旋沖鉆井技術(shù)在石油鉆井中的應(yīng)用

劉 鵬

（克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆克拉瑪依 834000）

由于我國工業(yè)技術(shù)水平持續(xù)提高，對于石油的需求程度越來越大，石油鉆井工程有著明顯的進(jìn)步。為了給石油鉆井提供良好的鉆井效率以及比較高的質(zhì)量要求，石油鉆井工程施工過程中使用的技術(shù)進(jìn)行著不斷更新?lián)Q代，基于此，推動(dòng)旋沖鉆井技術(shù)可以普遍使用，進(jìn)而還可以使石油企業(yè)的開采效益得到顯著提升，旋沖鉆井技術(shù)的應(yīng)用以及研究有著非常重要的意義。

1 技術(shù)原理簡述

1.1 旋沖鉆井技術(shù)原理

任何一項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施，都有著自己的技術(shù)原理。加強(qiáng)對技術(shù)原理的分析，能更好地在實(shí)際工程中加強(qiáng)應(yīng)用。就旋沖鉆井技術(shù)而言，在石油鉆井工程中應(yīng)用時(shí)，其技術(shù)原理如下：主要是結(jié)合常規(guī)的旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)的前提下，通過在鉆頭頂部位置安裝沖擊器，并采取不同的動(dòng)力源（目前主要是液動(dòng)和氣動(dòng)兩種）將其帶動(dòng)之后，形成頻率很高的沖擊力，并向沖擊器不斷地施加壓力，并傳遞到前端的鉆頭，這樣在鉆頭快速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)達(dá)到?jīng)_擊鉆井的效果。

1.2 沖擊器的技術(shù)原理

沖擊器在整個(gè)旋沖鉆井技術(shù)施工中作為最為主要的部件，包含了配水、防回水、沖擊和傳遞等部件。沖擊器在運(yùn)行過程中，首先是鉆井液流或者氣流進(jìn)入沖擊器之后，再從配水閥通過之后，從沖錘的上端經(jīng)過，形成分流作用，最后達(dá)到?jīng)_錘頭水槽中。由于流道被封死，鉆井液的液體回收到堵塞而形成水擊，當(dāng)液體壓強(qiáng)升高時(shí)，其沖錘就會(huì)形成快速運(yùn)動(dòng)趨勢，在一定高度之后，其原來的通道就會(huì)關(guān)閉，并從下接頭中流出，借助沖錘的慣性連續(xù)運(yùn)動(dòng)，在水擊之后，就能確保在配水閥和沖錘的作用下快速下行。液壓和上閥套互相作用之后，將與鉆頭發(fā)生碰撞，且這樣的沖擊過程會(huì)周而復(fù)始進(jìn)行。

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)生活水平的不斷提高，對能源資源特別是石油資源的需求量急劇增加，因此對國內(nèi)石油資源的開采有著極為緊迫的需求。但石油資源分布不均以及石油存儲(chǔ)量過小等問題都制約著我國石油開采技術(shù)的進(jìn)步與能源供應(yīng)量的提高。為了降低石油開采難度，促進(jìn)石油開采效率提高，有必要促進(jìn)我國石油開采技術(shù)水平提升。此外，雖然我國石油開采已經(jīng)發(fā)展了較長時(shí)間，開采水平與初期相比有了很大提升，但在實(shí)際開采過程中仍然存在許多問題，例如鉆頭使用期限過短，承受力較低，增加了鉆井成本，對資源造成了極大浪費(fèi)；鉆頭沖擊力小，不能實(shí)現(xiàn)理想的鉆井效果，影響石油開采質(zhì)量，降低開采效率。因此有必要發(fā)展新的鉆井技術(shù)，提高鉆頭承受力與沖擊力，提高開采效率，降低開采成本，為石油開采單位節(jié)約人力物力，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益提高。

2 旋沖擊鉆井技術(shù)特點(diǎn)

通過沖擊器實(shí)現(xiàn)鉆頭對巖石的沖壓，并在鉆頭本身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的帶動(dòng)下使巖石破碎，在巖石硬度較高，難以破碎的情況下，通常使用體積破碎法，而不是傳統(tǒng)的研磨破碎法，這種方式能夠有效提高沖鉆效率，降低對鉆頭的損耗，節(jié)省人力物力。

旋沖鉆井技術(shù)利用高頻沖擊破碎的方式，時(shí)間短，使得巖石在極短破碎時(shí)間內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生巖性變化，同時(shí)鉆頭穩(wěn)固性極高，一般不會(huì)產(chǎn)生偏斜力矩的情況，可以形成有利的井眼規(guī)則，保證鉆井工作質(zhì)量。

旋沖鉆井技術(shù)采用高頻沖擊破碎方式可以減少鉆頭研磨，提高鉆頭的使用壽命。值得注意的是，在鉆井過程中要嚴(yán)格控制鉆壓與轉(zhuǎn)速，實(shí)時(shí)觀測鉆柱實(shí)際受力情況，進(jìn)而保證鉆井效果。

3 氣動(dòng)旋沖鉆井技術(shù)

3.1 氣動(dòng)沖擊器分類

根據(jù)配氣方式可分為有閥式和無閥式兩大類。有閥式指推動(dòng)活塞上下運(yùn)動(dòng)的壓縮空氣是由配氣機(jī)構(gòu)的閥片控制的。無閥式潛孔錘是利用布置在活塞和缸體側(cè)壁上的配氣系統(tǒng)控制活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)。如圖1所示的Gerald設(shè)計(jì)的空氣錘結(jié)構(gòu)，其具有獨(dú)特的空氣傳輸槽、導(dǎo)向部分、底閥等結(jié)構(gòu)，可以使結(jié)構(gòu)中的空氣通道能夠互相協(xié)同運(yùn)作，交替驅(qū)動(dòng)使空氣錘活塞進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)。

圖1 Gerald設(shè)計(jì)的空氣錘結(jié)構(gòu)

3.2 氣動(dòng)沖擊器主要特點(diǎn)

（1）相比液動(dòng)沖擊器，氣動(dòng)沖擊器的介質(zhì)密度更低，其氣柱的靜壓力更小，進(jìn)而巖石更加容易破碎。

（2）上升返回風(fēng)速度相對較快，井底清理干凈，巖屑不會(huì)出現(xiàn)反復(fù)破碎的現(xiàn)象。相對鉆井成效更加顯著，鉆井速度是液動(dòng)沖擊器的2～5倍

（3）氣動(dòng)沖擊器既能使用空氣這種壓縮介質(zhì)，同時(shí)也可以使用氣液混合壓縮介質(zhì)組合應(yīng)用。

4 液動(dòng)旋沖鉆井技術(shù)

4.1 液動(dòng)沖擊器分類

液動(dòng)沖擊器依照驅(qū)動(dòng)介質(zhì)可以分為水力以及高壓油兩種。石油鉆井主要以水力為驅(qū)動(dòng)介質(zhì)，其中又分別有閥式正作用、閥式雙作用、閥式反作用還有射流式等。圖2為射流式結(jié)構(gòu)圖，圖3為閥式液動(dòng)旋沖器結(jié)構(gòu)圖。

圖2 射流式?jīng)_擊器結(jié)構(gòu)

圖3 閥式液動(dòng)沖擊器結(jié)構(gòu)

4.2 液動(dòng)沖擊器主要特點(diǎn)

（1）和氣動(dòng)沖擊比較而言，液動(dòng)沖擊提高了能量利用率，其動(dòng)力設(shè)備比較小，燃料耗損較低。

（2）設(shè)備使用人力較少。

（3）驅(qū)動(dòng)介質(zhì)以鉆井液為主，其攜巖能力相對較強(qiáng)。

（4）鑒于現(xiàn)階段石油鉆井普遍應(yīng)用液動(dòng)旋沖鉆井技術(shù)，其石油鉆探范疇適應(yīng)性比較強(qiáng)。

5 旋沖鉆井技術(shù)在石油鉆井中的應(yīng)用對策

5.1 常見類型

5.1.1 氣動(dòng)

氣動(dòng)旋沖鉆井技術(shù)的應(yīng)用，主要是其沖擊器將氣動(dòng)作為其動(dòng)力源。按照其閥門類型來分類，抗壓將其分成有閥類和無閥類兩種沖擊器。二者的區(qū)別就是上下運(yùn)動(dòng)中形成的壓縮空氣是否通過配氣設(shè)備的閥片來控制。在利用氣動(dòng)沖擊器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)沖擊式，由于介質(zhì)的密度較低，所以能更好地便于對巖石的破碎。加上在鉆井過程中不會(huì)形成重復(fù)性破碎，因而其具有較高的鉆井效率。

5.1.2 液動(dòng)

液動(dòng)旋沖鉆井技術(shù)的應(yīng)用，主要是其沖擊器將液動(dòng)作為其動(dòng)力源。在當(dāng)前的深孔硬地層中鉆井施工中的應(yīng)用最為廣泛。常見的有水力和高壓油兩種，其在鉆井中主要是利用水作為驅(qū)動(dòng)后介質(zhì)，所以在燃料方面的消耗較低，加上其具有較高的利用率和較強(qiáng)的攜帶巖石的能力，設(shè)備投入也很少，因而在石油鉆井施工中得到了廣泛應(yīng)用。常見的主要有吸射類、射流類以及閥式液力沖擊器。尤其是閥式液力沖擊器，在實(shí)際應(yīng)用中，其所需的運(yùn)動(dòng)部件很少，一般井的深度和周圍的壓力不會(huì)對其的運(yùn)行帶來影響，并結(jié)合實(shí)際要求對鉆井技術(shù)和井深等進(jìn)行確定，并達(dá)到全面積破碎巖體的目的。

沖擊器的直徑由小直徑進(jìn)步到大直徑的創(chuàng)新，進(jìn)而形成系列化的產(chǎn)品，完成工藝的多方向發(fā)展。石油鉆井范疇內(nèi)，旋沖鉆井可以有效地的完成油井內(nèi)部堅(jiān)硬的巖石破碎。需要使用壽命長的沖擊器，普遍規(guī)定超過3 000m的井段，還應(yīng)加強(qiáng)沖擊器應(yīng)用方式的研究，提升可靠性能，使沖擊器的壽命得到延長，以完成石油鉆探的深部開采成效。對旋沖鉆井進(jìn)行相應(yīng)研究，使用更加合理的、具備更高科技含量的旋沖鉆井鉆頭，來進(jìn)一步提升工作效率。必須擴(kuò)大沖擊器的使用范圍，由直井進(jìn)而向定向井開展，進(jìn)而擴(kuò)展沖擊器的使用范圍，與此同時(shí)也要應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)計(jì)算沖擊器各個(gè)參數(shù)，了解沖擊器的工作規(guī)律，進(jìn)而根據(jù)精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)以及信息進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)一步確保沖擊器高效率施工以及應(yīng)用。

5.2 應(yīng)用思路

在石油鉆井施工中加強(qiáng)旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)，目前主要是以液動(dòng)旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)為主，因?yàn)闅鈩?dòng)沖擊鉆井技術(shù)在氣源供給上存在一定的難度，所以大都是采用液動(dòng)技術(shù)。但是不管是采取哪種旋沖技術(shù)，都要切實(shí)注重沖擊器的性能提升和優(yōu)化，力求能夠研發(fā)出不同直徑范圍內(nèi)的設(shè)備，基于使用需求設(shè)計(jì)不同種類的產(chǎn)品，且要朝著多工藝的方向發(fā)展，才能更好地促進(jìn)硬巖鉆井問題的處理。在整個(gè)石油鉆井領(lǐng)域中，目前應(yīng)加大對其的科研投入力度，加強(qiáng)大單次沖擊功的發(fā)展和研究，注重沖擊器可靠性的提升和使用壽命的延長。而在此基礎(chǔ)上，還要對其應(yīng)用范圍進(jìn)行不斷的拓展，從直井逐步發(fā)展到定向井、大位移井等方面，并在沖擊結(jié)構(gòu)與參數(shù)上不斷地優(yōu)化和完善，才能更好地符合深部勘探工作的開展。

DGSC 型液動(dòng)射流沖擊器中的控制機(jī)構(gòu)主要由雙穩(wěn)射流元件組成，借助雙穩(wěn)射流元件的附壁性與切換性，使得可控流體可以有序進(jìn)入沖擊器，促發(fā)活塞作有規(guī)律的沖錘往復(fù)動(dòng)作。

DGSC 型液動(dòng)射流沖擊器內(nèi)部組建結(jié)構(gòu)較為簡單，在實(shí)際應(yīng)用中運(yùn)動(dòng)部件相對較少，只有活塞沖錘進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)減少了沖擊器在實(shí)際使用中的磨損情況，并不受鉆井深度與圍壓的影響，進(jìn)而較為適用于深井鉆井工作。在實(shí)際使用中，旋沖鉆井技術(shù)可以結(jié)合地層、井深、鉆井技術(shù)等實(shí)際情況，調(diào)整沖擊器性能參數(shù)，以提高沖擊器的穩(wěn)定性單次沖擊功率，選擇金屬密封鉆頭，并配合硬質(zhì)合金鉆頭，以提高大體積碎石效率。

6 結(jié)束語

為了能夠使鉆井技術(shù)以及其施工質(zhì)量得到進(jìn)一步提高，基于此，就旋沖沖擊器部件及其結(jié)構(gòu)特征原理進(jìn)行分析，并且結(jié)合實(shí)際的旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)的工作原理以及其技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)而對我國的旋轉(zhuǎn)沖擊鉆技術(shù)在石油鉆探領(lǐng)域的普遍應(yīng)用進(jìn)行講解與探討。并且還分別對液動(dòng)旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)與氣動(dòng)鉆井技術(shù)等的主要內(nèi)容加以分析。而后對旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)其石油領(lǐng)域的應(yīng)用效率以及成果加以分析與探討，并且給出了石油鉆井領(lǐng)域旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)的發(fā)展方向以及應(yīng)用前景。希望能夠在提高我國石油鉆井技術(shù)過程中應(yīng)用旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)的水準(zhǔn)給以有效的借鑒，擴(kuò)大旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。