液动冲击旋转钻井技术应用探究

丁剑锋

中国石油集团长城钻探有限公司钻井二公司 辽宁 盘锦 124010

1 引言

石油开采面临的困难越来也大，对石油钻井工艺和设备提出了更高的要求。通过对石油钻井技术的研究分析，推动新型石油钻井技术设备的普遍应用是提升高难度钻井质量和钻井效率的重要途径。

2 液动冲击旋转钻井技术概述

液动冲击旋转钻井技术主要的设备是液动冲击旋转设备。在石油钻井的过程中，通过钻井液驱动的冲击旋转设备产生高频率的冲击力，并将瞬间的冲击力施加给钻头，大大提升了钻头的冲击功，使钻头能够对井底有更强的冲击破碎作用，提升了钻井机械在深井中硬度高的地层中的钻进效率。

3 液动冲击旋转钻井技术的具体应用分析

液动冲击旋转钻井技术根据结构不同可以分为不同的类型，如阀式正作用冲击器、阀式反作用冲击器、阀式双作用冲击器、射流式冲击器。其中，阀式正作用冲击器是通过对液体施加较高的压力，在高压液体的作用下相冲击锤施加液压作用，然后利用弹簧来复位。这一类冲击结构是最简单的，高压流体经过冲击器的内部管道向下流动，但是需要借助弹簧来复位。因此这一类结构的冲击器应用效果的优劣在很大程度上取决于弹簧性能的优劣。当弹簧的质量性能较好时，冲击器的可靠性也较高。阀式反作用冲击器的技术原理与阀式正作用冲击器的技术原理的最大区别是向下的作用力是通过弹簧来施加的，通过弹簧的作用来向下冲击，高压流体复位。因此这一类冲击结构对于弹簧的要求更高，高频率的冲击对弹簧寿命损伤也较严重，这也是这一类冲击器应用少的一个原因。阀式双作用冲击器与上述两种结构的冲击器在构造上少了弹簧，主要是利用控制阀实现对流体流动方向和流动速度的控制。高压流体作用在冲击锤上，冲击锤在流体的压力作用下上下反复运动。射流式冲击器是通过射流元件来改变高压流体的流向，这样就可以改变冲击锤作用的方向，从而通过口控制射流元件来控制冲击器工作。这一类结构的冲击器结构简单，钻井效率高。

液动冲击旋转钻井技术应用效果的高低与技术参数的控制关系密切。在实际应用中通过对以下参数进行控制来提升液动冲击旋转钻井技术应用效果。一是冲击功率的设置。液动冲击旋转钻的主要设备是冲击器，对冲击器的冲击功率进行合理设置十分关键。通常情况下，冲击器的冲击功率是根据岩石的特征确定的。技术人员根据井下岩石特征，然后确定冲击器的冲击规律。通常情况下，冲击器的冲击功率设置范围200～600之间。如果冲击器的冲击功率太大，虽然可以达到更大的冲击力，提高破岩效果，但是容易造成冲击器使用疲劳，缩短冲击器的使用寿命。因此在技术应用时必须确保冲击器钻头以及轴承使用负荷不超过设备设计的最大负荷值。二是冲击器冲击频率的设置。通常情况下，冲击器的冲击频率设置在20～30赫兹可以保证冲击器较好的冲击效果。三是冲击旋转钻的压力设置。旋转钻压力的高低直接与钻井效率高低有关。因此适当调高钻压可以提升钻井效率。但是钻压过高会对钻具使用寿命带来不利影响，因此在钻压的设置环节应综合考虑钻井成本和钻井效率，设置一个合理钻压。一般液动冲击旋转钻压数值为常规钻井设计钻压的三分之二大小。

目前，液动冲击旋转钻井技术的应用还没有得到普及。对技术应用普及造成不利影响的因素有很多方面，也是液动冲击钻井技术需要优化改进的方向。具体包括以下方面：一是冲击器本身的质量问题。由于液动冲击旋转钻主要设备是冲击器，在钻层很大的作用力下，必须确保冲击器的钻具有同样的或更高的作用力。在液动冲击旋转钻井技术应用中，经常出现冲击器质量不合格的情况，使用寿命很短，难以满足钻井施工需求，增加了施工成本。因此冲击器的质量要求必须达到施工工艺的要求。二是冲击器的钻头类型少的问题。由于地下岩层的特征不同，采用单一的冲击器钻头类型难以适应复杂的岩石层面。钻头的规格型号较少，难以满足不同地下岩层钻井需求。目前，对高硬度的岩层环境，钻井效率较高的钻头材质是合金材质，常用的型号是牙轮钻头。这种钻头与液动冲击旋转设备的可以配套使用，是应用越来越普遍的一种钻头类型。但是在硬度较低的岩层环境中，上述钻头的应用效率反而不理想，钻头类型少影响了冲击旋转钻井技术的适用性，降低了适用范围。

4 液动冲击旋转钻井技术发展方向

结合现阶段液动冲击旋转钻井技术的应用情况，未来，液动冲击旋转钻井技术将围绕以下方面发展。一是冲击器的设计技术。冲击器是液动冲击旋转钻井的关键设备，其性能效用水平高低在很大程度上决定着液动冲击旋转钻井效率的高低。为了获得更高的应用效能，冲击器的设计环节将更加科学化精细化，如越来越多的数学、物理实验模型将应用在冲击器的设计过程中，对冲击器的功率参数进行优化，提升冲击器的工作效率。二是冲击器类型多样化发展，与地下岩层多样化情况相配套。根据冲击旋转钻井技术的原理，积累更多地下岩层数据，为冲击器类型多样化研究提供理论依据，结合数学物理实验模型，提高冲击器类型与不用岩层情况的匹配度，使钻井工作能够根据地下岩层实际情况选择适宜的冲击器，降低钻井成本，保障钻井效率。

5 结语

深井和高难度井的开采难度大，采用常规的钻井设备具有钻头破岩效率低，机械转速慢的问题。通过采用液动冲击旋转钻井技术，有效提升钻头破岩效率，钻头的使用寿命更长，而且钻井效率更高，在提升深井高难度井的开采效率方面发挥重要的作用。未来随着该技术的优化升级，其在石油钻井中的应用将有更大的空间。