石油鉆井中旋沖鉆井技術的應用探討

郭子楓，孟子豪，任博歡，孫豪

1.中國石油集團渤海鉆探第四鉆井公司，河北滄州，062450；2.中國石油集團渤海鉆探第二固井分公司，天津，300280；3.中國石油集團渤海鉆探井下作業公司射孔作業部，河北滄州，062550

0 引言

旋沖鉆井在當下油氣開發領域具有非常廣泛的應用，這種鉆井方法與傳統的鉆井設備相結合，通過對金剛石鉆頭周期性施加作用力，從而提高鉆進速度和鉆井效率[1]。本文建立在前期旋沖鉆井研究的基礎上，依托前期旋沖鉆井的研究成果，綜述旋沖鉆井的技術發展現狀及其未來的發展狀態。進而，介紹旋沖鉆井的基本原理與旋沖鉆井鉆具破巖的相關影響因素，最后對旋沖鉆井的實際應用進行舉例分析[2]。本文以川西鉆井現場為實例，分析其在特殊硬地層下的鉆進效果，指導后續旋沖鉆井的實際應用，進一步推廣旋沖鉆井工藝的實際價值。

1 旋沖鉆井技術發展現狀

旋沖鉆井具有一般鉆井技術不可比擬的優勢，由于它的鉆進效率較高，該技術誕生以來一直受到很多專家和學者的重視，并被很多大型石油公司所使用，主要用于探井、開發井、水平井鉆探等鉆井現場，極大地提高了鉆井隊的鉆井效率，也保證了鉆井的安全性[3]。旋沖鉆井的核心工具是沖擊裝置，在當前國內的旋沖鉆井沖擊工具中，常見的沖擊工具有液動和氣動兩種。此外，也有少量的氣液混合的動力裝置。

（1）液動旋沖鉆井技術。液動旋沖鉆井技術是由俄國工程師發明的，這種技術剛誕生時常有很多缺點，并不能廣泛應用。例如，沖擊裝置單次沖擊功率較低、沖擊裝置沖擊作用較弱、裝置整體沖擊頻率較小，尤其是在硬地層的鉆井現場，該技術更難鉆進，需要不斷地進行技術突破[4]。現今，旋沖鉆井技術已經取得了比較顯著的技術發展，國外有許多公司都已經發展了該項技術，同時獲得了多項國家專利，大部分研究的是閥體沖擊裝置，這種沖擊裝置能夠在一定的液壓作用下，使裝置內的鉆管與周緣介質產生兩個方向的疊加作用力，從而提高懸沖鉆井的作用效果。同時，由于裝置彈簧快速伸縮回彈，提高了旋沖鉆井的頻率。我國的液動旋沖鉆井技術從建國以來不斷發展，目前已經實現基本技術自主化，已經研制出多種不同類型的閥體旋沖鉆井沖擊裝置。

（2）氣動旋沖鉆井技術較液動旋沖鉆井技術有不同的技術特征，其適用的場景也與液動旋沖鉆井技術有較大的差別。整體上，氣動旋沖鉆井技術較液動旋沖鉆井技術的鉆井效率更高。由于氣體介質的密度較小，在鉆井過程中所受的阻力相對液動鉆井技術也較小，所以，氣動旋沖鉆井技術鉆井速度較快[5]。根據氣體介質的不同，我們可以把氣動旋沖鉆井技術分為空氣與氮氣混合鉆井、氮氣霧化鉆井、氣液發泡鉆井等分支，這些鉆井技術分支均可提高鉆井的效率，降低鉆井過程中的介質密度和鉆進阻力，保證鉆進有效性。根據鉆井介質循環順序的不同，我們可以將氣動旋沖鉆井分為正循環與反循環旋沖鉆井，其中正循環是將壓縮氣體從鉆桿的內部管道注入，從鉆桿與套管的環狀管道排出，而反循環是從鉆桿與套管的環狀管道注入壓縮氣體，從鉆桿的內部管道排出。不管是哪種循環方式，均可以提高鉆井效率。氣動旋沖鉆井技術最早起源于19世紀60年代，由意大利石油工程師發明而成，當時的裝置稱之為氣動巖體破碎機。之后，經過了一段時間的發展，工程師對該項技術不斷做出改進，提高了在一定鉆壓條件下的鉆井效率，同時也實現了鉆頭在普通地層全鉆進過程中，其磨損幾率達標。目前，國外的相關公司已經設計出了獨特的旋沖氣動鉆井工具。并且國內大型油田也引進了相關技術，并進行了一定程度的改進，形成了國產自主化的氣動旋沖鉆井工具。

2 旋沖鉆井模型及破巖影響因素

2.1 旋沖鉆井的模型

旋沖鉆井技術是在傳統鉆井技術的基礎上給鉆頭和鉆桿的軸向施加往復式的沖擊作用力，使鉆頭不僅具有旋轉式周緣破碎巖層的能力，也具有軸向往復的高頻破巖能力。這種鉆井方式能夠快速地擊破硬質的巖層，提高破巖效率。根據旋沖鉆井的基本原理，我們可以構建旋沖鉆井的相關模型（圖1）。該模型采用泥質地層為模擬地層，選用PDC鉆頭為模型專用鉆頭。PDC鉆頭直徑為13mm，模型長為35mm，寬為15mm，高為5mm。通過繪制旋沖鉆井線性曲線，我們可以判斷模型在工作中對巖層施加的作用力[6]。通過實驗結果分析，我們發現，在鉆進的過程中，模型周緣巖層受到較強的沖擊作用，會形成典型的破碎坑，由中央到四周破碎裂紋由塑性向脆性擴展，最終大塊巖層破碎脫落。在模型鉆頭切削作用下，鉆頭附近的巖層呈塑性流動形變，大塊巖體未脫落。旋沖鉆井的鉆頭所施加的切削力可達到近900N，而常規鉆井作業的鉆頭切削力僅756N，所以旋沖鉆井技術可以顯著改變鉆具的受力狀態，保護切削鉆頭，并且使鉆頭鉆入地層更加容易，提高鉆進效率，同時也可以保護鉆頭。在鉆具做功方面，常規的鉆具破巖做功較高，達145.2mJ/mm3，在旋沖鉆井作用下，鉆井破巖效率做功為127.4 mJ/mm3和127.8 mJ/mm3，均小于常規鉆井做功的功率，可見旋沖鉆井做功明顯小于常規鉆井做功。在較小的功率下，旋沖鉆井仍然能夠具有較大的破巖沖擊力，提高了破巖效率。通過對比不同旋沖鉆具在泥質巖中的鉆進情況，我們可以發現，不管是任何一種鉆井方式，均未形成明顯的大塊巖體破碎情況，在塑性泥質巖層中兩種鉆頭均使泥質巖發生塑性形變，呈流動性破碎，未對巖層的物理狀態造成太大的影響。

2.2 旋沖鉆井破巖影響因素

旋沖鉆井破巖效率的影響因素較多，主要可以分為鉆具鉆壓、鉆頭鉆速、鉆井泵壓等，下面將從這三個方面進行簡單分析。

（1）在一般鉆井過程中，鉆具的轉壓會影響破碎巖石的破碎程度，旋沖鉆井的轉壓增高，鉆具機械鉆速也會增加，從而更快地破碎巖石，但是轉壓增加必然會導致轉頭磨蝕加速、損耗加快。所以，在旋沖鉆井過程中，工程師需要合理地設置旋沖鉆井轉壓值，避免鉆具在鉆進過程中出現較高的沖擊力和較高的頻率，使金剛石鉆頭過度磨蝕失效，增加鉆頭成本，也影響鉆井工期。隨著鉆井逐漸深入，鉆頭周緣的圍壓也會增加，給旋沖鉆井增加施工難度[7]。

（2）鉆頭鉆速對破巖效率也有較大影響。在旋沖鉆井過程中，鉆井的鉆頭不間斷地旋轉，由于地面和井下工具的限制作用，鉆頭轉速一般保持70-140r/min，旋沖鉆井鉆頭保持高鉆速運行可以提高周緣巖層破裂效率。工程師需要根據模型的模擬情況設置好破巖頻率與鉆頭鉆速之間的關系。經過實驗驗證，試驗結果表明，沖擊頻率為15-20Hz時，鉆速可以取70-140r/min，在這個范圍下可以實現最合理的旋沖效能。

（3）旋沖鉆井的排量也會影響鉆井的效率。排量的大小對旋沖鉆井的沖擊裝置有很大影響，所以這個問題可以轉化為旋沖鉆井沖擊裝置的沖擊頻率與沖擊效果的影響問題。隨著排量不斷增加，沖擊裝置的沖擊頻率也在不斷地提高，二者是成正比的關系，進而旋沖鉆井巖層破碎效率也不斷提高。

3 旋沖鉆井的實例應用分析

當前，旋沖鉆井在川西地區深部地層應用較少，川西地區深部地層巖性致密，且巖層巖性以火成巖、塊狀砂巖、粉砂巖、碳酸鹽巖為主，可鉆性較差。旋沖鉆井轉速慢、鉆進效率低、施工時間長是該地區旋沖鉆井施工的重要障礙之一。在該地區常用的鉆具為鉆頭、沖擊裝置、接頭、回壓閥、鉆鋌、旁通閥、鉆桿、震擊器等裝置組合。由前文介紹的影響因素可知，影響旋沖鉆井的效率主要參數有鉆壓、鉆速和排量。根據川西地區現場實際，我們首先在C-1井進行了現場試驗，首先選用該井兩個不同的排量進行加壓。鉆具入井后，達到井深3008.5m時，鉆具鉆速較慢。經過現場實際分析，我們發現井下目的層存在大量的塊狀巖體，固體顆粒較大，且鉆頭受到部分磨蝕，在鉆頭前端存在比較明顯的沖蝕坑。經過現場綜合評判，工程師認定試驗效果未達到實際預期，在使用過程中，旋沖鉆具鉆頭部分失效，其失效前鉆頭鉆速為1.35m/h，相當于普通牙輪鉆頭鉆井的1.25倍。

經過對上述未達預期的問題進行整改，我們將旋沖鉆井工具再次進行現場應用，下入鉆具至井深4015.26m進行試驗，在試驗的過程中不斷地調整鉆井相關參數，保障相關使用效果。當鉆具鉆至4125.2m時，鉆速出現下降。此時，工程師迅速調整鉆壓，后期一段時間轉壓未見明顯變化。進一步地，鉆具鉆速再次下降，轉壓也隨之下降，此時工程師繼續提高鉆壓，穩定轉速。當旋沖鉆具經過不同的巖性時，例如從中砂巖轉入泥質巖，鉆具鉆速會提高，但是總體來看，經過工程師不斷地及時調整旋沖鉆井相關參數，旋沖鉆井前端的金剛石鉆頭基本未受到嚴重磨蝕。我們發現，旋沖鉆井在川西地區可以得到廣泛應用。在鉆井過程中，我們需要及時調整相關參數，延長鉆頭的使用壽命，也可降低鉆頭使用成本。

4 結語

旋沖鉆井較常規鉆井有不可比擬的優勢，由于它的鉆進效率較高，該技術一直受到很多專家學者的重視。目前，旋沖鉆井主要可以分為液動旋沖鉆井技術和氣動旋沖鉆井技術。未來，旋沖鉆井將滿足更多鉆井現場的實際應用，并且將會與計算機軟件系統相結合，建立旋沖鉆井模型，以符合更多的鉆井場景。旋沖鉆井的影響因素主要有三點，分別是鉆具鉆壓、鉆頭鉆速和鉆井泵壓等。經過現場實例分析，我們發現在川西地區旋沖鉆井也可進行大范圍的應用。在面對巖性復雜的地層時，工程師需要不斷調整轉壓，以穩定轉速，最終達到旋沖鉆井的實際效果，減少鉆具的鉆頭磨損。