沖擊回轉(zhuǎn)鉆進在石油鉆井中的應用探討

李寧波 馬寅 郭浩冉

摘要：在經(jīng)濟及社會繁榮發(fā)展的進程中，我國工業(yè)的水平也不斷地提升，工業(yè)發(fā)展的過程中，對石油的需求量是非常大的，由此一來，推動了石油鉆井工程的發(fā)展。石油鉆井工程中應用了沖擊回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù)，顯著的提升了鉆井的效率和質(zhì)量，因此在石油鉆井中得到了廣泛的應用。本文在介紹沖擊回轉(zhuǎn)鉆進概念的基礎上，闡述了石油鉆井中沖擊回鉆進的應用。

關(guān)鍵詞：沖擊回轉(zhuǎn)鉆進;石油鉆井;應用

1.沖擊回轉(zhuǎn)鉆進

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進主要指通過對專門沖擊器以及鉆機回轉(zhuǎn)器的利用，使得鉆頭得以驅(qū)動，并對孔底巖石進行破碎的一種鉆進方式。從特點上看，沖擊回轉(zhuǎn)鉆進特點主要有：

1）鉆進開展的效率較高，尤其對于巖石較堅硬的來說，其所展現(xiàn)的鉆進效果更加顯著。相比較回轉(zhuǎn)鉆進，其鉆進效率要高于幾十倍。2）鉆頭使用壽命較長。在工作過程中，鉆頭所承受的磨損性得到降低，進而對鉆頭壽命進行延長。3）鉆孔偏斜等問題得到改善，使得鉆孔質(zhì)量得到提升。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進有兩種：液動沖擊器、氣動沖擊器。液動沖擊器從十九世紀六十年代研發(fā)，在隨后發(fā)展時期內(nèi)，液動沖擊器種類得到增加，并在石油鉆井中得到廣泛使用。氣動沖擊器從上世紀開始研究，研制成功后，也在實際生產(chǎn)中得到較為廣泛的應用。在之后的發(fā)展中，氣動回轉(zhuǎn)鉆進在理論以及技術(shù)上都得到相當快速的發(fā)展。

2.沖擊回轉(zhuǎn)鉆進的發(fā)展現(xiàn)狀

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù)目前在石油鉆井中已應用，在加拿大油田鉆井中所達到的鉆進速度及鉆頭進尺比純旋轉(zhuǎn)鉆進提高數(shù)倍，在西德克薩斯，用沖擊器同三牙輪鉆頭純旋轉(zhuǎn)鉆進在堅硬的石英巖層鉆進比較提高鉆速1倍，貝殼公司在加拿大用沖擊回轉(zhuǎn)鉆進方法在花崗巖中鉆進與純旋轉(zhuǎn)鉆井相比，機械鉆速提高了200%。在國內(nèi)，一些單位也正在積極研究適應惡劣的井下條件下的石油鉆井沖擊器。已研究應用的結(jié)果表明，采用沖擊回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù)，進行石油鉆井可大大提高鉆井效率，降低鉆井成本。如我國某油田采用沖擊回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù)在8口井試驗，機械鉆速提高了30%左右，地礦部石油鉆并研究所已在這方面進行了大量工作。我國最早自行設計了石油鉆井用的液力沖擊器并獲得專利，試驗表明，機械鉆速在硬地層提高30%，在軟地層提高21%。近幾年的實踐進一步證明了沖擊回轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)應用于石油鉆井的可行、可靠性。

3.沖擊回轉(zhuǎn)鉆進的應用

3.1提高鉆進速度

在鉆頭上接沖擊器，使鉆頭增加周期性沖擊載荷，巖石破碎力學表明巖石的動硬度要比靜硬度低很多，沖擊載荷下比載荷大于巖石的靜壓入強度。沖擊載荷明顯特征是作用時間短，巖石中的接觸應力瞬間可達最大值，巖石不易產(chǎn)生塑性變形，表現(xiàn)為脆性增加。不斷地對巖石施加沖擊載荷，迫使巖石內(nèi)部分子產(chǎn)生振蕩，激起綜合應力，加速對巖石產(chǎn)生應力集中，瞬時作用的載荷和應力集中特性，使巖石裂隙擴張，巖石破碎效果增加，提高鉆進速度.

3.2降低鉆進成本

在普通鉆進法中，破碎巖石主要靠鉆壓，鉆壓在很大程度上影響鉆頭軸承壽命和牙輪壽命，軸承壽命與鉆壓的立方成反比，在硬地層加大鉆壓導致縮短鉆頭壽命。沖擊旋轉(zhuǎn)鉆進，鉆壓是次要的，只起到鉆頭壓持作用，鉆頭仍受沖擊，但沖擊頻率很高，沖程很短，這種沖擊和跳鉆是根本不同的，跳鉆是整個鉆柱跳動，鉆頭承受整個鉆柱重量沖擊，且單次作用時間長。輕鉆壓加短暫的錘擊作用與大鉆壓低頻率沖擊破碎作用，實踐已經(jīng)證明，前者鉆頭磨損較慢，鉆頭壽命增加，破碎效率高。

3.3提高井身質(zhì)且，減少鉆具損壞

在深井或硬地層，普通鉆進法加大鉆壓，或提高轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)數(shù)，這種方法將導致鉆頭壽命縮短，而且容易產(chǎn)生井斜。轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)數(shù)受著鉆壓限制，巖石變形受到抑制，達不到巖石完全破碎的效果，若想達到較好的破碎效果，就必須增大比載荷，而比載荷又受到鉆頭允許鉆壓限制，在深井硬地層井段不得不輕壓慢轉(zhuǎn)，機械鉆速不高。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進工藝，可以解決比載荷不足和與巖石接觸時間短的矛盾，可以使用低鉆壓獲得較好的鉆速，低鉆壓減少鉆柱多次彎曲，避免大鉆壓產(chǎn)生的井斜和鉆住磨損及疲勞損壞。

3.4消除巖屑壓持效應，改善噴射鉆進效果

沖擊器在結(jié)構(gòu)上可以將現(xiàn)在的連續(xù)射流經(jīng)過一定的調(diào)節(jié)、聚能，把能量集中起來使用，使現(xiàn)在的連續(xù)射流變成高壓脈沖射流，形成脈沖高速運動水團，這種水力動能產(chǎn)生很大的沖擊載荷，沖擊力和水馬力增加很多，射流動壓力也將大大提高，比相同條件下連續(xù)射流的動能大許多倍，高壓脈沖運動的水團反復的、突發(fā)的沖擊巖石墊層和底層，使井底干凈，提高鉆進效率。

3.5現(xiàn)代石油鉆井設備和鉆具可以滿足沖擊旋轉(zhuǎn)鉆進工藝要求

石油鉆井較深，鉆具長，鉆柱的內(nèi)徑與井壁比值較大，長鉆具有儲能緩沖作用，水擊壓力對地面設備影響極微，鉆具的杭內(nèi)壓強度和工具接頭牢靠的密封。石油鉆井泥漿泵有較大的功率，不存在泵功率不足的問題，完全可以滿足沖擊回轉(zhuǎn)鉆井的要求。試驗證明，水擊壓力不致于對鉆具產(chǎn)生破壞作用，沒有發(fā)現(xiàn)鉆具和設備損壞現(xiàn)象。

4.結(jié)語

通過沖擊回轉(zhuǎn)鉆進的應用，石油鉆井所具備的鉆井速度顯著的提升，而且鉆井效率、質(zhì)量等也得到了顯著的增強，促進了石油鉆井的快速發(fā)展。現(xiàn)今，沖擊回轉(zhuǎn)鉆進還發(fā)展的不完善，我國還需要加大研究的力度，促進此種方法在石油鉆井中的進一步應用，并拓寬其應用范圍。

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