液沖沖擊旋轉鉆井技術在某石油鉆井中的應用

摘要：隨著當前石油行業鉆井技術的進步，液沖沖擊旋轉鉆井技術獲得廣泛應用。系統地介紹該技術的鉆進原理、核心裝置液沖射流沖擊器的工藝、技術優勢及工作參數的設定，并通過具體的應用案例詳細說明了液沖沖擊旋轉鉆井技術的效果。結果證明該技術能有效解決鉆遇軟硬交錯地層與硬地層時的井斜問題，明顯改善鉆進速度。

關鍵詞：液沖沖擊旋轉鉆井技術；液沖射流沖擊器；應用

中圖分類號：TE242文獻標志碼：A文章編號：1009-9492 （ 2022 ） S1-0013-04

The Application of Hydraulic Impact Rotary Drilling Technology in a Certain Oil Drilling

He Xueqian

（Guangzhou Dongsu Petroleum D&P Equipment Co.， Ltd.， Guangzhou 511483， China）

Abstract： With the progress of drilling technology in the current petroleum industry， fluid percussion rotary drilling technology has been widely used. The drilling principle of the technology， the process of the core device， the technical advantages and the setting of working parameters of the fluid percussion jet impactor were systematically introduced. The effect of the fluid percussion rotary drilling technology was explained in detail through specific application cases. The results show that the problem of well deviation when drilling in soft and hard interlaced formation and hard formation was effectively solved by this technology， and the drilling speed was obviously improved.

Key words： hydraulic impact rotary drilling technology； hydraulic jet impactor； application

近年來，隨著我國經濟的高速發展，對石油資源的需求日益增大，汽油、柴油、油漆、炸藥、合成纖維、合成橡膠等工業品的生產都需要石油作為原料。我國油氣資源的儲量較為豐富，但是資源分布很不均勻，且地質條件復雜，開采難度較大，油氣的產量不能完全滿足我國經濟發展的需要。液沖沖擊旋轉鉆井技術具有更加良好的性能和更高的鉆井效率，能夠有效解決傳統鉆井技術中的技術難題，極大推動了現代石油開采行業的發展。

1液沖沖擊旋轉鉆井的原理

1.1旋轉鉆進的技術原理

液沖沖擊旋轉鉆井技術是在旋轉鉆井的基礎上發展起來的以高壓水或鉆井液為動力介質的一種更為有效的鉆井技術。在鉆井過程中，沖擊器在鉆井液的帶動下，連續產生高頻沖擊力作用于鉆頭，鉆頭本身具有強大的力量，沖擊器的大沖擊力使鉆頭更堅固，使鉆頭旋轉鉆進。

與傳統鉆孔技術相比，旋轉沖孔技術主要依靠鉆頭的沖擊壓力和旋轉刮削的綜合作用來實現巖石破碎。對于脆性大、強度低的硬巖，基本上采用體積破碎代替磨碎破碎，鉆進效率高。

1.2液沖射流沖擊器

液壓沖擊器的主要部件有沖擊部分、配水部分、傳動部分和防回水部分4個部分。該裝置結構簡單，但可調性強。為了維護沖擊器的壽命，沖擊部分的部件一般要承受很大的沖擊和轉動，所以對一些沖擊部件采用噴涂，同時也可以方便地更換損壞的部件。

液沖射流沖擊器通常由控制系統、動力系統和動力傳動系統組成，如圖1所示。上、下螺紋接頭分別與鉆鋌連接，沖擊器置于鉆鋌和鉆頭之間少量。通過鉆鋌和其他鉆具，將鉆孔壓力和扭矩通過砧座和缸體傳遞給鉆頭。壓蓋上的導流孔設計，可以在不影響沖擊器正常工作的情況下，將多余的能量進行導流。

1.3影響液沖沖擊旋轉鉆井的因素

（1）最重要的因素是沖擊器的質量問題。沖擊鉆工具對巖層施加很大的力，沖擊鉆頭和軸承要求非常高。因此，如果沖擊器質量沒有通過測試，就很難保證旋轉沖擊鉆的效率。目前，沖擊器的壽命在50～80 h，遠非工程需要，只能通過提高沖擊器的質量來提高技術。

（2）鉆頭匹配問題。合金牙輪鉆頭與沖擊器匹配，在所有巖層處理中使用牙輪鉆頭可以大大提高經濟效益。

（3）適用巖層問題。沖擊器因其高破巖效果而適用于硬地層，但在軟地層中使用沖擊器會顯著降低工作效率。

鑒于設備部件的質量和強度，應選用高強度合金材料制作設備的核心部件，以保證設備的有效性。同時，裝備的整體水平也應該有所提高。通過制定有效的設備管理和維護計劃，規范設備備件的采購，提高設備的可靠性，降低零部件更換對設備可靠性的影響。其次，針對目前設備型號不規范的問題，應進一步規范不同型號設備的使用和生產，以便在實際工作中，可以根據石油鉆井環境選擇相應的施工方案，以便充分發揮該技術在石油鉆井中的作用。

2液沖沖擊旋轉鉆井的技術優勢

2.1整體性能增強

液動沖擊旋轉鉆井技術綜合性能強，與以往的石油鉆井技術相比，液壓沖擊旋轉鉆井技術比以往的石油鉆井技術具有更強的性能和更好的耐磨性。在常見的鉆進過程中，會出現巖石分布不均、外觀不規則等問題，液壓沖擊旋挖技術可以相對容易地解決這些問題。合理應用鉆進技術后，其在鉆進過程中的向下力顯著增加，使堅硬的巖石松散破碎。

隨著巖石松動并開始破碎，這種向下力會增加，逐漸破碎所有巖石。水力沖擊旋轉過程的力變小，兩側的剪切體開始對碎石進行刮削，形成一個完全的碎坑。這種液壓沖擊旋轉技術可以有效地將鉆頭的作用力施加到巖石上。因此，這種巨大的沖擊力的作用很容易破壞巖石，使石油鉆井作業變得非常容易和有效。

2.2沖擊載荷提高

液壓沖擊旋轉鉆井的沖擊力很高，靜載荷比沖擊載荷小，易于破碎各種形狀和尺寸井底的堅硬巖石。巖石開始接觸鉆頭的時候，接觸力達到最大，所有的力都作用在巖石上。此時，堅硬的巖石變得脆弱，鉆頭繼續向下運行，其軸向壓力作用在巖石上。鉆頭的硬齒長時間來回不斷地接觸巖石，在高頻沖擊的作用下可以破碎巖石。

水力沖擊旋轉鉆進技術的優勢分析表明，其工作效率和能量均高于其他鉆進技術。另外，水力沖擊旋挖技術更容易處理因巖石引起的鉆頭阻力問題，可以修復井底破碎巖石，為油藏的高效開發打下很好的基礎。

2.3鉆頭磨損降低

在石油勘探開發過程中，鉆井壓力一直是影響鉆頭壽命、鉆井效率的重要技術參數。鉆壓越高，鉆進效率越高，但鉆頭磨損越嚴重，鉆頭使用壽命越短。傳統的鉆孔技術依靠不斷增加的鉆孔壓力來破巖，鉆頭磨損很大。在水平井井底的加壓過程中，液沖沖擊鉆具可以滑動，靜摩擦力較小，有一定的保護作用。

與傳統鉆井技術相比，液壓沖擊旋挖技術最明顯的改進是鉆頭的磨損程度大大降低。液壓沖擊鉆頭依靠強大的瞬時力破巖，鉆頭無需長時間保持高壓、高負荷的工作狀態，磨損程度大大降低，延長了使用壽命。據現場工程統計，應用液沖沖擊旋轉鉆井技術后，鉆機的鉆效至少可以提高30%。同時，石鉆機的鉆效各項成本也降低了20%。

3液沖沖擊旋轉鉆井的參數設定

液動沖擊鉆井的核心裝置是液動射流沖擊器，因此沖擊器的參數選擇是應用該技術時的關鍵工作內容。沖擊器的參數主要有沖擊功率、沖擊頻率和鉆壓。

（1）沖擊功率

沖擊器的沖擊功率參數一般取決于巖石的特性。根據巖石沖擊過程的實證研究，目前的沖擊功率參數一般選擇在200～300 J之間。實踐表明，當沖擊能量在600 J以上時，破巖效果最好。但對鉆具頭部和軸承造成較大的負荷，容易降低其使用壽命。

（2）沖擊頻率

一般來說，當沖擊器的沖擊頻率設置為20 Hz時，可以保證沖擊器的最佳工作效果。

（3）鉆壓

鉆壓的參數選擇是為了保證工程的順利進行，提高鉆井的工作效率。鉆壓影響鉆具的損壞程度、鉆孔成本和鉆孔速度。綜合各方面考慮，一般情況下常規鉆井鉆壓不應超過設計鉆壓的2/3。

4液沖沖擊旋轉鉆井的應用

4.1案例概述

在西部某油田區塊，為進一步確定盆地耦合斜坡砂礫巖儲層的分布范圍，鉆了一系列定向井。A井位于地區盆脊連接構造的前端，根據區域巖性分析，該井鉆遇的地層角度大，地層可鉆性較低，地層膠結致密，使用減震器會導致跳鉆。同時井斜過大，加大鉆壓也極易導致側鉆事故需要水泥側鉆。該區塊地層特點如表1所示。

不使用該沖擊器的情況下，噴嘴的等效直徑為21.85 mm，泵壓為12.5 MPa。在使用上述型號液動射流沖擊器鉆進過程中，該沖擊器的鉆頭噴嘴的等效直徑為24.65 mm，泵壓設計為15.5 MPa，噴嘴的等效直徑和泵壓均高于設計壓降值。在鉆進的過程中明顯看出，無論是否使用液動射流沖擊器，鉆井時都有不同程度的跳鉆，但在使用該沖擊器時，泵壓呈現明顯的周期性下降趨勢。在應用液沖射流沖擊器后，鉆壓、鉆速、鉆進深度等參數的改變都在沖擊器的設計范圍內，而鉆壓基本保持在20～50 kN。但在最后一個單點傾角測量點，井的最大傾角和深度達到了3.0°和475 m。主要原因是鉆壓降低對抑制鉆柱彎曲和減小井斜有明顯的效果，但A井用？220尺寸代替？248的YSC-178液沖射流沖擊器，直徑的減小導致鉆具的強度降低，鉆壓增加帶來的側向力使沖擊器鉆進到425 m時，井斜和井深已接近設計的最大值。起鉆改用液沖射流沖擊器后，鉆速明顯加快40%～80%。表2為液動射流沖擊器的鉆井參數。

由表可以得出，沖擊器開工時機械鉆速僅提高不到4.0%。但在取出沖擊器后，使用沖擊器的井段的機械鉆速高于未使用的井段，速度提升高達90%。需要指出的是，機械鉆速不僅受鉆井參數影響，而且與地層巖性有很大的關系。無沖擊器鉆遇的鉆進段巖性主要為紫-暗紫色粉砂巖和粉砂泥巖；帶沖擊器的鉆遇段巖性主要為灰綠-綠色白云質粉砂巖和泥巖。

一般來說，在鉆井參數變化不大的情況下，鄰井巖性都不會發生太大變化。因此，通過對比表中A井鉆井數據可知，A井鉆井過程中使用YSC-178液沖射流沖擊器對機械鉆速有明顯提升效果，但因為沖擊器的尺寸較小，導致鉆進過程中的井斜增加。

4.2關鍵技術應用

油田A井的鉆進過程中，考慮到地層巖性特征，即雜色、灰色礫石細砂巖、砂礫巖等互層不等厚，其中部分井斷面礫石含量超過80%。如果采用常規的牙輪鉆頭進行鉆井作業，影響鉆進速度；使用PDC鉆頭鉆孔，復合板材容易損壞。此次利用液沖沖擊器進行鉆井作業，目前取得了良好的效果。

關鍵設計主要包括鉆井時長、鉆進深度和鉆速。設計的鉆井周期為64.5 d，實際工作的時長為41 d，提前了21.5 d完成鉆井作業；單次鉆井的鉆井深度增加；平均鉆速達到了8.45 m/h。根據此次實際應用效果，證明使用液沖沖擊器可以更好鉆穿地層。同時，由于該沖擊器的振動頻率高而振幅低，可以減少礫石對鉆頭旋轉造成的有害振動，從而保護了PDC鉆頭的同時，提高了鉆頭的鉆速。

5結束語

（1）液沖射流沖擊器作為液沖沖擊旋轉鉆井技術的核心裝置，能顯著提升機械鉆速，依靠鉆頭的沖擊壓力和旋轉刮削的綜合作用來實現巖石破碎。

（2）液沖沖擊旋轉鉆井技術優勢明顯，其整體性能更強，耐磨性也得到較大提升，鉆頭的沖擊力和承載力也得到加強，鉆頭磨損程度得到很大改善，一定程度上延長了鉆頭的使用壽命，提高了鉆速和鉆效。

（3）使用YSC-178液沖射流沖擊器在西部油田某區塊的應用實例分析，通過設計鉆井的沖擊功率、沖擊頻率和鉆壓等參數，進實踐效果均表明，沖擊旋轉鉆井技術破巖方式獨特，能有效提升鉆進速度，避免復雜硬質地層鉆進可能出現的井斜問題，延長鉆頭使用壽命，便于水平井和大位移井井底加壓的實現。但是為控制井斜，必須保證沖擊器尺寸的合理性。

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作者簡介：何學潛（1989-），男，廣州人，研究生，助理工程師，研究領域為石油鉆井技術發展及市場應用。

（編輯：刁少華）