冲击回转钻进在石油钻井中的应用探讨

李宁波 马寅 郭浩冉

摘要：在经济及社会繁荣发展的进程中，我国工业的水平也不断地提升，工业发展的过程中，对石油的需求量是非常大的，由此一来，推动了石油钻井工程的发展。石油钻井工程中应用了冲击回转钻进技术，显著的提升了钻井的效率和质量，因此在石油钻井中得到了广泛的应用。本文在介绍冲击回转钻进概念的基础上，阐述了石油钻井中冲击回钻进的应用。

关键词：冲击回转钻进;石油钻井;应用

1.冲击回转钻进

冲击回转钻进主要指通过对专门冲击器以及钻机回转器的利用，使得钻头得以驱动，并对孔底岩石进行破碎的一种钻进方式。从特点上看，冲击回转钻进特点主要有：

1）钻进开展的效率较高，尤其对于岩石较坚硬的来说，其所展现的钻进效果更加显著。相比较回转钻进，其钻进效率要高于几十倍。2）钻头使用寿命较长。在工作过程中，钻头所承受的磨损性得到降低，进而对钻头寿命进行延长。3）钻孔偏斜等问题得到改善，使得钻孔质量得到提升。冲击回转钻进有两种：液动冲击器、气动冲击器。液动冲击器从十九世纪六十年代研发，在随后发展时期内，液动冲击器种类得到增加，并在石油钻井中得到广泛使用。气动冲击器从上世纪开始研究，研制成功后，也在实际生产中得到较为广泛的应用。在之后的发展中，气动回转钻进在理论以及技术上都得到相当快速的发展。

2.冲击回转钻进的发展现状

冲击回转钻进技术目前在石油钻井中已应用，在加拿大油田钻井中所达到的钻进速度及钻头进尺比纯旋转钻进提高数倍，在西德克萨斯，用冲击器同三牙轮钻头纯旋转钻进在坚硬的石英岩层钻进比较提高钻速1倍，贝壳公司在加拿大用冲击回转钻进方法在花岗岩中钻进与纯旋转钻井相比，机械钻速提高了200%。在国内，一些单位也正在积极研究适应恶劣的井下条件下的石油钻井冲击器。已研究应用的结果表明，采用冲击回转钻进技术，进行石油钻井可大大提高钻井效率，降低钻井成本。如我国某油田采用冲击回转钻进技术在8口井试验，机械钻速提高了30%左右，地矿部石油钻并研究所已在这方面进行了大量工作。我国最早自行设计了石油钻井用的液力冲击器并获得专利，试验表明，机械钻速在硬地层提高30%，在软地层提高21%。近几年的实践进一步证明了冲击回转钻井技术应用于石油钻井的可行、可靠性。

3.冲击回转钻进的应用

3.1提高钻进速度

在钻头上接冲击器，使钻头增加周期性冲击载荷，岩石破碎力学表明岩石的动硬度要比静硬度低很多，冲击载荷下比载荷大于岩石的静压入强度。冲击载荷明显特征是作用时间短，岩石中的接触应力瞬间可达最大值，岩石不易产生塑性变形，表现为脆性增加。不断地对岩石施加冲击载荷，迫使岩石内部分子产生振荡，激起综合应力，加速对岩石产生应力集中，瞬时作用的载荷和应力集中特性，使岩石裂隙扩张，岩石破碎效果增加，提高钻进速度.

3.2降低钻进成本

在普通钻进法中，破碎岩石主要靠钻压，钻压在很大程度上影响钻头轴承寿命和牙轮寿命，轴承寿命与钻压的立方成反比，在硬地层加大钻压导致缩短钻头寿命。冲击旋转钻进，钻压是次要的，只起到钻头压持作用，钻头仍受冲击，但冲击频率很高，冲程很短，这种冲击和跳钻是根本不同的，跳钻是整个钻柱跳动，钻头承受整个钻柱重量冲击，且单次作用时间长。轻钻压加短暂的锤击作用与大钻压低频率冲击破碎作用，实践已经证明，前者钻头磨损较慢，钻头寿命增加，破碎效率高。

3.3提高井身质且，减少钻具损坏

在深井或硬地层，普通钻进法加大钻压，或提高转盘转数，这种方法将导致钻头寿命缩短，而且容易产生井斜。转盘的转数受着钻压限制，岩石变形受到抑制，达不到岩石完全破碎的效果，若想达到较好的破碎效果，就必须增大比载荷，而比载荷又受到钻头允许钻压限制，在深井硬地层井段不得不轻压慢转，机械钻速不高。冲击回转钻进工艺，可以解决比载荷不足和与岩石接触时间短的矛盾，可以使用低钻压获得较好的钻速，低钻压减少钻柱多次弯曲，避免大钻压产生的井斜和钻住磨损及疲劳损坏。

3.4消除岩屑压持效应，改善喷射钻进效果

冲击器在结构上可以将现在的连续射流经过一定的调节、聚能，把能量集中起来使用，使現在的连续射流变成高压脉冲射流，形成脉冲高速运动水团，这种水力动能产生很大的冲击载荷，冲击力和水马力增加很多，射流动压力也将大大提高，比相同条件下连续射流的动能大许多倍，高压脉冲运动的水团反复的、突发的冲击岩石垫层和底层，使井底干净，提高钻进效率。

3.5现代石油钻井设备和钻具可以满足冲击旋转钻进工艺要求

石油钻井较深，钻具长，钻柱的内径与井壁比值较大，长钻具有储能缓冲作用，水击压力对地面设备影响极微，钻具的杭内压强度和工具接头牢靠的密封。石油钻井泥浆泵有较大的功率，不存在泵功率不足的问题，完全可以满足冲击回转钻井的要求。试验证明，水击压力不致于对钻具产生破坏作用，没有发现钻具和设备损坏现象。

4.结语

通过冲击回转钻进的应用，石油钻井所具备的钻井速度显著的提升，而且钻井效率、质量等也得到了显著的增强，促进了石油钻井的快速发展。现今，冲击回转钻进还发展的不完善，我国还需要加大研究的力度，促进此种方法在石油钻井中的进一步应用，并拓宽其应用范围。

参考文献：

[1] 唐大勇.冲击-回转钻进在复杂岩层中的应用[J].煤矿机械，2016，（06）：201-202.

[2] 赵立新，潘峰. 冲击回转钻进工艺在易斜地层中的应用[J].西部探矿工程，2018，（05）：72-74.

[3] 李彦明.冲击-回转钻进工艺在超硬岩层中的应用[J].煤矿机械，2017，（03）：210-212.