旋轉沖擊鉆井技術在石油中的應用分析

宋文

摘 要：我國地質復雜，石油開采較為困難，但是石油有助于提高國家經濟發展，所以需要使用更加先進的技術方式應用于石油工程中。旋轉沖擊鉆井技術屬于當前應用較為普遍的石油鉆井方式，能夠提高鉆井工程的質量和效率，在一定程度上還可以節約工程成本。為了使得旋轉沖擊鉆井技術具有可持續發展，文章對其應用于石油中進行分析。首先對旋轉沖擊鉆井技術中使用的沖擊器結構和工作原理進行分析;然后對旋轉沖擊鉆井技術的優勢進行分析，再對其在石油鉆井工程的應用進行分析，由于旋轉沖擊鉆井技術的類型不止一種，所以文章分析了氣動旋轉沖擊鉆井技術和液動旋轉沖擊鉆機技術的應用。文章最后對旋轉沖擊鉆井技術的發展現狀和趨勢進行了分析?？傊疄榱颂岣呤豌@井工程的效率和質量，需要對旋轉沖擊鉆井技術進行不斷深入創新研究。

關鍵詞：旋轉沖擊鉆井技術;石油;應用

中圖分類號：TE242 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）04-0138-04

Abstract：My countrys geology is complex and oil extraction is more difficult， but oil can help improve the countrys economic development， so more advanced techniques and methods need to be used in petroleum engineering. Rotary percussion drilling technology belongs to the currently widely used oil drilling method， which can improve the quality and efficiency of drilling engineering， and can also save engineering costs to a certain extent. In order to make the rotary percussion drilling technology have sustainable development， the paper analyzes its application in petroleum. First， analyze the structure and working principle of the impactor used in rotary percussion drilling technology. Then analyze the advantages of rotary percussion drilling technology. Then analyze its application in petroleum drilling engineering， because there are more than one type of rotary percussion drilling technology. So the paper analyzes the application of pneumatic rotary percussion drilling technology and hydraulic rotary percussion drilling technology. Finally， the paper analyzes the development status and trends of rotary percussion drilling technology. In short， in order to improve the efficiency and quality of oil drilling engineering， it is necessary to carry out in-depth and innovative research on rotary percussion drilling technology.

Key words：rotary percussion drilling technology; petroleum; application

隨著我國工業化水平的快速發展，對經濟的需求比較大。石油能夠在很多領域中進行使用，并且也是很多產品的原材料，比如合成纖維、燃料、塑料、汽油等，石油的使用有助于提高我國生產水平和經濟水平，所以對石油的開發變得更加急迫，而且發展至今，很多容易開發利用的石油變得越來越少，為了獲取更多的石油，只能通過各種新科技發掘更深層次的石油[1-2]。所以隨著石油需求量的增大，石油鉆井工程也在不斷發展，各種不同的鉆井技術隨之而生，而且對鉆井的質量和效率要求也比較高，所以當今使用的旋轉沖擊鉆井技術被廣泛使用，因為通過使用該技術，能夠提高石油鉆井的質量和效率，有助于提高石油開采企業的效益，并且效益的提高比較顯著[3-5]。所以在石油中研究旋轉沖擊鉆井技術就有重要意義，于是文章將主要研究該內容，目的在于提高我國石油開采的效率和質量，并且使得旋轉沖擊鉆井技術更廣泛的應用于石油工程中，從而發揮更好的應用效果，能夠同時促進旋轉沖擊鉆井技術和石油鉆井工程的發展。

1 液動沖擊器的結構和工作原理

1.1 液動沖擊器的結構

旋轉沖擊鉆井技術使用的主要機器為沖擊器，所以文章將對其結構和工作原理進行分析，于是可以更加深層次的了解旋轉沖擊鉆井技術。沖擊器的形式比較多，文章比如氣動沖擊器、液動沖擊器等，文章將主要對液動沖擊器的結構和工作原理進行分析，其他類型的沖擊其大致上也差不對，只是其中使用的一個是氣體，一個是液體。

液動沖擊器的主要結構有沖擊結構、傳遞結構、配水結構和防回水結構[6]。其中沖擊結構的主要作用在于實現沖擊目的，是將鉆井液的一些動能直接變為沖錘的動能;傳遞結構的主要作用是將鉆柱傳送的扭矩和沖錘的沖擊荷載進行傳遞，另外一個作用就是作為鉆井液流出的通道;配水結構的主要作用就是將鉆井液動能轉變為儲存的勢能，從而可以推動相關的運動部件進行運動;防回水結構的主要作用就是防止泥沙流到沖擊器中，避免造成堵塞現象。液動沖擊器的主要結構原理簡圖如圖1所示。

1.2 液動沖擊器的工作原理

在石油中使用旋轉沖擊鉆井技術時，其中使用到的沖擊器工作原理如下：首先鉆井液從上接頭流到沖擊器中，然后在內部進行一系列流動，最后流到沖錘錘頭中水槽里。由于此時已經將流到封死，因為下配水閥緊靠在鐵砧上，砧井液的速度會比較大，從而擊打到封閉的水槽中就會使得液壓速度變大，于是就會抬起沖錘，使其向上快速運動，達到一定高度之后，就會使得下閥與鐵砧分離，就會打開流道，鉆井液就會被流出沖擊器[7]。而此時的沖錘具有一定的慣力，會保持繼續向上運動，當碰觸到上配水閥就會將其進行封堵，從而使得鉆井液不能流進沖擊器中。于是沖錘和上配水閥就會迅速落下，但是上配水閥會被中接頭阻擋而和沖錘分開，然后該水閥會受到一定的力量而向上進行運動，最終和上閥套相接觸。但是沖錘還是會繼續下降，直至和鐵砧碰撞，然后產生沖擊過程，再次將流道進行封堵。這樣一個循環過程就是液動沖擊器的工作原理，從而實現石油鉆井的作用。

2 旋轉沖擊鉆井技術的優勢

在石油鉆井中廣泛使用旋轉沖擊鉆井技術，因為其優勢較明顯，具有整體性更強、沖擊荷載更高和鉆頭磨損更低等優勢，下面將對其優勢進行具體分析：

（1）整體性能更強。石油勘探和開采過程中會遇到很多問題，比如地質條件會非常復雜，其中巖石分布沒有一個規律，其深度、大小和硬度都會存在較大差異，所以就會導致石油鉆井比較困難，需要符合其相關的技術進行使用，于是旋轉沖擊鉆井技術正好可以解決這些問題。因為旋轉沖擊鉆井技術所使用的鉆頭具有非常大的動力，而且還會隨著時間的延長，其動力會不斷增大，直到使得巖石發生破碎為止，而此時，巖石發生了破碎，鉆頭的動力就會不斷降低。并且鉆頭兩側的剪切體的作用下會形成一種破碎坑，于是就可以經過該破碎坑將碎渣送到地面上，有助于提高油井結構的穩定性。這種鉆井技術的整體性能比較強，不僅能夠使得鉆井工程變得更加簡單，而且還可以提高油井的安全性和穩固性。

（2）鉆頭磨損更低。相關調查表示旋轉沖擊鉆井技術在石油中使用之后，能夠提高鉆井的效率，并且至少能夠提高30%，另外，還可以降低石油鉆井的成本，調查顯示大致上能夠降低20%的成本[8]。雖然在斜井開采的工程中沒有這么突出的效果，但是同樣能夠顯著性的提高其工作效率和降低其成本。

傳統的鉆井技術中使用的鉆頭磨損程度比較大，所有就會很大程度上降低其使用效果，所以液動旋轉沖擊鉆井技術中最明顯的一個優勢在于鉆頭磨損率更低。在石油開采和勘探工作中，鉆井壓力屬于一個非常重要的技術參數，能夠影響鉆井效率和鉆頭壽命，并且鉆井壓力對鉆井效率和鉆頭壽命的影響結果相反，即當鉆井壓力越來越大時，自然會提高鉆井的工作效率，但是同時又會嚴重降低鉆頭的使用壽命。由于傳統的鉆頭質量較差，容易受到磨損，為了提高鉆井效率，就會導致鉆頭壽面變短，為了提高鉆頭壽命，就會降低鉆井效率，所以旋轉沖擊鉆井技術更加占有優勢，主要依靠強大的瞬間作用力將巖石進行破碎，所以就會減少鉆頭的高荷載工作狀態，能夠很大程度上降低其磨損率，就會提高其使用壽命。而且，針對于水平井的施工，使用該技術的進行加壓時，其鉆頭能夠發生滑動，所以就會降低其靜摩擦力，鉆頭磨損率就會降低。

（3）沖擊荷載更高。傳統的鉆井技術中使用的鉆頭不僅具有磨損率較高的劣勢，而且其抗沖擊荷載比較小，于是對于一些巖石質地堅硬的石油地區，或者是海拔較高的石油地區，使用傳統鉆井技術的鉆頭很難發揮效果。而如今使用的旋轉沖擊鉆井技術具有更高的沖擊荷載，所以能夠在某些石油開發較為困難的地區進行使用，正好可以彌補傳統鉆井技術的不足之處。旋轉沖擊鉆井技術在應用過程中，當鉆頭接觸到巖石時，就會將沖擊力瞬間提高到最大，于是可以快速將巖石進行擊碎。另外，鉆頭在往下深入的過程中，巖石還會受到橫向旋轉力的作用，所以更加有利于提高巖石破碎的效率。所以相比于傳統鉆井技術，旋轉沖擊鉆井技術具有更好的沖擊荷載。

3 旋轉沖擊鉆井技術在石油中的應用

旋轉沖擊鉆井技術的種類不止一種，常見的有氣動旋轉沖擊鉆井技術和液動旋轉沖擊鉆井技術，兩者的主要區別在于前者使用的是氣動性能，后者使用的是液動性能，并且這兩種技術各有優勢，在石油中能夠發揮重要的作用。所以文章將主要對這兩種鉆井技術進行分析，研究其在石油中的應用。

（1）氣動旋轉沖擊鉆井技術。氣動旋轉沖擊鉆井技術的主要應用范圍為采礦工程中。其中使用到的氣動沖擊器有兩種類型，分別為無閥有有閥，這兩種沖擊器的主要區別為上下運動的壓縮空氣是否由配氣結構閥片進行控制。在石油鉆井中使用該類型的鉆井技術具有較高的鉆井效率，不會發生重復破碎的現象，而且該技術使用的沖擊器其介質密度比較低，所以其巖石更容易發生破碎。根據氣動旋轉沖擊鉆井技術的優勢和特點，主要在鑿巖器械設計中進行使用。比如，18世紀所生產的風動鑿巖機，其中使用的主要動力介質為壓縮空氣，隨著沖擊器的不斷發展，各種新型號的沖擊器不斷被研發，如今已經超過了四十多種型號的沖擊器，比如三牙輪、金剛石等鉆頭，鉆頭的質量變得更好，能夠在空壓機、附屬設備和配套鉆機等設計生產中進行使用。如今，氣動旋轉沖擊鉆井技術變得更加完善，能夠在很多領域中進行使用，比如采石場、石油鉆井、滑坡防護和水井開鑿等領域中。隨著氣動旋轉沖擊鉆井技術的快速發展，尤其在石油鉆井工程具有更好的應用效果。

（2）液動旋轉沖擊鉆井技術。該類型的鉆井技術結構和工作原理在上文中已經有詳細介紹，其中主要使用鉆井液作為動力介質，在深孔硬地層鉆中具有很好的使用效果，并且也是在這方面最有效的一種方式之一。液動旋轉沖擊鉆井技術中使用的液動沖擊器主要有兩種不同類型的介質，分別為水力和高壓油。在石油鉆井工程中應用液動旋轉沖擊鉆井技術主要以水力作為驅動介質更加合適。在石油鉆井工程中使用該類型的鉆井技術能夠節約燃料、提高施工效率、降低設備投入量等優勢，所以能夠在石油鉆井領域中發生重要的效果。我國通過對該類型的鉆井技術不斷研究，如今已經研制出了射流式沖擊器和射吸式沖擊器等，另外，還有不同類型閥式液力沖擊器。使用該技術時，其中運動結構比較好，所以就不容易受到圍壓和井深的影響。使用該技術過程中，會存在某些參數無法滿足要求，所以需要根據鉆井工藝、井深等為參考，然后對其進行調整，從而使相關參數能夠滿足要求，從而實現全面體積碎石的作用。

4 石油中旋轉沖擊鉆井技術的應用效果

在石油鉆井工程中旋轉沖擊鉆井技術具有很好的使用效果，能夠提高鉆井的質量和效率，而且還可以降低工程成本消耗。旋轉沖擊鉆井技術使用的沖擊器的型號也比較多，比如DGSC型液動射流沖擊器在石油鉆井工程中進行使用之后，提高了元件的壽命，使其能夠達到150h以上，而且在應用過程中的機械鉆速也具有明顯的提高，大致可以提高30%。綜合看來，在石油鉆井工程中使用該項技術具有以下效果：

（1）巖石破碎效果顯著增加。因為增加了沖擊荷載，鉆頭的接觸應力上升較快，從而產生應力集中現象，可以使得巖石的破碎效果變得更加顯著。

（2）鉆井井深的質量提高。因為該技術的性能大幅度提升，巖石的破碎效果好等優勢，所以在使用該技術過程中，自然就會增加鉆井井深的質量。

（3）鉆頭磨損降低。由于鉆壓作用較小，與巖石的接觸時間較短，而且在有些井的作業中鉆頭能夠發生滑動，就會降低摩擦力，更有助于降低鉆頭磨損，有助于增加鉆頭的使用時間。

（4）符合石油鉆井中的鉆距長、鉆井深的工業要求。因為在使用旋轉沖擊鉆井技術時，其接頭的密封性非常牢固，而且還具有比較好的壓縮強度，所以能夠符合相關工業要求。

（5）保證井底清潔度。在石油鉆井工程中使用旋轉沖擊鉆井技術時，能夠調節和聚集射流方式，于是就可以形成一種高速運動的水團，該水團在井底不斷進行運動，從而可以將井底的碎石雜質清除干凈。

5 旋轉沖擊鉆井技術在石油中的發展

5.1 發展現狀

相比于傳統的鉆井技術，旋轉沖擊鉆井技術的優勢更多，能夠提高鉆井效率和質量，還可以一定程度上降低工程成本，更能滿足當前人類的需求。但是人類的需求在繼續快速提升，旋轉沖擊鉆井技術也需要不斷優化，才能繼續滿足石油工程中的需求。在旋轉沖擊鉆井技術中最關鍵的問題就是沖擊器的質量，如果其質量更好，其應用效果將會更好。在沖擊器中鉆層和鉆具具有很大的作用力，于是就會對鉆頭和軸承的質量有更加嚴格的要求。當沖擊器的質量跟不上時代要求時，或者其存在一定質量問題時，就會使得工作效率比較低。雖然現階段旋轉沖擊鉆井技術能夠發揮一定的作用，但是其壽命較短，滿足不了當前快速發展需求。所以為了提高石油鉆井工程的質量和效率，必須得提高沖擊器的質量，才是使得該鉆井技術的應用更加廣闊。另外，當前使用的沖擊器鉆頭配套雖然比傳統的鉆井技術要好很多，但是如今要求更加嚴格的鉆井工程，其鉆頭配套也存在一定問題。使用合金制造的牙輪鉆頭能夠適用于大多數的巖石層，并且能夠提高石油鉆井工作的經濟效益，這種材質制作的鉆頭能夠與沖擊器配套使用，從而可以提高沖擊器的質量，還可以更好的推廣合金牙輪鉆頭。如今旋轉沖擊鉆井技術能夠在石油中發揮重要作用，但是在使用過程中，也發現了一些不足之處，還需要對其進行深入研究分析，從而提出解決方案，使得旋轉沖擊鉆井技術變得更加完善，在石油中使用能夠發揮更好的應用效果。

5.2 發展趨勢

在今后的發展中，石油鉆井工程中，其中鉆井的質量和效率都會不斷提升，旋轉沖擊鉆井技術會在應用過程中不斷出現各種問題，從而滿足不了當前石油鉆井工程的需求，所以為了使得旋轉沖擊鉆井技術能夠有更好的發展前景和能夠可持續發展，需要對其進行不斷優化和改進。所以在未來的發展過程中，旋轉沖擊鉆井技術將從以下3個方向進行發展。

（1）對沖擊器進行設計之前，為了能夠有更好、更實用的沖擊器，需要研究人員能夠深入掌握旋轉沖擊鉆井技術在應用過程中的理論和機理，相關的理論屬于基礎部分，只有能夠完全掌握這些基礎之后，設計出來的沖擊器才能具有更好的使用效果。

（2）當前旋轉沖擊鉆井技術中使用的沖擊器使用壽命比較短，所以在以后的發展中，將會使用各種新科技，對該技術進行不斷創新，然后改善旋轉沖擊鉆井技術的性能，使其綜合性能變得更加強大。

（3）在沖擊器的設計階段一直到使用階段，需要對其進行實驗分析，看其是否能夠在石油鉆井工程中發揮作用。所以需要建立物理實驗模型，然后對沖擊器中的相關功率等參數進行改進，目的在于提高旋轉沖擊鉆井技術的工作效率。

6 結語

石油能源的作用十分巨大，能夠推動國家的快速發展。但是石油資源有限，而且我國的石油儲備即使比較豐富，但是很多石油很難進行開采，所以開采率比較低。在石油鉆井過程中，地質層出現軟硬交替的現象比較常見，于是就會阻礙鉆井工程的進行，但是通過使用旋轉沖擊鉆井技術能夠很好的解決該問題。而且旋轉沖擊鉆井技術的優勢較為明顯，基本上可以滿足當前石油鉆井工程的需求。但是隨著時間的發展，石油鉆井工程的要求將會提升，所以為了該技術的可持續發展，需要對其進行更加深入研究，對其進行不斷改進和引入新科技。

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