液沖沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)在某石油鉆井中的應(yīng)用

摘要：隨著當(dāng)前石油行業(yè)鉆井技術(shù)的進(jìn)步，液沖沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)獲得廣泛應(yīng)用。系統(tǒng)地介紹該技術(shù)的鉆進(jìn)原理、核心裝置液沖射流沖擊器的工藝、技術(shù)優(yōu)勢及工作參數(shù)的設(shè)定，并通過具體的應(yīng)用案例詳細(xì)說明了液沖沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)的效果。結(jié)果證明該技術(shù)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(jìn)速度。

關(guān)鍵詞：液沖沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)；液沖射流沖擊器；應(yīng)用

中圖分類號：TE242文獻(xiàn)標(biāo)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(jīng)濟(jì)的高速發(fā)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(yè)品的生產(chǎn)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(zhì)條件復(fù)雜，開采難度較大，油氣的產(chǎn)量不能完全滿足我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。液沖沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)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(tǒng)鉆井技術(shù)中的技術(shù)難題，極大推動了現(xiàn)代石油開采行業(yè)的發(fā)展。

1液沖沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井的原理

1.1旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的技術(shù)原理

液沖沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)是在旋轉(zhuǎn)鉆井的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的以高壓水或鉆井液為動力介質(zhì)的一種更為有效的鉆井技術(shù)。在鉆井過程中，沖擊器在鉆井液的帶動下，連續(xù)產(chǎn)生高頻沖擊力作用于鉆頭，鉆頭本身具有強(qiáng)大的力量，沖擊器的大沖擊力使鉆頭更堅固，使鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。

與傳統(tǒng)鉆孔技術(shù)相比，旋轉(zhuǎn)沖孔技術(shù)主要依靠鉆頭的沖擊壓力和旋轉(zhuǎn)刮削的綜合作用來實現(xiàn)巖石破碎。對于脆性大、強(qiáng)度低的硬巖，基本上采用體積破碎代替磨碎破碎，鉆進(jìn)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(jié)構(gòu)簡單，但可調(diào)性強(qiáng)。為了維護(hù)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(zhuǎn)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(tǒng)、動力系統(tǒng)和動力傳動系統(tǒng)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(dǎo)流孔設(shè)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(jìn)行導(dǎo)流。

1.3影響液沖沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井的因素

（1）最重要的因素是沖擊器的質(zhì)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(zhì)量沒有通過測試，就很難保證旋轉(zhuǎn)沖擊鉆的效率。目前，沖擊器的壽命在50～80 h，遠(yuǎn)非工程需要，只能通過提高沖擊器的質(zhì)量來提高技術(shù)。

（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(jīng)濟(jì)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(shè)備部件的質(zhì)量和強(qiáng)度，應(yīng)選用高強(qiáng)度合金材料制作設(shè)備的核心部件，以保證設(shè)備的有效性。同時，裝備的整體水平也應(yīng)該有所提高。通過制定有效的設(shè)備管理和維護(hù)計劃，規(guī)范設(shè)備備件的采購，提高設(shè)備的可靠性，降低零部件更換對設(shè)備可靠性的影響。其次，針對目前設(shè)備型號不規(guī)范的問題，應(yīng)進(jìn)一步規(guī)范不同型號設(shè)備的使用和生產(chǎn)，以便在實際工作中，可以根據(jù)石油鉆井環(huán)境選擇相應(yīng)的施工方案，以便充分發(fā)揮該技術(shù)在石油鉆井中的作用。

2液沖沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井的技術(shù)優(yōu)勢

2.1整體性能增強(qiáng)

液動沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)綜合性能強(qiáng)，與以往的石油鉆井技術(shù)相比，液壓沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)比以往的石油鉆井技術(shù)具有更強(qiáng)的性能和更好的耐磨性。在常見的鉆進(jìn)過程中，會出現(xiàn)巖石分布不均、外觀不規(guī)則等問題，液壓沖擊旋挖技術(shù)可以相對容易地解決這些問題。合理應(yīng)用鉆進(jìn)技術(shù)后，其在鉆進(jìn)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(zhuǎn)過程的力變小，兩側(cè)的剪切體開始對碎石進(jìn)行刮削，形成一個完全的碎坑。這種液壓沖擊旋轉(zhuǎn)技術(shù)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(yè)變得非常容易和有效。

2.2沖擊載荷提高

液壓沖擊旋轉(zhuǎn)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(dá)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(xù)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(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)的優(yōu)勢分析表明，其工作效率和能量均高于其他鉆進(jìn)技術(shù)。另外，水力沖擊旋挖技術(shù)更容易處理因巖石引起的鉆頭阻力問題，可以修復(fù)井底破碎巖石，為油藏的高效開發(fā)打下很好的基礎(chǔ)。

2.3鉆頭磨損降低

在石油勘探開發(fā)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(shù)參數(shù)。鉆壓越高，鉆進(jìn)效率越高，但鉆頭磨損越嚴(yán)重，鉆頭使用壽命越短。傳統(tǒng)的鉆孔技術(shù)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(hù)作用。

與傳統(tǒng)鉆井技術(shù)相比，液壓沖擊旋挖技術(shù)最明顯的改進(jìn)是鉆頭的磨損程度大大降低。液壓沖擊鉆頭依靠強(qiáng)大的瞬時力破巖，鉆頭無需長時間保持高壓、高負(fù)荷的工作狀態(tài)，磨損程度大大降低，延長了使用壽命。據(jù)現(xiàn)場工程統(tǒng)計，應(yīng)用液沖沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)后，鉆機(jī)的鉆效至少可以提高30%。同時，石鉆機(jī)的鉆效各項成本也降低了20%。

3液沖沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井的參數(shù)設(shè)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(shù)選擇是應(yīng)用該技術(shù)時的關(guān)鍵工作內(nèi)容。沖擊器的參數(shù)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(shù)一般取決于巖石的特性。根據(jù)巖石沖擊過程的實證研究，目前的沖擊功率參數(shù)一般選擇在200～300 J之間。實踐表明，當(dāng)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(fù)荷，容易降低其使用壽命。

（2）沖擊頻率

一般來說，當(dāng)沖擊器的沖擊頻率設(shè)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(shù)選擇是為了保證工程的順利進(jìn)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(guī)鉆井鉆壓不應(yīng)超過設(shè)計鉆壓的2/3。

4液沖沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井的應(yīng)用

4.1案例概述

在西部某油田區(qū)塊，為進(jìn)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(qū)盆脊連接構(gòu)造的前端，根據(jù)區(qū)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(jié)致密，使用減震器會導(dǎo)致跳鉆。同時井斜過大，加大鉆壓也極易導(dǎo)致側(cè)鉆事故需要水泥側(cè)鉆。該區(qū)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(jìn)過程中，該沖擊器的鉆頭噴嘴的等效直徑為24.65 mm，泵壓設(shè)計為15.5 MPa，噴嘴的等效直徑和泵壓均高于設(shè)計壓降值。在鉆進(jìn)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(xiàn)明顯的周期性下降趨勢。在應(yīng)用液沖射流沖擊器后，鉆壓、鉆速、鉆進(jìn)深度等參數(shù)的改變都在沖擊器的設(shè)計范圍內(nèi)，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(dá)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(dǎo)致鉆具的強(qiáng)度降低，鉆壓增加帶來的側(cè)向力使沖擊器鉆進(jìn)到425 m時，井斜和井深已接近設(shè)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(shù)。

由表可以得出，沖擊器開工時機(jī)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(jī)械鉆速高于未使用的井段，速度提升高達(dá)90%。需要指出的是，機(jī)械鉆速不僅受鉆井參數(shù)影響，而且與地層巖性有很大的關(guān)系。無沖擊器鉆遇的鉆進(jìn)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(zhì)粉砂巖和泥巖。

一般來說，在鉆井參數(shù)變化不大的情況下，鄰井巖性都不會發(fā)生太大變化。因此，通過對比表中A井鉆井?dāng)?shù)據(jù)可知，A井鉆井過程中使用YSC-178液沖射流沖擊器對機(jī)械鉆速有明顯提升效果，但因為沖擊器的尺寸較小，導(dǎo)致鉆進(jìn)過程中的井斜增加。

4.2關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

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

關(guān)鍵設(shè)計主要包括鉆井時長、鉆進(jìn)深度和鉆速。設(shè)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(yè)；單次鉆井的鉆井深度增加；平均鉆速達(dá)到了8.45 m/h。根據(jù)此次實際應(yīng)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(zhuǎn)造成的有害振動，從而保護(hù)了PDC鉆頭的同時，提高了鉆頭的鉆速。

5結(jié)束語

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

（2）液沖沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)優(yōu)勢明顯，其整體性能更強(qiáng)，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(qiáng)，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(qū)塊的應(yīng)用實例分析，通過設(shè)計鉆井的沖擊功率、沖擊頻率和鉆壓等參數(shù)，進(jìn)實踐效果均表明，沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)破巖方式獨特，能有效提升鉆進(jìn)速度，避免復(fù)雜硬質(zhì)地層鉆進(jìn)可能出現(xiàn)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(xiàn)。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(xué)潛（1989-），男，廣州人，研究生，助理工程師，研究領(lǐng)域為石油鉆井技術(shù)發(fā)展及市場應(yīng)用。

（編輯：刁少華）