电子组件紧固件断裂、涡轮部件磨损及传感器数据异常。
 
奈尔先生表示：“我们观察到钻铤裂纹多发生在接头或钻头本体位置。在特定工况下，尤其是使用同一套BHA完成大狗腿度造斜与水平段钻进时，会产生高应力集中，进而引发开裂。现场经验表明，这类失效正是由高频振动触发的。”
 
每一种失效形式都与BHA特定的扭转振动模态相关。例如，偏心单元钻铤裂纹仅与400Hz左右的高强度HFTO相关；若扭转模态为其他频率（如 200Hz），即便HFTO 幅值很高，钻铤也不会出现损伤，但电子组件仍可能受损。
 
HFTO管控的一大核心难点，在于RSS缺乏稳定的实时监测能力，而这类功能本可帮助企业在不牺牲钻井性能的前提下，制定更具针对性的缓解策略。
 
部分推靠式RSS工具可在井下采集传感器高频角速度数据，用于计算HFTO，并在振幅超过阈值时，将幅值与频率实时脉冲上传至地面。但该方法并非始终有效，例如井下遥测配置不当、RSS厂商与MWD厂商兼容性问题导致严重滞后等。当HFTO在地面被监测到时，司钻往往已几乎没有时间采取有效缓解措施。
 
这意味着，若无法实时检测到HFTO，减振措施往往难以奏效，因为不同振动机理需要对应的专属缓解策略。此外，减振只是解决方案的一部分。奈尔先生表示，即便降低了振动幅度，若钻井系统未经过整体优化，减振措施反而可能导致平均机械钻速（ROP）下降。因此需要更全面的方案，包括选用合适的减振工具、优化BHA设计、RSS设计与钻头设计。
 
底部钻具组合设计是关键环节。例如，在大狗腿度造斜段钻进时，合理的BHA柔性可降低部件所受弯矩，减少电机式RSS接头的应力累积。BHA设计应综合考虑最优刚度，在导向能力、控制精度与HFTO减振之间取得平衡。
 
同样重要的是，钻头设计必须满足目标井段的钻井参数与地层钻进需求。但奈尔先生表示，在地层发生变化、软硬地层交替时，很难实时优化切削深度，这会诱发钻头工况异常。他解释道：“每种钻头与岩石的相互作用，都存在一组最优切削深度组合，必须精准确定。需要明确在当前作业条件与钻头–岩石作用模式下，是哪种振动机理或钻井动力学状态不达标；针对该切削深度，是否存在理想的钻压/转速匹配，以适配当前地层。”
 
钻头的失稳程度取决于钻进岩石时所用的钻井参数，建议通过优化切削深度来降低 HFTO 振幅。因此，哈里伯顿力求在钻头上集成切削深度控制元件，以便在非均质地层井段钻进时减轻钻头工况异常。
 
另一种方法是将载荷分布到更多PDC切削齿上以实现高效钻进，例如采用双刀翼钻头设计，或应用高效点载切削齿、异形切削齿与抛光切削齿等结构，实现高效破岩。
 
奈尔先生表示，RSS的设计优化同样有助于缓解HFTO影响。BHA中任何扭转刚度不连续的部位（如柔性段，虽能提升大狗腿度造斜能力），都会让钻具更容易发生扭转，但也会加剧局部扭转模态振动，可能诱发HFTO并造成工具严重损坏。因此，必须严格把控柔性段的设计与安放位置，避免其成为HFTO的触发源。他指出，应尽可能降低应力集中，并优化各段扭转刚度。
 
图4 科学钻井公司的HFTO减振工具，采用将外壳固定在靠近钻头的RSS旋转部件上的结构。外壳内部装有惯性环，并悬浮在黏性流体中；当外壳发生振动时，能量会通过流体传递给惯性环。这种通过流体实现的能量交换，可有效降低BHA的HFTO振幅。
 
从钻头层面抑制HFTO
 
尽管通过BHA设计可以规避HFTO风险，但这往往需要付出相应代价。科学钻井公司的威尔逊博士指出，以往行业研究表明，在部分场景下，取消电机辅助的纯BHA结构可完全消除HFTO，但这通常会导致钻头转速与动力大幅下降。降低钻压（WOB）虽能缓解HFTO，却会同步降低ROP。
 
“目前实时监测到HFTO后的常规应对方法，是降低钻压与转速，但这种调整空间非常有限，过度调低会严重影响效率，导致钻井速度过慢，给企业带来巨大成本损失。” 他表示，理想方案是在保持高钻速的同时解决问题，需要专门针对这类振动的专用工具。
 
专注于井筒导航技术与定向钻井服务的科学钻井公司于2021年正式推出了其HFTO减振工具。该工具是在研究其RSS在各类工况下的动力学表现后研发而成。
 
该工具作为扭转振动减振器，利用高黏度流体耗散振动能量。威尔逊博士将其形象地称为 “金属圆环”，通过流体与RSS耦合。工具主要由三部分组成：外壳、惯性环和黏性流体。
外壳直接安装在钻头上方，与RSS的旋转部分固定连接。外壳不传递钻井扭矩，仅随BHA一起转动；惯性环则通过黏性流体悬浮在外壳内部。
 
当外壳开始振动时，黏性流体将振动能量传递给惯性环，使惯性环随之振动。通过流体实现的动能与热能转换，可有效降低BHA的HFTO振幅。该减振工具安装在钻头位置，以最大程度吸收HFTO的扭转能量。它内嵌于RSS中，仅增加0.5英寸的总长度，无需额外增加BHA部件或连接接头。
 
该工具专为适配科学钻井公司的RSS系统设计，自推出以来仅进行过小幅优化，主要集中在黏性流体配方方面。通过选用不同流体，工具可调谐至特定频率区间，实现针对性减振。
 
该公司目前还在研发一款不与RSS集成的新型减振工具，可用于未配备旋转导向系统的常规BHA。这款改进型工具预计将于今年晚些时候推出，主要是响应客户需求——特别是那些仅使用该公司MWD系统、未配备RSS，但仍出现HFTO问题的客户。