液動(dòng)沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)在石油鉆井中的應(yīng)用

王 東

（中原石油工程有限公司鉆井三公司，河南 濮陽 457001）

0 引言

在開發(fā)油田進(jìn)行鉆探工作時(shí)受到地質(zhì)影響極易出現(xiàn)地層較硬的問題，傳統(tǒng)鉆井技術(shù)大部分都是利用牙輪狀鉆頭將其與PDC鉆頭相互配合，來進(jìn)行油田旋轉(zhuǎn)鉆井工作。這種鉆井技術(shù)在碰到較硬的地層時(shí)，需要的鉆井時(shí)間較長(zhǎng)、成本較高，對(duì)鉆頭使用年限會(huì)產(chǎn)生影響。而液動(dòng)沖擊旋轉(zhuǎn)的油田鉆井技術(shù)可讓硬質(zhì)層難以鉆井的問題得到有效解決，遇到較硬的巖層時(shí)，這一技術(shù)可利用自身沖擊優(yōu)勢(shì)提高油田鉆井成效，降低和維護(hù)油田鉆井以及石油企業(yè)投入成本。因此，需要在建設(shè)和開發(fā)油田過程中，對(duì)這一鉆井技術(shù)進(jìn)行推廣，有效提高硬質(zhì)巖層鉆井效果。

1 液動(dòng)沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井中沖擊器工作原理和種類

1.1 沖擊器工作機(jī)理

沖擊旋轉(zhuǎn)油田鉆井技術(shù)使用的機(jī)器主要就是沖擊器，在普通油田鉆井工程中對(duì)沖擊器功能、壓力進(jìn)行額外增加，并增設(shè)在油田井底上端或者油田巖心管上端，利用油田井底內(nèi)部高壓氣體以及鉆井液在推動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)，來讓沖擊器撞擊鉆頭，，利用兩者撞擊時(shí)產(chǎn)生的沖擊力和靜壓實(shí)現(xiàn)鉆井目的，由圖1可發(fā)現(xiàn)，短期內(nèi)的沖擊力會(huì)出現(xiàn)較大幅度的變動(dòng)，沖擊力可能在幾微秒內(nèi)由原有的零上升至到幾十千牛。且經(jīng)過實(shí)踐表明沖擊器實(shí)際外載作用速度對(duì)巖石具有的力學(xué)性質(zhì)有著較大影響。

圖1 沖擊力變化情況圖

1.2 YSC-178型液動(dòng)射流沖擊器

YSC-178液動(dòng)沖擊器由控制、動(dòng)力系統(tǒng)以及功率傳達(dá)系統(tǒng)等組成，運(yùn)動(dòng)零件主要有沖錘與活塞，在運(yùn)行時(shí)活塞和沖錘會(huì)在下垂過程中產(chǎn)生功能，提高單次沖擊力，因?yàn)槠鋵儆诙嗤ǖ肋\(yùn)行，沖擊器并不會(huì)出現(xiàn)憋泵問題以及閥門關(guān)閉或者打開問題，產(chǎn)生的能量較多，壓力相對(duì)較高，不會(huì)受到圍壓、鉆井液這類因素影響。實(shí)際運(yùn)行中，會(huì)由鉆井泵輸出鉆井液，之后鉆井液經(jīng)過設(shè)備中射流的噴嘴從而產(chǎn)生附壁效果，如果附壁在右側(cè)，則會(huì)經(jīng)過右輸出道輸出，并進(jìn)入沖擊器上腔內(nèi)，幫助活塞、沖錘沖擊砧子。在右輸出道輸出鉆井液時(shí)，會(huì)為放空孔提供信號(hào)，在活塞最末端讓射流切換到左側(cè)附壁中，之后利用左側(cè)輸出道輸出鉆井液，反饋信號(hào)會(huì)迅速回到左側(cè)輸出道中，將主射流有效切換到?jīng)_擊器右側(cè)，以此來進(jìn)行重復(fù)往返，從而實(shí)現(xiàn)快速?zèng)_擊旋轉(zhuǎn)鉆井目的。

圖2 YSC-178液動(dòng)射流鉆井設(shè)備結(jié)構(gòu)

該試驗(yàn)工程中YSC-178液動(dòng)沖擊器基本參數(shù)設(shè)置如下：外徑180 mm，適用鉆井徑為215.9mm~241.3mm，工作壓降為1mPa~3mPa，沖擊功在100J~400J，鉆井液排放量為20L/s~35L/s，鉆頭為HJT637GL。

2 液動(dòng)沖擊旋轉(zhuǎn)石油鉆井技術(shù)

2.1 實(shí)際應(yīng)用

該試驗(yàn)所采用的油井屬于一口預(yù)探井，井內(nèi)含有大量CO，壓力較高，鉆井深度在3800 m左右，油井內(nèi)不可控指標(biāo)較多，鉆井中極易出現(xiàn)與預(yù)計(jì)有差異的情況，土層主要以細(xì)砂巖居多，地層并不穩(wěn)定，軟硬交錯(cuò)，地層實(shí)際抗壓強(qiáng)度為158 mPa左右，井壁存在坍塌程度較高、穩(wěn)定性差特征，可鉆性不高。選擇的液動(dòng)旋轉(zhuǎn)射流沖擊器類型為YSC-178，鉆桿直徑則為127 mm，破碎砂巖時(shí)使用的攻擊功為125J~400J。鉆井井段在3548.72m左右時(shí)，鉆井參數(shù)如下：鉆壓180kN ，排量為27 L/s，進(jìn)尺10.4 m，鉆井時(shí)間12.8 h。鉆井井段在3576m~3582m時(shí)，鉆壓180 kN，排量則為29 L/s，YSC-178 液動(dòng)射流鉆井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 YSC-178 液動(dòng)射流鉆井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

在使用YSC-178型射流沖擊器進(jìn)行鉆井時(shí)，由表中數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)鉆速在持續(xù)上升，處于正常液動(dòng)沖擊器使用范圍內(nèi)，排量參數(shù)變化情況也處于正常范圍內(nèi)。井深大于3598m，鉆壓呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，不過鉆壓雖然減少，但是對(duì)沖擊器井斜以及鉆柱彎曲程度帶來一定作用力，但是實(shí)際影響并不高，這也因?yàn)樵趯?shí)際試驗(yàn)中，使用的220mm的射流沖擊器，鉆具有較為優(yōu)異柔性。

2.2 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

因?yàn)闄C(jī)械設(shè)備中有一個(gè)沖擊力較大的沖擊器，沖擊設(shè)備在工作時(shí)通過充氣可充分擊碎硬質(zhì)巖石，針對(duì)井底中不規(guī)則、不均勻的巖石，設(shè)備能夠利用向下作用力，在巖石受到作用力而出現(xiàn)松動(dòng)之后對(duì)其進(jìn)行壓制，避免出現(xiàn)破壞，并進(jìn)一步增加力度，從而達(dá)到擊碎硬質(zhì)巖石的目的。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，YSC-178鉆井效果較為優(yōu)異，能夠一直保持在穩(wěn)定狀態(tài)下，這是因?yàn)樵趽羲閹r石之后，旋轉(zhuǎn)鉆井設(shè)備會(huì)逐漸將自身作用力縮小，并在這一狀態(tài)中發(fā)揮出兩側(cè)剪切體作用，修正、改善設(shè)備機(jī)械鉆頭周圍已經(jīng)被擊碎的各種巖石，排除和丟棄一些無用處巖石，以此來保證巖石和鉆井質(zhì)量。把開采之后的巖石規(guī)范存儲(chǔ)，可構(gòu)建一個(gè)巖石破碎坑。運(yùn)用液動(dòng)沖擊旋轉(zhuǎn)技術(shù)，在鉆頭中凝聚沖擊機(jī)械設(shè)備全部作用力，作用到擊碎巖石坑中可形成一股較大的沖擊力度，徹底擊碎坑洞中巖石，降低開采難度，提高石油鉆井工作成效。

液動(dòng)沖擊旋轉(zhuǎn)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要為沖擊力較強(qiáng)，可將不同大小巖石擊碎，維護(hù)鉆井作業(yè)以及后續(xù)石油開采作業(yè)。傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)在針對(duì)油田進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)，作用力發(fā)揮效果差，只能將一些硬度低、較小巖石擊碎，對(duì)規(guī)模大、不規(guī)則巖石塊其難以發(fā)揮作用，這一狀況會(huì)造成石油鉆井與開采工作力度降低，不能為石油企業(yè)提供充足的生產(chǎn)價(jià)值、資源。而液動(dòng)沖擊旋轉(zhuǎn)技術(shù)和沖擊設(shè)備內(nèi)部含有專業(yè)沖擊器，這一沖擊器可為鉆進(jìn)和擊碎巖石提供沖擊力，在鉆井中如果遇到堅(jiān)硬不均勻巖石層，其可利用較大的沖擊力把壓力傳送給巖石，當(dāng)巖石坍塌時(shí)，傳統(tǒng)石油鉆井設(shè)備極易出現(xiàn)損壞情況，而液動(dòng)沖擊旋轉(zhuǎn)設(shè)備在設(shè)計(jì)初期，就擁有良好負(fù)載能力，可承受一定程度巖石沖擊與破壞，降低巖石影響。

在壓力計(jì)算方面，這一技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)有所不同，其在觸碰巖石之前會(huì)有效提高實(shí)際沖擊效果，讓沖擊設(shè)備運(yùn)行中重力損失情況得到彌補(bǔ)，同時(shí)也使實(shí)際巖石沖擊效果降低，讓沖擊力度可以一直保持在科學(xué)、合理范圍之內(nèi)，避免巖石因?yàn)槌惺苓^大壓力而出現(xiàn)坍塌情況。此時(shí)，沖擊旋轉(zhuǎn)設(shè)備實(shí)際重力、壓力全部集中到?jīng)_擊鉆頭中心位置，一旦和巖石發(fā)生觸碰，即可在其承受范圍內(nèi)將其擊碎，使石油鉆井的過程更加順利。所以，在鉆井運(yùn)用中，液動(dòng)沖擊旋轉(zhuǎn)技術(shù)無論是在效率，還是在質(zhì)量等各個(gè)方面大部分優(yōu)于其他鉆井技術(shù)，有較強(qiáng)適應(yīng)性和荷載能力，不會(huì)受到礦井周圍環(huán)境限制，更能保證石油作業(yè)效果，適用于不同環(huán)境石油鉆井作業(yè)。

石油勘查、鉆井和開采本就屬于難度較高工程作業(yè)，會(huì)遇到眾多問題，鉆井作業(yè)難度以及復(fù)雜度較高。旋轉(zhuǎn)沖擊技術(shù)其憑借著優(yōu)勢(shì)與強(qiáng)大動(dòng)力在鉆井中得到高效運(yùn)用。在運(yùn)行中YSC-178旋轉(zhuǎn)鉆井設(shè)備的鉆頭中有強(qiáng)大動(dòng)力，而且隨著鉆井時(shí)間增加，鉆頭動(dòng)力也會(huì)逐漸加大，直到當(dāng)前位置巖石徹底破碎，一般不會(huì)造成較大破壞，安全性和穩(wěn)定性比其他種類技術(shù)更強(qiáng)。

2.3 YSC-178旋轉(zhuǎn)鉆井器實(shí)際應(yīng)用中注意事項(xiàng)

可根據(jù)油田中巖石硬度和特征來決定，針對(duì)不同巖石沖擊器參數(shù)有一定區(qū)別。一般情況下，在油田鉆井時(shí)，沖擊器參數(shù)需要設(shè)計(jì)需要超過200 J，最高則在300 J，不能超過這一數(shù)據(jù)，以此來實(shí)現(xiàn)最佳、最合理液動(dòng)沖擊效果，如果遇到油田地質(zhì)巖層較硬，復(fù)雜程度較高，則可適當(dāng)提升沖擊器參數(shù)，但是仍舊要保證參數(shù)不超過600 J，否則就會(huì)對(duì)沖擊器鉆頭沖擊壽命造成影響。由于部分設(shè)備在設(shè)計(jì)和制作鉆頭時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)一定缺陷問題。因此，要盡量避免沖擊設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷超出實(shí)際能夠承擔(dān)負(fù)荷，始終讓沖擊參數(shù)保持在一定范圍中，只有這樣才可提高液動(dòng)旋轉(zhuǎn)沖擊作業(yè)效益。

液動(dòng)旋轉(zhuǎn)沖擊器沖擊頻率一般設(shè)定為20 Hz左右，該沖擊頻率能夠最大化提升液動(dòng)旋轉(zhuǎn)沖擊器的沖擊能力，進(jìn)一步提升沖擊器沖擊效率。且在適當(dāng)頻率中鉆頭以及內(nèi)部液體壓力作用力也會(huì)更加有序。

沖擊器設(shè)備運(yùn)行與鉆壓參數(shù)設(shè)定有一定關(guān)聯(lián)。利用專業(yè)參數(shù)可提高鉆壓效率，對(duì)旋轉(zhuǎn)沖擊器在使用時(shí)受損程度管控也有一定影響。油田鉆壓參數(shù)通?？煽刂茷槠胀ㄣ@井的2/3，在維護(hù)的鉆壓機(jī)器基礎(chǔ)上合理完成鉆壓工作。

3 石油鉆井中YSC-178液動(dòng)射流沖擊技術(shù)運(yùn)用

3.1 YSC-178液動(dòng)沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井在致密堅(jiān)硬的巖層中鉆進(jìn)研究

在針對(duì)致密堅(jiān)硬巖石進(jìn)行鉆井時(shí)，對(duì)YSC-178鉆頭損害相對(duì)較大，為提高鉆井器在堅(jiān)硬巖石中實(shí)際鉆井成效，在研究YSC-178過程中，筆者改變了沖擊器鉆頭的結(jié)構(gòu)，合理搭配金剛石，在鉆井中取得較為顯著的成果，但是還存在局限性，金剛石鉆頭使用成本高、壽命較低。要想破碎巖石，需要沖擊力達(dá)到34 kN~58 kN，對(duì)鉆頭承載力要求較高，不利于提升鉆井效果。為保證鉆頭實(shí)際效果，對(duì)其進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際使用YSC-178射流沖擊鉆井設(shè)備時(shí)，可將單次沖擊功力設(shè)置在5J~19J，鉆頭直徑為56mm，結(jié)合這一優(yōu)勢(shì)，將其利用到石英納巖石中后，原有金剛鉆鉆井平均時(shí)效保持在1.13 m/h，而沖擊回鉆井器平均時(shí)效則高達(dá)2.26 m/h，在一些非常堅(jiān)硬地層中其速度達(dá)到1.98m/h，而普通回旋鉆速只有0.25 m/h左右。這也因?yàn)闆_擊器在工作中除了正常的進(jìn)行沖擊之外，會(huì)針對(duì)巖石進(jìn)行研磨，并利用YSC-178型射流沖擊器產(chǎn)生沖擊波破碎巖石。

3.2 液動(dòng)回旋鉆井器在水平鉆孔中的鉆進(jìn)分析

水平鉆孔時(shí)，大部分單位都會(huì)把鉆柱水平放置，不過這種方式會(huì)在一定程度上造成鉆柱旋轉(zhuǎn)阻力上升，鉆柱長(zhǎng)期處于承壓的狀態(tài)，對(duì)鉆柱實(shí)際使用能力與穩(wěn)定性會(huì)帶來影響。結(jié)合YSC-178型液動(dòng)沖擊器中具備的穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)，液流工作時(shí)不會(huì)受到其他壓力影響，保持YSC-178沖擊器的沖擊錘運(yùn)動(dòng)方向是垂直的，適當(dāng)調(diào)整沖擊力，合理提高加速時(shí)間，節(jié)約回程時(shí)間，保證水平錘擊效果。

3.3 發(fā)展展望

沖擊器等系列產(chǎn)品和類型逐漸增多且隨著使用成熟度的提高，液動(dòng)旋轉(zhuǎn)沖擊技術(shù)也在朝向多元化、多樣性工藝方向發(fā)展，石油鉆井過程中沖擊器根據(jù)其直徑、性能和工作原理來解決鉆井中遇到各類問題。此外，在石油鉆井領(lǐng)域，旋轉(zhuǎn)沖擊器在3000m 這一方向上的研究逐漸深入，大單次沖擊技術(shù)處于普及階段，沖擊器在油田礦井中應(yīng)用范圍逐漸增高，對(duì)沖擊器有關(guān)的各類仿真技術(shù)研究越來越深入創(chuàng)新程度逐漸升高，沖擊器結(jié)構(gòu)與參數(shù)得到較大程度改進(jìn)，可滿足石油深部勘查和開采需求。YSC-178類射流沖擊器還要改進(jìn)4個(gè)方面的內(nèi)容。1）全面分析沖擊器破巖原理，為設(shè)計(jì)與創(chuàng)新沖擊器提供數(shù)據(jù)支持，為未來沖擊器的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。2）在沖擊器設(shè)計(jì)中，構(gòu)建物理沖擊器試驗(yàn)?zāi)Ｐ停迷囼?yàn)進(jìn)行理論分析，以此來改善沖擊器沖擊參數(shù)設(shè)定和功率，提高沖擊效果。3）通過深入探究液動(dòng)沖擊器原理，制定出與石油施工標(biāo)準(zhǔn)相符合的沖擊器施工工藝。4）加大沖擊器性能和材料研究力度，努力延長(zhǎng)沖擊器使用壽命，加快鉆速。

4 結(jié)語

綜上所述，石油這一資源對(duì)我國發(fā)展和改善人們生活質(zhì)量有極大價(jià)值，但是石油屬于不可再生、非常有限的資源，大部分石油資源所處的地質(zhì)巖層都較硬，很難落實(shí)石油開采項(xiàng)目，所以我國石油開采見效慢，開采率低。在開采和鉆井過程中，地質(zhì)層經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則、軟硬交替的情況，對(duì)鉆井與開采進(jìn)程都有一定影響，需要推廣和運(yùn)用液動(dòng)旋轉(zhuǎn)沖擊技術(shù)來進(jìn)行石油鉆井作業(yè)，利用水力或者高壓油來形成沖擊力沖擊巖層，讓巖層可以順利破損。目前，旋轉(zhuǎn)沖擊技術(shù)已經(jīng)基本上可以滿足鉆井需求，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和時(shí)間推移，石油鉆井工程對(duì)鉆井成效要求也會(huì)提高，為保證液動(dòng)沖擊技術(shù)能夠持續(xù)發(fā)展，需要進(jìn)行深入研究、改進(jìn)和創(chuàng)新。