旋沖鉆井技術在石油鉆井中的應用

劉 鵬

（克拉瑪依職業技術學院，新疆克拉瑪依 834000）

由于我國工業技術水平持續提高，對于石油的需求程度越來越大，石油鉆井工程有著明顯的進步。為了給石油鉆井提供良好的鉆井效率以及比較高的質量要求，石油鉆井工程施工過程中使用的技術進行著不斷更新換代，基于此，推動旋沖鉆井技術可以普遍使用，進而還可以使石油企業的開采效益得到顯著提升，旋沖鉆井技術的應用以及研究有著非常重要的意義。

1 技術原理簡述

1.1 旋沖鉆井技術原理

任何一項技術的實施，都有著自己的技術原理。加強對技術原理的分析，能更好地在實際工程中加強應用。就旋沖鉆井技術而言，在石油鉆井工程中應用時，其技術原理如下：主要是結合常規的旋轉鉆井技術的前提下，通過在鉆頭頂部位置安裝沖擊器，并采取不同的動力源（目前主要是液動和氣動兩種）將其帶動之后，形成頻率很高的沖擊力，并向沖擊器不斷地施加壓力，并傳遞到前端的鉆頭，這樣在鉆頭快速旋轉的同時達到沖擊鉆井的效果。

1.2 沖擊器的技術原理

沖擊器在整個旋沖鉆井技術施工中作為最為主要的部件，包含了配水、防回水、沖擊和傳遞等部件。沖擊器在運行過程中，首先是鉆井液流或者氣流進入沖擊器之后，再從配水閥通過之后，從沖錘的上端經過，形成分流作用，最后達到沖錘頭水槽中。由于流道被封死，鉆井液的液體回收到堵塞而形成水擊，當液體壓強升高時，其沖錘就會形成快速運動趨勢，在一定高度之后，其原來的通道就會關閉，并從下接頭中流出，借助沖錘的慣性連續運動，在水擊之后，就能確保在配水閥和沖錘的作用下快速下行。液壓和上閥套互相作用之后，將與鉆頭發生碰撞，且這樣的沖擊過程會周而復始進行。

隨著我國經濟建設規模不斷擴大，生產生活水平的不斷提高，對能源資源特別是石油資源的需求量急劇增加，因此對國內石油資源的開采有著極為緊迫的需求。但石油資源分布不均以及石油存儲量過小等問題都制約著我國石油開采技術的進步與能源供應量的提高。為了降低石油開采難度，促進石油開采效率提高，有必要促進我國石油開采技術水平提升。此外，雖然我國石油開采已經發展了較長時間，開采水平與初期相比有了很大提升，但在實際開采過程中仍然存在許多問題，例如鉆頭使用期限過短，承受力較低，增加了鉆井成本，對資源造成了極大浪費；鉆頭沖擊力小，不能實現理想的鉆井效果，影響石油開采質量，降低開采效率。因此有必要發展新的鉆井技術，提高鉆頭承受力與沖擊力，提高開采效率，降低開采成本，為石油開采單位節約人力物力，促進經濟效益提高。

2 旋沖擊鉆井技術特點

通過沖擊器實現鉆頭對巖石的沖壓，并在鉆頭本身旋轉運動的帶動下使巖石破碎，在巖石硬度較高，難以破碎的情況下，通常使用體積破碎法，而不是傳統的研磨破碎法，這種方式能夠有效提高沖鉆效率，降低對鉆頭的損耗，節省人力物力。

旋沖鉆井技術利用高頻沖擊破碎的方式，時間短，使得巖石在極短破碎時間內不會產生巖性變化，同時鉆頭穩固性極高，一般不會產生偏斜力矩的情況，可以形成有利的井眼規則，保證鉆井工作質量。

旋沖鉆井技術采用高頻沖擊破碎方式可以減少鉆頭研磨，提高鉆頭的使用壽命。值得注意的是，在鉆井過程中要嚴格控制鉆壓與轉速，實時觀測鉆柱實際受力情況，進而保證鉆井效果。

3 氣動旋沖鉆井技術

3.1 氣動沖擊器分類

根據配氣方式可分為有閥式和無閥式兩大類。有閥式指推動活塞上下運動的壓縮空氣是由配氣機構的閥片控制的。無閥式潛孔錘是利用布置在活塞和缸體側壁上的配氣系統控制活塞往復運動。如圖1所示的Gerald設計的空氣錘結構，其具有獨特的空氣傳輸槽、導向部分、底閥等結構，可以使結構中的空氣通道能夠互相協同運作，交替驅動使空氣錘活塞進行上下運動。

圖1 Gerald設計的空氣錘結構

3.2 氣動沖擊器主要特點

（1）相比液動沖擊器，氣動沖擊器的介質密度更低，其氣柱的靜壓力更小，進而巖石更加容易破碎。

（2）上升返回風速度相對較快，井底清理干凈，巖屑不會出現反復破碎的現象。相對鉆井成效更加顯著，鉆井速度是液動沖擊器的2～5倍

（3）氣動沖擊器既能使用空氣這種壓縮介質，同時也可以使用氣液混合壓縮介質組合應用。

4 液動旋沖鉆井技術

4.1 液動沖擊器分類

液動沖擊器依照驅動介質可以分為水力以及高壓油兩種。石油鉆井主要以水力為驅動介質，其中又分別有閥式正作用、閥式雙作用、閥式反作用還有射流式等。圖2為射流式結構圖，圖3為閥式液動旋沖器結構圖。

圖2 射流式沖擊器結構

圖3 閥式液動沖擊器結構

4.2 液動沖擊器主要特點

（1）和氣動沖擊比較而言，液動沖擊提高了能量利用率，其動力設備比較小，燃料耗損較低。

（2）設備使用人力較少。

（3）驅動介質以鉆井液為主，其攜巖能力相對較強。

（4）鑒于現階段石油鉆井普遍應用液動旋沖鉆井技術，其石油鉆探范疇適應性比較強。

5 旋沖鉆井技術在石油鉆井中的應用對策

5.1 常見類型

5.1.1 氣動

氣動旋沖鉆井技術的應用，主要是其沖擊器將氣動作為其動力源。按照其閥門類型來分類，抗壓將其分成有閥類和無閥類兩種沖擊器。二者的區別就是上下運動中形成的壓縮空氣是否通過配氣設備的閥片來控制。在利用氣動沖擊器進行旋轉沖擊式，由于介質的密度較低，所以能更好地便于對巖石的破碎。加上在鉆井過程中不會形成重復性破碎，因而其具有較高的鉆井效率。

5.1.2 液動

液動旋沖鉆井技術的應用，主要是其沖擊器將液動作為其動力源。在當前的深孔硬地層中鉆井施工中的應用最為廣泛。常見的有水力和高壓油兩種，其在鉆井中主要是利用水作為驅動后介質，所以在燃料方面的消耗較低，加上其具有較高的利用率和較強的攜帶巖石的能力，設備投入也很少，因而在石油鉆井施工中得到了廣泛應用。常見的主要有吸射類、射流類以及閥式液力沖擊器。尤其是閥式液力沖擊器，在實際應用中，其所需的運動部件很少，一般井的深度和周圍的壓力不會對其的運行帶來影響，并結合實際要求對鉆井技術和井深等進行確定，并達到全面積破碎巖體的目的。

沖擊器的直徑由小直徑進步到大直徑的創新，進而形成系列化的產品，完成工藝的多方向發展。石油鉆井范疇內，旋沖鉆井可以有效地的完成油井內部堅硬的巖石破碎。需要使用壽命長的沖擊器，普遍規定超過3 000m的井段，還應加強沖擊器應用方式的研究，提升可靠性能，使沖擊器的壽命得到延長，以完成石油鉆探的深部開采成效。對旋沖鉆井進行相應研究，使用更加合理的、具備更高科技含量的旋沖鉆井鉆頭，來進一步提升工作效率。必須擴大沖擊器的使用范圍，由直井進而向定向井開展，進而擴展沖擊器的使用范圍，與此同時也要應用計算機技術計算沖擊器各個參數，了解沖擊器的工作規律，進而根據精準的數據以及信息進行調節，進一步確保沖擊器高效率施工以及應用。

5.2 應用思路

在石油鉆井施工中加強旋轉沖擊鉆井技術，目前主要是以液動旋轉沖擊鉆井技術為主，因為氣動沖擊鉆井技術在氣源供給上存在一定的難度，所以大都是采用液動技術。但是不管是采取哪種旋沖技術，都要切實注重沖擊器的性能提升和優化，力求能夠研發出不同直徑范圍內的設備，基于使用需求設計不同種類的產品，且要朝著多工藝的方向發展，才能更好地促進硬巖鉆井問題的處理。在整個石油鉆井領域中，目前應加大對其的科研投入力度，加強大單次沖擊功的發展和研究，注重沖擊器可靠性的提升和使用壽命的延長。而在此基礎上，還要對其應用范圍進行不斷的拓展，從直井逐步發展到定向井、大位移井等方面，并在沖擊結構與參數上不斷地優化和完善，才能更好地符合深部勘探工作的開展。

DGSC 型液動射流沖擊器中的控制機構主要由雙穩射流元件組成，借助雙穩射流元件的附壁性與切換性，使得可控流體可以有序進入沖擊器，促發活塞作有規律的沖錘往復動作。

DGSC 型液動射流沖擊器內部組建結構較為簡單，在實際應用中運動部件相對較少，只有活塞沖錘進行運動，這種結構減少了沖擊器在實際使用中的磨損情況，并不受鉆井深度與圍壓的影響，進而較為適用于深井鉆井工作。在實際使用中，旋沖鉆井技術可以結合地層、井深、鉆井技術等實際情況，調整沖擊器性能參數，以提高沖擊器的穩定性單次沖擊功率，選擇金屬密封鉆頭，并配合硬質合金鉆頭，以提高大體積碎石效率。

6 結束語

為了能夠使鉆井技術以及其施工質量得到進一步提高，基于此，就旋沖沖擊器部件及其結構特征原理進行分析，并且結合實際的旋轉沖擊鉆井技術的工作原理以及其技術特點進而對我國的旋轉沖擊鉆技術在石油鉆探領域的普遍應用進行講解與探討。并且還分別對液動旋轉鉆井技術與氣動鉆井技術等的主要內容加以分析。而后對旋轉沖擊鉆井技術其石油領域的應用效率以及成果加以分析與探討，并且給出了石油鉆井領域旋轉沖擊鉆井技術的發展方向以及應用前景。希望能夠在提高我國石油鉆井技術過程中應用旋轉沖擊鉆井技術的水準給以有效的借鑒，擴大旋轉沖擊鉆井技術的應用領域。