旋轉沖擊鉆井技術在石油鉆井中的應用

張文敏

【摘 要】論文從沖擊器構件結構及工作原理入手，結合旋轉沖擊鉆井技術原理及特點，對旋轉沖擊鉆井技術在石油鉆井中的應用展開論述，接著分析了其應用效果，提出其在石油鉆井領域的應用前景。希望論文的研究能為提升我國旋轉沖擊鉆井技術在石油鉆井中的應用水平提供參考性建議。

【Abstract】Based on the structure and working principle of impactor， and combining with the principle and characteristics of rotary percussion drilling technology， paper discusses the application of rotary percussion drilling technology in oil drilling ， analyzes its application effect， puts forward its application prospect in oil drilling area， hoping to provide references and suggestions for the application of rotary percussion drilling technology in oil drilling.

【關鍵詞】旋轉沖擊鉆井技術；石油鉆井；應用；效果與前景

【Keywords】rotary percussion drilling technology； oil drilling； application； effect and prospect

【中圖分類號】TE242 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）07-0193-02

1 引言

隨著我國工業水平不斷提升，我國對石油的需求量越來越大，石油鉆井工程得到了快速發展。為了滿足當前鉆井效率與質量的高要求，石油鉆井中的應用技術也在不斷更新。在此背景下，旋轉沖擊鉆井技術得到廣泛應用，使石油開采企業效益得到了顯著提升。因此，加強旋轉沖擊鉆井技術在石油鉆井中的應用研究具有重要意義。

2 沖擊器構件結構及工作原理

沖擊器是旋轉沖擊鉆井技術實施的主要構件，其主要由配水機構、防回水機構、沖擊機構以及傳遞機構構成。其中，配水機構能夠將鉆井的動能轉化為勢能，為鉆井推動運動做準備，該部位包括接頭、外殼、配水閥等部分。防回水機構的主要作用是實現沖擊作用，將鉆井動能轉化為沖錘動能。沖擊機構，是將鉆井部分動能轉化為沖錘動能，以此實現沖擊作用，包括鐵砧、沖錘等部分。傳遞機構，是鉆井沖擊器的通道，也是沖錘沖擊載荷和沖擊器鉆柱傳送的扭矩。沖擊器工作的一般原理為，鉆井液流進沖擊器中，再通過配水閥，流經沖錘上端，并產生分流作用[1]，最后到達沖錘頭的水槽中。此時，流道被封死，鉆井液體收到堵塞而發生水擊，液體壓強升高的同時，沖錘產生快速運動趨勢，到達一定高度后關閉原來通道，從下接頭流出。沖錘依靠慣性繼續運動，發生水擊后使配水閥與沖錘共同快速下行。液壓與上閥套相互作用，與鐵砧發生碰撞，以此周而復始的實現沖擊過程。

3 旋轉沖擊鉆井技術原理及特點

旋轉沖擊鉆井技術原理，是在普通旋轉鉆井工作的條件下，額外增加沖擊器的作用與功能。沖擊器一般位于石油井底的上端，也可位于巖心管的上端。在井底是動力機械的一種，主要依靠高壓氣體以及鉆井液的推動而產生運動。一旦沖擊器撞擊鉆頭，其沖擊動載以及靜壓旋轉會共同發生作用，使巖石破碎。沖擊動載不僅能夠通過大體積破碎，提高破碎巖石的運動速度，還能夠保持巖石裂隙的擴張?？傮w來說，旋轉沖擊鉆井技術包括以下特點：

第一，旋轉沖擊鉆井實現的不是研磨破碎，而是體積破碎，鉆井效率較高。

第二，能夠有效減少對鉆頭的摩擦，延長鉆頭的使用壽命[2]。

第三，鉆頭的沖擊壓力與回轉刮削共同作用才能導致巖石破碎。

第四，沖擊破碎為高頻率運動，鉆頭不易受到影響，能形成質量較好較規則的井眼。

第五，鉆井過程的鉆壓與鉆速并不高，改善了鉆柱的受力情況。

4 旋轉沖擊鉆井技術在石油鉆井中的應用

4.1 氣動旋轉沖擊鉆井技術

氣動旋轉沖擊鉆井技術中，采用的沖擊器為氣動性能，主要應用于采礦工業中。其沖擊器包括有閥和無閥兩類，區別在于上下運動的壓縮空氣，是否由配氣機構閥片進行控制。氣動沖擊器的特點為介質密度低，巖石更易于破碎。另外，氣動沖擊器不會產生重復破碎，鉆井效率高。氣動旋轉沖擊鉆井技術主要應用于鑿巖器械設計中。比如，18世紀的風動鑿巖機，以壓縮空氣為動力介質，其井眼的內鉆達到1740m。后來，氣動旋轉沖擊鉆井技術中的沖擊器發展到了40多種型號，具有金剛石、三牙輪等多種沖擊鉆頭，應用在空壓機、配套鉆機、附屬設備的設計生產中。氣動旋轉沖擊鉆井在國內的應用范圍，主要包括采石場、滑坡防護、鉆鑿水井、石油鉆井等工程孔中。

4.2 液動旋轉沖擊鉆井技術

液動旋轉沖擊鉆井技術實施的主要部件是液動沖擊器，其主要以鉆井液作為動力介質，是當前解決深孔硬地層鉆的最有效方法之一。液動沖擊器包括水力與高壓油兩種，石油鉆井主要以水力為驅動介質。該沖擊器的特點是燃料消耗低、能量利用效率高、攜巖能力強、設備投入少，在石油鉆井領域應用性較強。在國內，我國勘探技術部門依據液動旋轉沖擊鉆井技術，研制發明了射吸式沖擊器、射流式沖擊器等，同時也研制了不同類型閥式液力沖擊器。該技術應用的運動部件較少，不會受到井深與圍壓影響。其具體參數可根據鉆井工藝、井深等參數進行調整，進而實現全面體積碎巖。

5 旋轉沖擊鉆井技術在石油鉆井中的應用效果

旋轉沖擊鉆井技術在石油鉆井中的應用，取得了較好的應用效果。比如，DGSC型液動射流沖擊器得到應用后，機械鉆速明顯提高了30%，元件壽命也達到了150h以上。綜合來看，該項技術應用具有以下效果：

第一，增加巖石破碎效果。沖擊器連接在鉆頭上，增加了周期性沖劑載荷，接觸時間短，接觸應力上升較快。沖擊載荷的增多會產生振動現象，進而促進應力集中，增加巖石的破碎效果。

第二，降低鉆頭的磨損。在沖擊回轉鉆井技術中，鉆壓作用較小，沖擊頻率高，鉆頭使用壽命長。

第三，鉆井井身的質量有所提升。該技術允許鉆頭鉆壓限制比載荷，使巖石破碎效果達到理想狀態。

第四，保證井底清潔度。沖擊回轉鉆井中，射流方式能夠進行調節和聚集，形成高速運動水團，進而保證井底的清潔。

第五，符合石油鉆井中鉆井深、鉆距長的工業要求，具有較強的抗壓強度以及較為牢固的接頭密封性。

6 旋轉沖擊鉆井技術在石油鉆井領域的應用前景

沖擊器可根據直徑的不同歸類成不同系列化產品，并向多工藝方向發展，以解決硬巖鉆井的問題。旋轉沖擊鉆井技術在石油鉆井領域的發展方向，可對3000m的沖擊器產品加大研究，向大單次沖擊功發展，提升沖擊器的可靠性，延長其使用壽命。在應用范圍上，由直井向定向井方面及大位移井方面拓展，同時，為了滿足深部勘探開發需要，沖擊器的結構和參數，可通過仿真計算實現科學調整，進而提升該技術能量利用率。另外，旋轉沖擊鉆井技術中的零件部位，如旋轉沖擊鉆井配套的鉆頭，可以對其進行優化合計，選擇最適合旋轉沖擊鉆井的鉆頭，提升該技術的推廣和應用。

7 結語

為了促使鉆井效率與質量的提升，本文從沖擊器構件結構及工作原理入手，結合了旋轉沖擊鉆井技術原理及特點，對旋轉沖擊鉆井技術在石油鉆井中的應用展開了論述，分別包括氣動旋轉沖擊鉆井技術，以及液動旋轉沖擊鉆井技術等重要內容。接著，本文通過分析旋轉沖擊鉆井技術在石油鉆井中的應用效果，提出了旋轉沖擊鉆井技術在石油鉆井領域的應用前景。希望本文的研究，能為提升我國旋轉沖擊鉆井技術在石油鉆井中的應用水平提供一份借鑒，拓寬其應用范圍。

【參考文獻】

【1】李清杰.淺談最優化鉆井技術在石油鉆井中的應用[J].黑龍江科技信息，2015（25）：88.

【2】馬鵬鵬，周英操，蔣宏偉，等.現代信息技術在石油鉆井中的應用研究——關于鉆井信息工程學的探討[J].石油天然氣學報，2014（07）：89-95+6.

【3】王明華.新型鉆井提速工具在龍崗氣田軟硬交替地層中的成功應用[J].天然氣工業，20159（07）：80-84.