旋沖鉆井技術在石油鉆井中的應用

張冠杰

［中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459］

為了提高石油資源開采效率，需要從鉆井技術層面入手，加快鉆井技術的研發(fā)速度，使鉆井技術可以適應各種地質(zhì)條件，從而實現(xiàn)提升我國鉆井技術應用水平的目的。在石油資源開采過程中，鉆井是其中十分重要工序，針對我國地質(zhì)結構復雜的特點，開采企業(yè)要根據(jù)開采需求有針對性地選擇鉆井技術，而旋沖鉆井技術的出現(xiàn)，可以有效地改善傳統(tǒng)鉆井技術的弊端，提升鉆井效率。因此，加快旋沖鉆井技術的研發(fā)速度，對提升我國石油開采效率可起到重要作用。

1 當前石油資源開采作業(yè)中存在的問題

石油資源開采周期長、作業(yè)環(huán)節(jié)多，所以隨著開采時間的不斷推移，相關問題也會接連出現(xiàn)。為了提升石油資源開采質(zhì)量，開采企業(yè)應重視作業(yè)過程中出現(xiàn)的種種問題，并逐一予以解決，方可進一步提升開采效率。一般來說，采油、測井、鉆井以及運輸是石油開采工作中重要的四個階段。在上述四個階段中，開采企業(yè)應加強管理力度，每個階段都要指派專業(yè)人員負責，防止某個階段出現(xiàn)問題。在開采作業(yè)時，如果測井資料不夠準確，將會對后續(xù)開采作業(yè)造成影響，一旦測井誤差比較大，甚至會提升鉆井工作的風險等級。此外，在鉆井工作中，污染問題會貫穿鉆井作業(yè)始終，同時也會影響鉆井效率。鉆井工作是提升石油資源開采質(zhì)量的重要基礎，如果鉆井質(zhì)量不達標，即便是后續(xù)工作均妥善完成，同樣也會影響最終的石油開采質(zhì)量，引發(fā)出水、出砂事故。在油氣資源輸送階段，輸送前要做好分類、計量與儲藏工作，防止石油資源泄漏，影響周邊安全。在開采石油資源時，每個環(huán)節(jié)都要制定相關工作預案，及時處理可能出現(xiàn)的問題，做好安全監(jiān)管工作，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患并予以消除，提升石油開采全過程的安全性，降低事故發(fā)生概率。研究表明，部分石油開采企業(yè)忽視安全管理工作，對安全監(jiān)管工作漠不關心，導致開采過程中頻繁出現(xiàn)安全事故，嚴重威脅作業(yè)人員生命安全，阻礙我國石油資源開采事業(yè)發(fā)展。

2 旋沖鉆井的原理和特點

隨著鉆井技術的不斷成熟，傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)鉆井技術已經(jīng)無法滿足開采要求，為了解決傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)鉆井技術存在的問題，旋沖鉆井技術得以在市場中應運而生。與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)鉆井技術相比，旋沖鉆井技術可利用沖擊器加快鉆井作業(yè)速度，有助于提升鉆井效率。以實際鉆井工作為例，鉆井人員可在井底安裝沖擊器，利用動力裝置驅(qū)動沖擊器工作，并且也可將沖擊器安裝在巖芯管上端，有助于提升鉆井效率。在鉆井時，作業(yè)人員可通過使用鉆井液、高壓氣體等作為力傳遞的媒介，確保沖擊器可以反復進行沖撞運動。隨著鉆頭撞擊頻率的增加，在沖擊載荷的作用下，巖石會被鉆頭的靜壓旋轉(zhuǎn)作用擊碎。即便巖石的硬度比較大，在旋沖鉆井技術的作用下巖石外表層會出現(xiàn)裂痕，隨著沖擊力的進一步作用，裂縫程度會逐漸增加，從而呈現(xiàn)出破碎狀態(tài)。

旋沖鉆井技術的應用特點可總結為以下幾點：①在鉆進過程中，由于沖擊力與回旋刮削的共同作用，鉆頭可以將堅硬的巖石瞬間擊碎。②在旋沖鉆井技術的幫助下，即便巖石體積比較大、硬度比較硬，均可快速有效地擊碎，降低了鉆進難度。③與傳統(tǒng)鉆井技術相比，旋沖鉆井技術的沖擊頻率更高，利用高頻沖擊將巖石擊碎，提升了擊碎巖石的效率。④為了加快鉆井效率，利用旋沖鉆井技術可以大幅度縮短擊碎巖石的時間，由于是利用高頻沖擊作用，鉆頭可以得到更好的保護，提升了鉆頭的工作年限。⑤為了提高鉆速與鉆壓，可提前分析鉆柱結構的受力情況，根據(jù)分析結果選擇合適旋沖作用力，加快鉆井 速度。

3 沖擊器的工作原理

在應用旋沖鉆井技術時，沖擊器是其中不可或缺的組成部分。與其他器械相比，沖擊器包含了許多精密的元器件，所以使得其結構十分復雜。沖擊器有多種功能，例如沖擊、配水等。在沖擊器結構中，不同元器件的功能也存在差異，在沖擊器工作期間，不同元器件需要緊密配合，方可將沖擊器的作用發(fā)揮出來，提升旋沖鉆井技術的應用效果。在沖擊器工作時，為了使動能與勢能之間的轉(zhuǎn)換更有效率，需要在沖擊器中添加配水功能，保證鉆井工作可以有序進行。為了實現(xiàn)配水功能，需要將接頭、配水閥等部件安裝在沖擊器結構中。另外，為了防止出現(xiàn)回水問題，需要將回水部件安裝到?jīng)_擊器上，并且可以使動能更有效地轉(zhuǎn)換為沖錘動能，提升鉆井效果。在應用旋沖鉆井技術時，為了給沖擊器營造良好工作環(huán)境，需要在扭矩傳遞元器件的幫助下，將扭矩傳輸給沖擊器，從而增加沖錘的沖擊荷載，確保鉆柱作業(yè)可以高質(zhì)量進行。在使用沖擊器時，沖擊器會對井下氣流與液流進行分析，隨后根據(jù)分析結果開啟配水閥，確保液流、氣流可以在沖擊器上部分離開來，使沖擊頭水槽結構進入足量的氣流與液流。在沖擊器工作期間，如果液體回流不及時，將會導致大量液流、氣流堵塞在沖擊器結構中。隨著沖擊器不斷工作，在液體強大壓力的作用下，沖錘的工作速度也會明顯提升，當沖錘的工作速度達到額定工作狀態(tài)后，配水閥會自動關閉，液流快速下行，在液體壓強、上閥套與鉆頭三者不斷反復作用下，沖擊器可以實現(xiàn)反復且持續(xù)性的工作。

4 氣動旋沖鉆井技術

4.1 氣動沖擊器分類

氣動沖擊器根據(jù)配氣方式不同，可以分為兩個大類，即：有閥式氣動沖擊器與無閥式氣動沖擊器。有閥式氣動沖擊器，其結構中的活塞是由壓縮空氣驅(qū)動，在閥片的作用下控制壓縮空氣的進氣量。無閥式氣動沖擊器中設置有潛孔錘，配氣系統(tǒng)布設在活塞與缸體側(cè)壁上，由配氣系統(tǒng)控制活塞實現(xiàn)反復工作。經(jīng)過科研人員的努力，具有獨特空氣傳輸槽、底閥等結構的空氣錘結構應運而生，其將空氣通道設置在沖擊器結構中，與其他元器件協(xié)同工作，確?？諝忮N可以實現(xiàn)上下、交替工作。

4.2 氣動沖擊器主要特點

氣動沖擊器工作特點可以概括為：①氣柱壓力小，并且由于介質(zhì)密度低，增加了巖石破碎概率。②在氣動沖擊器工作時，由于返回風速比較快，巖屑可以快速清理干凈，降低巖屑反復破碎概率，提升鉆井速度。③氣動沖擊器在工作時，僅用空氣便可實現(xiàn)沖擊器的反復運動，操作更加簡單、經(jīng)濟。

5 液動旋沖鉆井技術

5.1 液動沖擊器分類

根據(jù)驅(qū)動介質(zhì)不同，液動沖擊器可以分為兩個類別，即水力沖擊器與高壓油沖擊器。在石油鉆井工作中，水力沖擊器較為常見，其根據(jù)作用方式不同，可以分為閥式正作用、閥式雙作用、閥式反作用3種形式。圖1為射流式結構圖，圖2為閥式液動旋沖器結構圖。

圖1 射流式?jīng)_擊器結構

圖2 閥式液動沖擊器結構

5.2 液動沖擊器主要特點

液動沖擊器的工作特點可以概述為：①液動沖擊器的能量轉(zhuǎn)化率更高，使用更加經(jīng)濟。②液動沖擊器的操作更加便捷，節(jié)能人工成本。③鉆井液是驅(qū)動液動沖擊器工作的主要介質(zhì)，攜巖能力優(yōu)于氣動沖擊器。④在石油鉆井領域，液動旋沖鉆井技術的適用性更好。

6 旋沖鉆井技術在石油鉆井中的應用路徑

6.1 常見類型

6.1.1 氣動

在應用氣動旋沖鉆井技術時，沖擊器需要搭配氣動動力源。根據(jù)閥門類型不同，氣動沖擊器可分為有閥類和無閥類兩種類型。對于上述兩種沖擊器，主要區(qū)別是沖擊器是否配備有調(diào)氣閥片。在氣動沖擊器的作用下，其可以用旋轉(zhuǎn)的方式對巖石進行沖擊，并且?guī)r屑不會出現(xiàn)反復破碎，沖擊效果與鉆井效率可以得到顯著提升。

6.1.2 液動

液動沖擊鉆井技術的動力源為液體，在深地層且?guī)r石硬度較硬時，開采企業(yè)可選用液動旋沖技術完成鉆井作業(yè)。在選用液動旋沖鉆井技術時，可根據(jù)工況要求選用高壓油、水力兩種技術類型。在鉆井過程中，水力沖擊器的驅(qū)動介質(zhì)主要為水，介質(zhì)來源廣泛，并且能耗更低，攜巖能力出眾，所以水力沖擊器的使用成本比較低，成了石油鉆井作業(yè)普遍使用的沖擊器類型。

對于水利沖擊器而言，其有三種類別：吸射類、 射流類以及閥式液力沖擊器。以閥式液動沖擊器為例，在鉆井工程中，閥式液動沖擊器的運動構件有限，即便是比較惡劣的鉆井工況，均不會對閥式液動沖擊器的工作產(chǎn)生影響。因此，為了確保巖體的破碎程度符合鉆井要求，可根據(jù)實際井深參數(shù)選用合適的閥式液動沖擊器。隨著沖擊器制作工藝的不斷進步，沖擊器經(jīng)歷了直徑從小逐步增大的過程，在創(chuàng)新驅(qū)動力作用下，液動沖擊器的產(chǎn)品類型不斷豐富，從而適應各種鉆井工況要求。在鉆井過程中，液動旋沖鉆井技術的應用，可以將井下地層中堅硬的巖石擊碎。隨著我國鉆井工程的不斷增加，為了提升我國鉆井工程的經(jīng)濟效益，加大3km井段的鉆探規(guī)模，需要從技術研發(fā)角度入手，不斷提升液動沖擊器工作的可靠性，延長沖擊器工作年限，使開采深度逐步增加。

與此同時，為了提升鉆井效率，需要不斷提升旋沖鉆井鉆頭的科技含量，使沖擊器可以適應更多工況，無論是定向井還是直井，均可使用沖擊器完成鉆井工作。最后，積極引入計算機技術，利用計算機對沖擊器的工作參數(shù)進行分析，找出沖擊器運行規(guī)律，及時調(diào)節(jié)沖擊器工作狀態(tài)，實現(xiàn)提升沖擊器工作效率的 目的。

6.2 旋沖鉆井技術的應用思路

在開采石油資源過程中，為了提高鉆井速度，旋沖鉆井技術的應用要引起開采企業(yè)關注。當前，旋沖鉆井技術主要以液動方式為主，原因是氣源供給存在難度，使得氣動旋沖鉆井技術在油田開采工作中存在一定使用難度。但是，無論選用何種鉆井技術，均需要不斷優(yōu)化沖擊器工作性能，提升沖擊器對各種工況條件的適應能力。因此，在設計沖擊器時，要以多工況適應條件為基礎，增加沖擊器的產(chǎn)品種類，確保硬巖鉆井問題可以得到有效解決。另外，做好科研工作，無疑是提升旋沖鉆井技術的關鍵。因此，開采企業(yè)應投入更多資金研究旋沖鉆井技術，不斷增加沖擊器的沖擊功，延長沖擊器的工作年限，確保沖擊器可以可靠工作。除了做好科研工作外，開采企業(yè)還應拓展旋沖鉆井技術的應用領域，例如，在大位移井、定向井中應用旋沖鉆井技術，積極優(yōu)化改進沖擊結構參數(shù)，確保深部勘探工作可以順利開展。以DGSC型液動射流沖擊器為例，雙穩(wěn)射流元件是其控制結構中主要構件，由于雙穩(wěn)射流元件具有良好的切換性與附壁性，所以沖擊器中的流體進入方式更加可控，確保活塞可以反復有規(guī)律的工作。與其他沖擊器相比，DGSC型液動射流沖擊器的元器件數(shù)量少，結構簡單，所以沖擊器在工作時不會過多地磨損，提升了沖擊器的工作年限，并且可在深井環(huán)境下工作，如果與硬質(zhì)合金鉆頭搭配，其可大幅度提升大體積巖石的擊碎效果。

7 結語

隨著我國石油資源消耗的不斷加劇，為了提升石油資源的開采效率，需要從旋沖鉆井技術入手，加大旋沖鉆井技術的研究力度，投入更多資金優(yōu)化旋沖鉆井技術工藝，增強旋沖鉆井技術擊碎堅硬巖石的效果，提升整個旋沖鉆井技術應用的穩(wěn)定性與可靠性，解決實際鉆井工作中存在的問題，對提升石油鉆井工作效率與速度具有重要意義。