旋沖鉆井技術(shù)在石油鉆井中的應(yīng)用

趙顯龍 杜飛虎 薛永強

中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第四鉆井工程分公司 河北 滄州 062552

油氣開發(fā)領(lǐng)域當(dāng)中，旋沖鉆井技術(shù)作為一種常見的鉆井技術(shù)，主要作用于處理石油鉆井作業(yè)時遇到的破巖效率低、鉆井工程長等問題。它和脈沖空化射流鉆井技術(shù)以及超高壓噴射鉆井技術(shù)等技術(shù)相比，此技術(shù)不僅設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，還擁有投入規(guī)模小、綜合應(yīng)用效果好的特點。同時，旋沖鉆井技術(shù)與傳統(tǒng)鉆井設(shè)備兩者之間進(jìn)行有機結(jié)合，能夠借助對鉆頭的周期性增添作用力，促進(jìn)鉆井速度及其效率得到提高[1]。但受國內(nèi)對旋沖鉆井技術(shù)的研究時間較短的影響，此技術(shù)未能在全國范圍當(dāng)中得到全面應(yīng)用。因此，對石油鉆井中旋沖鉆井技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行深入研究具有重要意義，也能夠充分地發(fā)揮出旋沖鉆井技術(shù)的實際價值。

1 旋沖鉆井技術(shù)的概述

1.1 技術(shù)原理分析

旋沖鉆井技術(shù)的工作原理主要是借助安裝在鉆頭頂部的沖擊器，在液動或者氣動等不同動力源的作用下，推動沖擊器形成較高頻率的沖擊力，而沖擊器在沖擊力的施壓之下，會傳遞給鉆頭，從而讓鉆頭在慣性的作用下，形成沖擊鉆進(jìn)的效果。在沖擊動載和壓旋轉(zhuǎn)的聯(lián)合作用下，鉆頭就能夠?qū)崿F(xiàn)對不同類型的巖石進(jìn)行擊打、破碎，而整個鉆井過程當(dāng)中，沖擊動載進(jìn)一步擴張了巖石的裂隙，形成更大面積、更大體積的破碎情況，加速了巖石的破碎速度，縮短了石油鉆井的時間[2]。旋沖鉆井技術(shù)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 旋轉(zhuǎn)沖擊技術(shù)的結(jié)構(gòu)

1.2 旋轉(zhuǎn)沖擊器

旋沖鉆井技術(shù)施工過程當(dāng)中，沖擊器是最核心的零部件，它主要由配水、沖擊、防回水、傳遞等部分組成。在實際石油鉆井作業(yè)當(dāng)中，首先鉆井液或者氣流會進(jìn)入到?jīng)_擊器當(dāng)中，經(jīng)過配水閥的處理，流經(jīng)沖錘的上端再形成分流，最后直接達(dá)到?jīng)_錘頭的水槽當(dāng)中。其次，由于流道處于被封死的狀態(tài)，鉆井液或者氣流，經(jīng)回收到堵塞，從而形成了水擊。因此當(dāng)液體的壓強達(dá)到一定值時，沖錘就會形成快速運動的現(xiàn)象；達(dá)到預(yù)設(shè)高度后，原通道自動關(guān)閉，這時下面接頭中就會流出液體，使得沖錘形成慣性連續(xù)性運動。而液壓與上閥套之間的相互作用，讓沖錘和鉆頭之間發(fā)送了相互的碰撞，并形成周而復(fù)始的運動。

2 石油鉆井中旋沖鉆井技術(shù)的應(yīng)用研究

2.1 工程概況

為了全面探究旋沖鉆井技術(shù)在石油鉆井作業(yè)過程中具體應(yīng)用情況，選擇以某省的石油鉆井項目為例，對其施工技術(shù)展開研究。為提高本項目3200m之下的鉆井速度，根據(jù)實際作業(yè)環(huán)境選擇了對應(yīng)的旋沖鉆井技術(shù)，利用旋沖鉆井設(shè)備對項目的地點進(jìn)行了鉆井作業(yè)測試，來確定本鉆井技術(shù)能夠在礦井的應(yīng)用深度地段為4000m左右。

2.2 施工前的準(zhǔn)備

（1）鉆頭確定。鉆頭在旋沖鉆井技術(shù)中扮演著關(guān)鍵角色。選擇不適當(dāng)?shù)你@頭型號會對鉆井的效率和質(zhì)量產(chǎn)生不良影響，如鉆頭過度磨損或在硬巖中的破碎效果不佳。為了確保鉆井的效率和質(zhì)量，鉆井前需要考慮地層結(jié)構(gòu)、巖性、預(yù)計鉆深、設(shè)備性能等多個因素，然后在此基礎(chǔ)選擇適合應(yīng)用于現(xiàn)場施工的鉆頭。在石油鉆井中，常用的鉆頭有聚晶金剛石（復(fù)合片）（PDC）鉆頭、固定式球齒硬質(zhì)合金鉆頭和牙輪鉆頭。聚晶金剛石復(fù)合片PDC鉆頭適用于高頻低沖擊能的沖擊器與破碎巖層的項目；固定式球齒硬質(zhì)合金鉆頭抗沖擊性能好，但切削硬巖效果一般，可與高能液動式?jīng)_擊器配合使用以提高鉆速；牙輪鉆頭則適用于中硬及以上的巖層，具有較強的承壓和抗沖擊性能。

（2）石油鉆井參數(shù)配置。在配置鉆井參數(shù)時，必須全面考慮旋沖鉆井設(shè)備的種類和型號、清排屑的需求、井身設(shè)計、工程時間和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、井壁狀態(tài)等多個因素。根據(jù)現(xiàn)場實際情況和項目需求，制定合適的旋沖鉆井技術(shù)計劃，并根據(jù)鉆臺的試驗數(shù)據(jù)和其他井的鉆井經(jīng)驗，對計劃進(jìn)行持續(xù)地優(yōu)化，這樣一來才能夠精確地計算出石油鉆井作業(yè)時的最佳的鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵壓和流量等技術(shù)參數(shù)。考慮到鉆井深度、油井壁面、井深設(shè)計、鉆具組合和排屑需求等因素，對于深度為3000m、直徑為φ310mm的油井，其流量的經(jīng)驗范圍是40 ～551s。這樣的流量會對鉆頭產(chǎn)生巨大的沖擊力。在這種沖擊下，如果使用的是牙輪鉆頭，油田公司和技術(shù)團隊必須全面評估鉆頭的承受能力和沖擊器的性能，并在沖擊器前部設(shè)置分流裝置，使部分液體在不經(jīng)過沖擊器的情況下直接從井底排出。

在實際的旋沖鉆井操作中，主要依賴鉆壓來破碎巖石。在鉆進(jìn)過程中，鉆壓可以確保切削齒與巖石之間的緊密配合，并有效傳遞沖擊負(fù)荷。但實際上，鉆壓在巖石破碎中起到的是輔助作用，不是主要的決定因素。在鉆進(jìn)中硬或以下的巖石時，隨著鉆壓的增加，鉆頭的進(jìn)度會加快。但在硬巖中，隨著鉆壓的增加，鉆頭的進(jìn)度會減慢。如果使用的沖擊器是射流型，那么在鉆進(jìn)時，必須考慮鉆進(jìn)深度、地層巖性、井口尺寸、鉆頭的承受壓力和抗壓強度等因素，并據(jù)此確定合適的鉆壓。根據(jù)過去的實踐，鉆壓應(yīng)控制在10～50kN范圍內(nèi)。在鉆進(jìn)過程中，鉆頭的進(jìn)度與其磨損程度是正相關(guān)的。前一次的沖擊所形成的破碎孔對下一次的沖擊效果沒有實質(zhì)性影響，所以必須考慮沖擊器的沖擊頻率、最佳的沖擊時間等因素，據(jù)此確定合適的鉆進(jìn)速度。通常，沖擊鉆井的速度應(yīng)控制在50～60r/min范圍內(nèi)。如果使用的是牙輪鉆頭，并且鉆進(jìn)的是硬巖，那么技術(shù)人員應(yīng)利用巖石破碎時產(chǎn)生的沖擊負(fù)荷，以降低鉆進(jìn)速度，確保井斜得到有效控制。

（3）沖擊碰撞頻率參數(shù)。在石油鉆井施工過程中，旋沖鉆井技術(shù)的沖擊頻率參數(shù)一般配置為20Hz上下，只有這樣才能夠充分確保沖擊器的沖擊效率，并使得沖擊器設(shè)備的沖擊作業(yè)效果得到提升。

2.3 具體施工技術(shù)

（1）油井井眼。首先，鉆井設(shè)備在進(jìn)入鉆井口之前，施工人員需要根據(jù)實際情況完成對應(yīng)的井眼準(zhǔn)備工作。其次，鉆井設(shè)備的鉆頭、氣動/液動沖擊器、沖擊錘等設(shè)備的運行進(jìn)行作業(yè)前的檢查，以此保證每樣設(shè)備的性能都處于最佳狀態(tài)。其次，要對井底和井眼等兩個部分的情況進(jìn)行檢查，以此確保井眼的通暢性、井底沒有落物；最后，在泥漿泵和立管兩者之間的連接位置裝配相應(yīng)的過濾網(wǎng)，然后再對錄井參數(shù)儀設(shè)備實施校準(zhǔn)處理，為后續(xù)鉆井施工作業(yè)的安全和穩(wěn)定提供保障。

（2）鉆井設(shè)備試驗。正式石油鉆井作業(yè)開始前，考慮到現(xiàn)場的環(huán)境相對復(fù)雜，且每個地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件不同、環(huán)境不同等，均與旋沖鉆井技術(shù)的工況之間存在相應(yīng)的差異。因此，為了能夠達(dá)到更好的鉆井作業(yè)效果，需要通過試驗，對旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)的每一項工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化、調(diào)整，從而選擇一個最佳的工藝參數(shù)。首先，施工人員在完成沖擊器等旋沖鉆井設(shè)備后，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)操作要求，對沖擊器進(jìn)行固定；接著，啟動旋沖鉆具，在石油鉆井項目的井口位置進(jìn)行小排量的測試試驗，并對泥漿泵設(shè)備的排量、立管壓力等設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行測量，一直到井底設(shè)計排量為止。其次，在對石油鉆井項目指標(biāo)穩(wěn)定值和測量值之間進(jìn)行對比分析，以此來判斷旋沖鉆井技術(shù)的運行情況，當(dāng)確認(rèn)一切前期工作準(zhǔn)確無誤之后，就可停止測試作業(yè)，并將接頭進(jìn)行拆除，這樣一來就完成了鉆臺的測試工作。

（3）設(shè)備下井。使用鉆井設(shè)備井進(jìn)行下開鉆作業(yè)前，需要對泥漿的性能進(jìn)行調(diào)整，以此來確保鉆井液泥漿良好性能，避免發(fā)生水眼被堵的情況出現(xiàn)。并且，在每次下鉆25～20柱需要進(jìn)行循環(huán)排量60%以內(nèi)的短循環(huán)操作一次。最后，在鉆頭下放距離和井底距離為5m時，再切換成開泵循環(huán)操作。

（4）鉆進(jìn)。在鉆井過程當(dāng)中，施工人員需要嚴(yán)格遵循防溜鉆原則，實時觀測鉆壓、泵壓以及扭矩等方面的變化情況，以此來判斷鉆頭的工況是否可以滿足石油鉆井作業(yè)的需求。接著，隨著鉆頭不斷向前鉆進(jìn)時，鉆臺設(shè)備就會顯示出泵壓參數(shù)、鉆壓參數(shù)、排量參數(shù)以及鉆速等工藝參數(shù)以及硬質(zhì)巖石巖屑的變化情況時，可以結(jié)合鉆井作業(yè)的具體情況，對產(chǎn)生的問題進(jìn)行分析，并采取相應(yīng)的優(yōu)化對策。同時，如果有必要時需要停鉆操作，并將鉆具提高6.0m以上的距離，以便有效避免鉆具、鉆頭等工具被掉入的巖屑卡住，并且，在鉆井時需要緩慢提高鉆井沖擊器的壓值和泥漿泵的排量值，一直到相關(guān)參數(shù)達(dá)到鉆井作業(yè)的需求之后，再保持穩(wěn)定前進(jìn)。

（5）起鉆操作。針對起鉆操作時，若是石油鉆井作業(yè)過程中鉆頭發(fā)生工況不佳、磨損量超標(biāo)、起鉆遇阻等情況，施工人員可以利用高壓清水對鉆頭、沖擊器等工具表面所附著的障礙物進(jìn)行清理，直到流出清水且恢復(fù)到干凈狀態(tài)，完成工具清洗。然后根據(jù)相關(guān)操作，先拆卸到固定沖擊器的絲扣，卸下沖擊器，再將鉆具設(shè)備移動到對應(yīng)問題，進(jìn)行拆機檢測，確認(rèn)沖擊器的上下連接頭、外缸、活塞、沖錘以及射流元等器件的磨損情況，再對出現(xiàn)問題的部件進(jìn)行更換處理。最后，按照相關(guān)順序完成沖擊器設(shè)備的組裝。并將設(shè)備移動到庫房進(jìn)行保存即可。

3 應(yīng)用實例分析

為了進(jìn)一步證明旋沖鉆井技術(shù)的應(yīng)用效果，以配備了液動沖擊器的旋沖鉆井技術(shù)為例，結(jié)合依南5#、金海1#以及黑英1#等三口油井，分別展開了相應(yīng)的石油鉆井試驗，以此判斷旋沖鉆井技術(shù)在實際過程中的應(yīng)用效果。對這3個油田展開具體旋沖鉆井試驗，結(jié)果見表1：

表1 旋沖鉆井技術(shù)在3個油田中的試驗效果

經(jīng)上述試驗發(fā)現(xiàn)，石油鉆井中旋沖鉆井技術(shù)的應(yīng)用，在液動沖擊器的幫助下，能夠達(dá)到可持續(xù)穩(wěn)定地鉆井效果，且每次鉆井的周期均超過了80h，具有良好的效果。

4 結(jié)束語

綜上所述，在石油鉆井項目實際應(yīng)用中，旋沖鉆井技術(shù)是一門十分重要的新型鉆井技術(shù)，它能夠在作業(yè)時，有效避免巖性改變對鉆井質(zhì)量、效率和安全等造成的不良影響。同時，該技術(shù)的應(yīng)用，還能夠進(jìn)一步提高鉆井作業(yè)的質(zhì)量、效率，縮短鉆井的時間。油氣企業(yè)需要加大對此項技術(shù)的研究力度，根據(jù)石油鉆井項目具體工況，選擇相對的鉆頭及對鉆井工藝參數(shù)進(jìn)行科學(xué)合理的配置，只有這樣才能夠最大化程度上保障石油鉆井作業(yè)的高效、高質(zhì)量地開采，提高油氣企業(yè)的經(jīng)濟效益。