液动冲击旋转钻井技术在石油钻井中的应用

王 东

（中原石油工程有限公司钻井三公司，河南 濮阳 457001）

0 引言

在开发油田进行钻探工作时受到地质影响极易出现地层较硬的问题，传统钻井技术大部分都是利用牙轮状钻头将其与PDC钻头相互配合，来进行油田旋转钻井工作。这种钻井技术在碰到较硬的地层时，需要的钻井时间较长、成本较高，对钻头使用年限会产生影响。而液动冲击旋转的油田钻井技术可让硬质层难以钻井的问题得到有效解决，遇到较硬的岩层时，这一技术可利用自身冲击优势提高油田钻井成效，降低和维护油田钻井以及石油企业投入成本。因此，需要在建设和开发油田过程中，对这一钻井技术进行推广，有效提高硬质岩层钻井效果。

1 液动冲击旋转钻井中冲击器工作原理和种类

1.1 冲击器工作机理

冲击旋转油田钻井技术使用的机器主要就是冲击器，在普通油田钻井工程中对冲击器功能、压力进行额外增加，并增设在油田井底上端或者油田岩心管上端，利用油田井底内部高压气体以及钻井液在推动时所产生的运动，来让冲击器撞击钻头，，利用两者撞击时产生的冲击力和静压实现钻井目的，由图1可发现，短期内的冲击力会出现较大幅度的变动，冲击力可能在几微秒内由原有的零上升至到几十千牛。且经过实践表明冲击器实际外载作用速度对岩石具有的力学性质有着较大影响。

图1 冲击力变化情况图

1.2 YSC-178型液动射流冲击器

YSC-178液动冲击器由控制、动力系统以及功率传达系统等组成，运动零件主要有冲锤与活塞，在运行时活塞和冲锤会在下垂过程中产生功能，提高单次冲击力，因为其属于多通道运行，冲击器并不会出现憋泵问题以及阀门关闭或者打开问题，产生的能量较多，压力相对较高，不会受到围压、钻井液这类因素影响。实际运行中，会由钻井泵输出钻井液，之后钻井液经过设备中射流的喷嘴从而产生附壁效果，如果附壁在右侧，则会经过右输出道输出，并进入冲击器上腔内，帮助活塞、冲锤冲击砧子。在右输出道输出钻井液时，会为放空孔提供信号，在活塞最末端让射流切换到左侧附壁中，之后利用左侧输出道输出钻井液，反馈信号会迅速回到左侧输出道中，将主射流有效切换到冲击器右侧，以此来进行重复往返，从而实现快速冲击旋转钻井目的。

图2 YSC-178液动射流钻井设备结构

该试验工程中YSC-178液动冲击器基本参数设置如下：外径180 mm，适用钻井径为215.9mm~241.3mm，工作压降为1mPa~3mPa，冲击功在100J~400J，钻井液排放量为20L/s~35L/s，钻头为HJT637GL。

2 液动冲击旋转石油钻井技术

2.1 实际应用

该试验所采用的油井属于一口预探井，井内含有大量CO，压力较高，钻井深度在3800 m左右，油井内不可控指标较多，钻井中极易出现与预计有差异的情况，土层主要以细砂岩居多，地层并不稳定，软硬交错，地层实际抗压强度为158 mPa左右，井壁存在坍塌程度较高、稳定性差特征，可钻性不高。选择的液动旋转射流冲击器类型为YSC-178，钻杆直径则为127 mm，破碎砂岩时使用的攻击功为125J~400J。钻井井段在3548.72m左右时，钻井参数如下：钻压180kN ，排量为27 L/s，进尺10.4 m，钻井时间12.8 h。钻井井段在3576m~3582m时，钻压180 kN，排量则为29 L/s，YSC-178 液动射流钻井数据统计见表1。

表1 YSC-178 液动射流钻井数据统计

在使用YSC-178型射流冲击器进行钻井时，由表中数据可发现钻速在持续上升，处于正常液动冲击器使用范围内，排量参数变化情况也处于正常范围内。井深大于3598m，钻压呈现明显下降趋势，不过钻压虽然减少，但是对冲击器井斜以及钻柱弯曲程度带来一定作用力，但是实际影响并不高，这也因为在实际试验中，使用的220mm的射流冲击器，钻具有较为优异柔性。

2.2 应用优势

因为机械设备中有一个冲击力较大的冲击器，冲击设备在工作时通过充气可充分击碎硬质岩石，针对井底中不规则、不均匀的岩石，设备能够利用向下作用力，在岩石受到作用力而出现松动之后对其进行压制，避免出现破坏，并进一步增加力度，从而达到击碎硬质岩石的目的。由试验数据可发现，YSC-178钻井效果较为优异，能够一直保持在稳定状态下，这是因为在击碎岩石之后，旋转钻井设备会逐渐将自身作用力缩小，并在这一状态中发挥出两侧剪切体作用，修正、改善设备机械钻头周围已经被击碎的各种岩石，排除和丢弃一些无用处岩石，以此来保证岩石和钻井质量。把开采之后的岩石规范存储，可构建一个岩石破碎坑。运用液动冲击旋转技术，在钻头中凝聚冲击机械设备全部作用力，作用到击碎岩石坑中可形成一股较大的冲击力度，彻底击碎坑洞中岩石，降低开采难度，提高石油钻井工作成效。

液动冲击旋转技术的优势主要为冲击力较强，可将不同大小岩石击碎，维护钻井作业以及后续石油开采作业。传统旋转钻进技术在针对油田进行钻进作业时，作用力发挥效果差，只能将一些硬度低、较小岩石击碎，对规模大、不规则岩石块其难以发挥作用，这一状况会造成石油钻井与开采工作力度降低，不能为石油企业提供充足的生产价值、资源。而液动冲击旋转技术和冲击设备内部含有专业冲击器，这一冲击器可为钻进和击碎岩石提供冲击力，在钻井中如果遇到坚硬不均匀岩石层，其可利用较大的冲击力把压力传送给岩石，当岩石坍塌时，传统石油钻井设备极易出现损坏情况，而液动冲击旋转设备在设计初期，就拥有良好负载能力，可承受一定程度岩石冲击与破坏，降低岩石影响。

在压力计算方面，这一技术与传统技术有所不同，其在触碰岩石之前会有效提高实际冲击效果，让冲击设备运行中重力损失情况得到弥补，同时也使实际岩石冲击效果降低，让冲击力度可以一直保持在科学、合理范围之内，避免岩石因为承受过大压力而出现坍塌情况。此时，冲击旋转设备实际重力、压力全部集中到冲击钻头中心位置，一旦和岩石发生触碰，即可在其承受范围内将其击碎，使石油钻井的过程更加顺利。所以，在钻井运用中，液动冲击旋转技术无论是在效率，还是在质量等各个方面大部分优于其他钻井技术，有较强适应性和荷载能力，不会受到矿井周围环境限制，更能保证石油作业效果，适用于不同环境石油钻井作业。

石油勘查、钻井和开采本就属于难度较高工程作业，会遇到众多问题，钻井作业难度以及复杂度较高。旋转冲击技术其凭借着优势与强大动力在钻井中得到高效运用。在运行中YSC-178旋转钻井设备的钻头中有强大动力，而且随着钻井时间增加，钻头动力也会逐渐加大，直到当前位置岩石彻底破碎，一般不会造成较大破坏，安全性和稳定性比其他种类技术更强。

2.3 YSC-178旋转钻井器实际应用中注意事项

可根据油田中岩石硬度和特征来决定，针对不同岩石冲击器参数有一定区别。一般情况下，在油田钻井时，冲击器参数需要设计需要超过200 J，最高则在300 J，不能超过这一数据，以此来实现最佳、最合理液动冲击效果，如果遇到油田地质岩层较硬，复杂程度较高，则可适当提升冲击器参数，但是仍旧要保证参数不超过600 J，否则就会对冲击器钻头冲击寿命造成影响。由于部分设备在设计和制作钻头时可能会出现一定缺陷问题。因此，要尽量避免冲击设备运行负荷超出实际能够承担负荷，始终让冲击参数保持在一定范围中，只有这样才可提高液动旋转冲击作业效益。

液动旋转冲击器冲击频率一般设定为20 Hz左右，该冲击频率能够最大化提升液动旋转冲击器的冲击能力，进一步提升冲击器冲击效率。且在适当频率中钻头以及内部液体压力作用力也会更加有序。

冲击器设备运行与钻压参数设定有一定关联。利用专业参数可提高钻压效率，对旋转冲击器在使用时受损程度管控也有一定影响。油田钻压参数通常可控制为普通钻井的2/3，在维护的钻压机器基础上合理完成钻压工作。

3 石油钻井中YSC-178液动射流冲击技术运用

3.1 YSC-178液动冲击旋转钻井在致密坚硬的岩层中钻进研究

在针对致密坚硬岩石进行钻井时，对YSC-178钻头损害相对较大，为提高钻井器在坚硬岩石中实际钻井成效，在研究YSC-178过程中，笔者改变了冲击器钻头的结构，合理搭配金刚石，在钻井中取得较为显著的成果，但是还存在局限性，金刚石钻头使用成本高、寿命较低。要想破碎岩石，需要冲击力达到34 kN~58 kN，对钻头承载力要求较高，不利于提升钻井效果。为保证钻头实际效果，对其进行研究发现，在实际使用YSC-178射流冲击钻井设备时，可将单次冲击功力设置在5J~19J，钻头直径为56mm，结合这一优势，将其利用到石英纳岩石中后，原有金刚钻钻井平均时效保持在1.13 m/h，而冲击回钻井器平均时效则高达2.26 m/h，在一些非常坚硬地层中其速度达到1.98m/h，而普通回旋钻速只有0.25 m/h左右。这也因为冲击器在工作中除了正常的进行冲击之外，会针对岩石进行研磨，并利用YSC-178型射流冲击器产生冲击波破碎岩石。

3.2 液动回旋钻井器在水平钻孔中的钻进分析

水平钻孔时，大部分单位都会把钻柱水平放置，不过这种方式会在一定程度上造成钻柱旋转阻力上升，钻柱长期处于承压的状态，对钻柱实际使用能力与稳定性会带来影响。结合YSC-178型液动冲击器中具备的稳定性优势，液流工作时不会受到其他压力影响，保持YSC-178冲击器的冲击锤运动方向是垂直的，适当调整冲击力，合理提高加速时间，节约回程时间，保证水平锤击效果。

3.3 发展展望

冲击器等系列产品和类型逐渐增多且随着使用成熟度的提高，液动旋转冲击技术也在朝向多元化、多样性工艺方向发展，石油钻井过程中冲击器根据其直径、性能和工作原理来解决钻井中遇到各类问题。此外，在石油钻井领域，旋转冲击器在3000m 这一方向上的研究逐渐深入，大单次冲击技术处于普及阶段，冲击器在油田矿井中应用范围逐渐增高，对冲击器有关的各类仿真技术研究越来越深入创新程度逐渐升高，冲击器结构与参数得到较大程度改进，可满足石油深部勘查和开采需求。YSC-178类射流冲击器还要改进4个方面的内容。1）全面分析冲击器破岩原理，为设计与创新冲击器提供数据支持，为未来冲击器的设计奠定基础。2）在冲击器设计中，构建物理冲击器试验模型，利用试验进行理论分析，以此来改善冲击器冲击参数设定和功率，提高冲击效果。3）通过深入探究液动冲击器原理，制定出与石油施工标准相符合的冲击器施工工艺。4）加大冲击器性能和材料研究力度，努力延长冲击器使用寿命，加快钻速。

4 结语

综上所述，石油这一资源对我国发展和改善人们生活质量有极大价值，但是石油属于不可再生、非常有限的资源，大部分石油资源所处的地质岩层都较硬，很难落实石油开采项目，所以我国石油开采见效慢，开采率低。在开采和钻井过程中，地质层经常会出现不规则、软硬交替的情况，对钻井与开采进程都有一定影响，需要推广和运用液动旋转冲击技术来进行石油钻井作业，利用水力或者高压油来形成冲击力冲击岩层，让岩层可以顺利破损。目前，旋转冲击技术已经基本上可以满足钻井需求，随着经济发展和时间推移，石油钻井工程对钻井成效要求也会提高，为保证液动冲击技术能够持续发展，需要进行深入研究、改进和创新。