液動沖擊旋轉鉆井技術在石油鉆井中的應用

王 東

（中原石油工程有限公司鉆井三公司，河南 濮陽 457001）

0 引言

在開發油田進行鉆探工作時受到地質影響極易出現地層較硬的問題，傳統鉆井技術大部分都是利用牙輪狀鉆頭將其與PDC鉆頭相互配合，來進行油田旋轉鉆井工作。這種鉆井技術在碰到較硬的地層時，需要的鉆井時間較長、成本較高，對鉆頭使用年限會產生影響。而液動沖擊旋轉的油田鉆井技術可讓硬質層難以鉆井的問題得到有效解決，遇到較硬的巖層時，這一技術可利用自身沖擊優勢提高油田鉆井成效，降低和維護油田鉆井以及石油企業投入成本。因此，需要在建設和開發油田過程中，對這一鉆井技術進行推廣，有效提高硬質巖層鉆井效果。

1 液動沖擊旋轉鉆井中沖擊器工作原理和種類

1.1 沖擊器工作機理

沖擊旋轉油田鉆井技術使用的機器主要就是沖擊器，在普通油田鉆井工程中對沖擊器功能、壓力進行額外增加，并增設在油田井底上端或者油田巖心管上端，利用油田井底內部高壓氣體以及鉆井液在推動時所產生的運動，來讓沖擊器撞擊鉆頭，，利用兩者撞擊時產生的沖擊力和靜壓實現鉆井目的，由圖1可發現，短期內的沖擊力會出現較大幅度的變動，沖擊力可能在幾微秒內由原有的零上升至到幾十千牛。且經過實踐表明沖擊器實際外載作用速度對巖石具有的力學性質有著較大影響。

圖1 沖擊力變化情況圖

1.2 YSC-178型液動射流沖擊器

YSC-178液動沖擊器由控制、動力系統以及功率傳達系統等組成，運動零件主要有沖錘與活塞，在運行時活塞和沖錘會在下垂過程中產生功能，提高單次沖擊力，因為其屬于多通道運行，沖擊器并不會出現憋泵問題以及閥門關閉或者打開問題，產生的能量較多，壓力相對較高，不會受到圍壓、鉆井液這類因素影響。實際運行中，會由鉆井泵輸出鉆井液，之后鉆井液經過設備中射流的噴嘴從而產生附壁效果，如果附壁在右側，則會經過右輸出道輸出，并進入沖擊器上腔內，幫助活塞、沖錘沖擊砧子。在右輸出道輸出鉆井液時，會為放空孔提供信號，在活塞最末端讓射流切換到左側附壁中，之后利用左側輸出道輸出鉆井液，反饋信號會迅速回到左側輸出道中，將主射流有效切換到沖擊器右側，以此來進行重復往返，從而實現快速沖擊旋轉鉆井目的。

圖2 YSC-178液動射流鉆井設備結構

該試驗工程中YSC-178液動沖擊器基本參數設置如下：外徑180 mm，適用鉆井徑為215.9mm~241.3mm，工作壓降為1mPa~3mPa，沖擊功在100J~400J，鉆井液排放量為20L/s~35L/s，鉆頭為HJT637GL。

2 液動沖擊旋轉石油鉆井技術

2.1 實際應用

該試驗所采用的油井屬于一口預探井，井內含有大量CO，壓力較高，鉆井深度在3800 m左右，油井內不可控指標較多，鉆井中極易出現與預計有差異的情況，土層主要以細砂巖居多，地層并不穩定，軟硬交錯，地層實際抗壓強度為158 mPa左右，井壁存在坍塌程度較高、穩定性差特征，可鉆性不高。選擇的液動旋轉射流沖擊器類型為YSC-178，鉆桿直徑則為127 mm，破碎砂巖時使用的攻擊功為125J~400J。鉆井井段在3548.72m左右時，鉆井參數如下：鉆壓180kN ，排量為27 L/s，進尺10.4 m，鉆井時間12.8 h。鉆井井段在3576m~3582m時，鉆壓180 kN，排量則為29 L/s，YSC-178 液動射流鉆井數據統計見表1。

表1 YSC-178 液動射流鉆井數據統計

在使用YSC-178型射流沖擊器進行鉆井時，由表中數據可發現鉆速在持續上升，處于正常液動沖擊器使用范圍內，排量參數變化情況也處于正常范圍內。井深大于3598m，鉆壓呈現明顯下降趨勢，不過鉆壓雖然減少，但是對沖擊器井斜以及鉆柱彎曲程度帶來一定作用力，但是實際影響并不高，這也因為在實際試驗中，使用的220mm的射流沖擊器，鉆具有較為優異柔性。

2.2 應用優勢

因為機械設備中有一個沖擊力較大的沖擊器，沖擊設備在工作時通過充氣可充分擊碎硬質巖石，針對井底中不規則、不均勻的巖石，設備能夠利用向下作用力，在巖石受到作用力而出現松動之后對其進行壓制，避免出現破壞，并進一步增加力度，從而達到擊碎硬質巖石的目的。由試驗數據可發現，YSC-178鉆井效果較為優異，能夠一直保持在穩定狀態下，這是因為在擊碎巖石之后，旋轉鉆井設備會逐漸將自身作用力縮小，并在這一狀態中發揮出兩側剪切體作用，修正、改善設備機械鉆頭周圍已經被擊碎的各種巖石，排除和丟棄一些無用處巖石，以此來保證巖石和鉆井質量。把開采之后的巖石規范存儲，可構建一個巖石破碎坑。運用液動沖擊旋轉技術，在鉆頭中凝聚沖擊機械設備全部作用力，作用到擊碎巖石坑中可形成一股較大的沖擊力度，徹底擊碎坑洞中巖石，降低開采難度，提高石油鉆井工作成效。

液動沖擊旋轉技術的優勢主要為沖擊力較強，可將不同大小巖石擊碎，維護鉆井作業以及后續石油開采作業。傳統旋轉鉆進技術在針對油田進行鉆進作業時，作用力發揮效果差，只能將一些硬度低、較小巖石擊碎，對規模大、不規則巖石塊其難以發揮作用，這一狀況會造成石油鉆井與開采工作力度降低，不能為石油企業提供充足的生產價值、資源。而液動沖擊旋轉技術和沖擊設備內部含有專業沖擊器，這一沖擊器可為鉆進和擊碎巖石提供沖擊力，在鉆井中如果遇到堅硬不均勻巖石層，其可利用較大的沖擊力把壓力傳送給巖石，當巖石坍塌時，傳統石油鉆井設備極易出現損壞情況，而液動沖擊旋轉設備在設計初期，就擁有良好負載能力，可承受一定程度巖石沖擊與破壞，降低巖石影響。

在壓力計算方面，這一技術與傳統技術有所不同，其在觸碰巖石之前會有效提高實際沖擊效果，讓沖擊設備運行中重力損失情況得到彌補，同時也使實際巖石沖擊效果降低，讓沖擊力度可以一直保持在科學、合理范圍之內，避免巖石因為承受過大壓力而出現坍塌情況。此時，沖擊旋轉設備實際重力、壓力全部集中到沖擊鉆頭中心位置，一旦和巖石發生觸碰，即可在其承受范圍內將其擊碎，使石油鉆井的過程更加順利。所以，在鉆井運用中，液動沖擊旋轉技術無論是在效率，還是在質量等各個方面大部分優于其他鉆井技術，有較強適應性和荷載能力，不會受到礦井周圍環境限制，更能保證石油作業效果，適用于不同環境石油鉆井作業。

石油勘查、鉆井和開采本就屬于難度較高工程作業，會遇到眾多問題，鉆井作業難度以及復雜度較高。旋轉沖擊技術其憑借著優勢與強大動力在鉆井中得到高效運用。在運行中YSC-178旋轉鉆井設備的鉆頭中有強大動力，而且隨著鉆井時間增加，鉆頭動力也會逐漸加大，直到當前位置巖石徹底破碎，一般不會造成較大破壞，安全性和穩定性比其他種類技術更強。

2.3 YSC-178旋轉鉆井器實際應用中注意事項

可根據油田中巖石硬度和特征來決定，針對不同巖石沖擊器參數有一定區別。一般情況下，在油田鉆井時，沖擊器參數需要設計需要超過200 J，最高則在300 J，不能超過這一數據，以此來實現最佳、最合理液動沖擊效果，如果遇到油田地質巖層較硬，復雜程度較高，則可適當提升沖擊器參數，但是仍舊要保證參數不超過600 J，否則就會對沖擊器鉆頭沖擊壽命造成影響。由于部分設備在設計和制作鉆頭時可能會出現一定缺陷問題。因此，要盡量避免沖擊設備運行負荷超出實際能夠承擔負荷，始終讓沖擊參數保持在一定范圍中，只有這樣才可提高液動旋轉沖擊作業效益。

液動旋轉沖擊器沖擊頻率一般設定為20 Hz左右，該沖擊頻率能夠最大化提升液動旋轉沖擊器的沖擊能力，進一步提升沖擊器沖擊效率。且在適當頻率中鉆頭以及內部液體壓力作用力也會更加有序。

沖擊器設備運行與鉆壓參數設定有一定關聯。利用專業參數可提高鉆壓效率，對旋轉沖擊器在使用時受損程度管控也有一定影響。油田鉆壓參數通?？煽刂茷槠胀ㄣ@井的2/3，在維護的鉆壓機器基礎上合理完成鉆壓工作。

3 石油鉆井中YSC-178液動射流沖擊技術運用

3.1 YSC-178液動沖擊旋轉鉆井在致密堅硬的巖層中鉆進研究

在針對致密堅硬巖石進行鉆井時，對YSC-178鉆頭損害相對較大，為提高鉆井器在堅硬巖石中實際鉆井成效，在研究YSC-178過程中，筆者改變了沖擊器鉆頭的結構，合理搭配金剛石，在鉆井中取得較為顯著的成果，但是還存在局限性，金剛石鉆頭使用成本高、壽命較低。要想破碎巖石，需要沖擊力達到34 kN~58 kN，對鉆頭承載力要求較高，不利于提升鉆井效果。為保證鉆頭實際效果，對其進行研究發現，在實際使用YSC-178射流沖擊鉆井設備時，可將單次沖擊功力設置在5J~19J，鉆頭直徑為56mm，結合這一優勢，將其利用到石英納巖石中后，原有金剛鉆鉆井平均時效保持在1.13 m/h，而沖擊回鉆井器平均時效則高達2.26 m/h，在一些非常堅硬地層中其速度達到1.98m/h，而普通回旋鉆速只有0.25 m/h左右。這也因為沖擊器在工作中除了正常的進行沖擊之外，會針對巖石進行研磨，并利用YSC-178型射流沖擊器產生沖擊波破碎巖石。

3.2 液動回旋鉆井器在水平鉆孔中的鉆進分析

水平鉆孔時，大部分單位都會把鉆柱水平放置，不過這種方式會在一定程度上造成鉆柱旋轉阻力上升，鉆柱長期處于承壓的狀態，對鉆柱實際使用能力與穩定性會帶來影響。結合YSC-178型液動沖擊器中具備的穩定性優勢，液流工作時不會受到其他壓力影響，保持YSC-178沖擊器的沖擊錘運動方向是垂直的，適當調整沖擊力，合理提高加速時間，節約回程時間，保證水平錘擊效果。

3.3 發展展望

沖擊器等系列產品和類型逐漸增多且隨著使用成熟度的提高，液動旋轉沖擊技術也在朝向多元化、多樣性工藝方向發展，石油鉆井過程中沖擊器根據其直徑、性能和工作原理來解決鉆井中遇到各類問題。此外，在石油鉆井領域，旋轉沖擊器在3000m 這一方向上的研究逐漸深入，大單次沖擊技術處于普及階段，沖擊器在油田礦井中應用范圍逐漸增高，對沖擊器有關的各類仿真技術研究越來越深入創新程度逐漸升高，沖擊器結構與參數得到較大程度改進，可滿足石油深部勘查和開采需求。YSC-178類射流沖擊器還要改進4個方面的內容。1）全面分析沖擊器破巖原理，為設計與創新沖擊器提供數據支持，為未來沖擊器的設計奠定基礎。2）在沖擊器設計中，構建物理沖擊器試驗模型，利用試驗進行理論分析，以此來改善沖擊器沖擊參數設定和功率，提高沖擊效果。3）通過深入探究液動沖擊器原理，制定出與石油施工標準相符合的沖擊器施工工藝。4）加大沖擊器性能和材料研究力度，努力延長沖擊器使用壽命，加快鉆速。

4 結語

綜上所述，石油這一資源對我國發展和改善人們生活質量有極大價值，但是石油屬于不可再生、非常有限的資源，大部分石油資源所處的地質巖層都較硬，很難落實石油開采項目，所以我國石油開采見效慢，開采率低。在開采和鉆井過程中，地質層經常會出現不規則、軟硬交替的情況，對鉆井與開采進程都有一定影響，需要推廣和運用液動旋轉沖擊技術來進行石油鉆井作業，利用水力或者高壓油來形成沖擊力沖擊巖層，讓巖層可以順利破損。目前，旋轉沖擊技術已經基本上可以滿足鉆井需求，隨著經濟發展和時間推移，石油鉆井工程對鉆井成效要求也會提高，為保證液動沖擊技術能夠持續發展，需要進行深入研究、改進和創新。