石油钻井中旋冲钻井技术的应用探讨

郭子枫，孟子豪，任博欢，孙豪

1.中国石油集团渤海钻探第四钻井公司，河北沧州，062450；2.中国石油集团渤海钻探第二固井分公司，天津，300280；3.中国石油集团渤海钻探井下作业公司射孔作业部，河北沧州，062550

0 引言

旋冲钻井在当下油气开发领域具有非常广泛的应用，这种钻井方法与传统的钻井设备相结合，通过对金刚石钻头周期性施加作用力，从而提高钻进速度和钻井效率[1]。本文建立在前期旋冲钻井研究的基础上，依托前期旋冲钻井的研究成果，综述旋冲钻井的技术发展现状及其未来的发展状态。进而，介绍旋冲钻井的基本原理与旋冲钻井钻具破岩的相关影响因素，最后对旋冲钻井的实际应用进行举例分析[2]。本文以川西钻井现场为实例，分析其在特殊硬地层下的钻进效果，指导后续旋冲钻井的实际应用，进一步推广旋冲钻井工艺的实际价值。

1 旋冲钻井技术发展现状

旋冲钻井具有一般钻井技术不可比拟的优势，由于它的钻进效率较高，该技术诞生以来一直受到很多专家和学者的重视，并被很多大型石油公司所使用，主要用于探井、开发井、水平井钻探等钻井现场，极大地提高了钻井队的钻井效率，也保证了钻井的安全性[3]。旋冲钻井的核心工具是冲击装置，在当前国内的旋冲钻井冲击工具中，常见的冲击工具有液动和气动两种。此外，也有少量的气液混合的动力装置。

（1）液动旋冲钻井技术。液动旋冲钻井技术是由俄国工程师发明的，这种技术刚诞生时常有很多缺点，并不能广泛应用。例如，冲击装置单次冲击功率较低、冲击装置冲击作用较弱、装置整体冲击频率较小，尤其是在硬地层的钻井现场，该技术更难钻进，需要不断地进行技术突破[4]。现今，旋冲钻井技术已经取得了比较显著的技术发展，国外有许多公司都已经发展了该项技术，同时获得了多项国家专利，大部分研究的是阀体冲击装置，这种冲击装置能够在一定的液压作用下，使装置内的钻管与周缘介质产生两个方向的叠加作用力，从而提高悬冲钻井的作用效果。同时，由于装置弹簧快速伸缩回弹，提高了旋冲钻井的频率。我国的液动旋冲钻井技术从建国以来不断发展，目前已经实现基本技术自主化，已经研制出多种不同类型的阀体旋冲钻井冲击装置。

（2）气动旋冲钻井技术较液动旋冲钻井技术有不同的技术特征，其适用的场景也与液动旋冲钻井技术有较大的差别。整体上，气动旋冲钻井技术较液动旋冲钻井技术的钻井效率更高。由于气体介质的密度较小，在钻井过程中所受的阻力相对液动钻井技术也较小，所以，气动旋冲钻井技术钻井速度较快[5]。根据气体介质的不同，我们可以把气动旋冲钻井技术分为空气与氮气混合钻井、氮气雾化钻井、气液发泡钻井等分支，这些钻井技术分支均可提高钻井的效率，降低钻井过程中的介质密度和钻进阻力，保证钻进有效性。根据钻井介质循环顺序的不同，我们可以将气动旋冲钻井分为正循环与反循环旋冲钻井，其中正循环是将压缩气体从钻杆的内部管道注入，从钻杆与套管的环状管道排出，而反循环是从钻杆与套管的环状管道注入压缩气体，从钻杆的内部管道排出。不管是哪种循环方式，均可以提高钻井效率。气动旋冲钻井技术最早起源于19世纪60年代，由意大利石油工程师发明而成，当时的装置称之为气动岩体破碎机。之后，经过了一段时间的发展，工程师对该项技术不断做出改进，提高了在一定钻压条件下的钻井效率，同时也实现了钻头在普通地层全钻进过程中，其磨损几率达标。目前，国外的相关公司已经设计出了独特的旋冲气动钻井工具。并且国内大型油田也引进了相关技术，并进行了一定程度的改进，形成了国产自主化的气动旋冲钻井工具。

2 旋冲钻井模型及破岩影响因素

2.1 旋冲钻井的模型

旋冲钻井技术是在传统钻井技术的基础上给钻头和钻杆的轴向施加往复式的冲击作用力，使钻头不仅具有旋转式周缘破碎岩层的能力，也具有轴向往复的高频破岩能力。这种钻井方式能够快速地击破硬质的岩层，提高破岩效率。根据旋冲钻井的基本原理，我们可以构建旋冲钻井的相关模型（图1）。该模型采用泥质地层为模拟地层，选用PDC钻头为模型专用钻头。PDC钻头直径为13mm，模型长为35mm，宽为15mm，高为5mm。通过绘制旋冲钻井线性曲线，我们可以判断模型在工作中对岩层施加的作用力[6]。通过实验结果分析，我们发现，在钻进的过程中，模型周缘岩层受到较强的冲击作用，会形成典型的破碎坑，由中央到四周破碎裂纹由塑性向脆性扩展，最终大块岩层破碎脱落。在模型钻头切削作用下，钻头附近的岩层呈塑性流动形变，大块岩体未脱落。旋冲钻井的钻头所施加的切削力可达到近900N，而常规钻井作业的钻头切削力仅756N，所以旋冲钻井技术可以显著改变钻具的受力状态，保护切削钻头，并且使钻头钻入地层更加容易，提高钻进效率，同时也可以保护钻头。在钻具做功方面，常规的钻具破岩做功较高，达145.2mJ/mm3，在旋冲钻井作用下，钻井破岩效率做功为127.4 mJ/mm3和127.8 mJ/mm3，均小于常规钻井做功的功率，可见旋冲钻井做功明显小于常规钻井做功。在较小的功率下，旋冲钻井仍然能够具有较大的破岩冲击力，提高了破岩效率。通过对比不同旋冲钻具在泥质岩中的钻进情况，我们可以发现，不管是任何一种钻井方式，均未形成明显的大块岩体破碎情况，在塑性泥质岩层中两种钻头均使泥质岩发生塑性形变，呈流动性破碎，未对岩层的物理状态造成太大的影响。

2.2 旋冲钻井破岩影响因素

旋冲钻井破岩效率的影响因素较多，主要可以分为钻具钻压、钻头钻速、钻井泵压等，下面将从这三个方面进行简单分析。

（1）在一般钻井过程中，钻具的转压会影响破碎岩石的破碎程度，旋冲钻井的转压增高，钻具机械钻速也会增加，从而更快地破碎岩石，但是转压增加必然会导致转头磨蚀加速、损耗加快。所以，在旋冲钻井过程中，工程师需要合理地设置旋冲钻井转压值，避免钻具在钻进过程中出现较高的冲击力和较高的频率，使金刚石钻头过度磨蚀失效，增加钻头成本，也影响钻井工期。随着钻井逐渐深入，钻头周缘的围压也会增加，给旋冲钻井增加施工难度[7]。

（2）钻头钻速对破岩效率也有较大影响。在旋冲钻井过程中，钻井的钻头不间断地旋转，由于地面和井下工具的限制作用，钻头转速一般保持70-140r/min，旋冲钻井钻头保持高钻速运行可以提高周缘岩层破裂效率。工程师需要根据模型的模拟情况设置好破岩频率与钻头钻速之间的关系。经过实验验证，试验结果表明，冲击频率为15-20Hz时，钻速可以取70-140r/min，在这个范围下可以实现最合理的旋冲效能。

（3）旋冲钻井的排量也会影响钻井的效率。排量的大小对旋冲钻井的冲击装置有很大影响，所以这个问题可以转化为旋冲钻井冲击装置的冲击频率与冲击效果的影响问题。随着排量不断增加，冲击装置的冲击频率也在不断地提高，二者是成正比的关系，进而旋冲钻井岩层破碎效率也不断提高。

3 旋冲钻井的实例应用分析

当前，旋冲钻井在川西地区深部地层应用较少，川西地区深部地层岩性致密，且岩层岩性以火成岩、块状砂岩、粉砂岩、碳酸盐岩为主，可钻性较差。旋冲钻井转速慢、钻进效率低、施工时间长是该地区旋冲钻井施工的重要障碍之一。在该地区常用的钻具为钻头、冲击装置、接头、回压阀、钻铤、旁通阀、钻杆、震击器等装置组合。由前文介绍的影响因素可知，影响旋冲钻井的效率主要参数有钻压、钻速和排量。根据川西地区现场实际，我们首先在C-1井进行了现场试验，首先选用该井两个不同的排量进行加压。钻具入井后，达到井深3008.5m时，钻具钻速较慢。经过现场实际分析，我们发现井下目的层存在大量的块状岩体，固体颗粒较大，且钻头受到部分磨蚀，在钻头前端存在比较明显的冲蚀坑。经过现场综合评判，工程师认定试验效果未达到实际预期，在使用过程中，旋冲钻具钻头部分失效，其失效前钻头钻速为1.35m/h，相当于普通牙轮钻头钻井的1.25倍。

经过对上述未达预期的问题进行整改，我们将旋冲钻井工具再次进行现场应用，下入钻具至井深4015.26m进行试验，在试验的过程中不断地调整钻井相关参数，保障相关使用效果。当钻具钻至4125.2m时，钻速出现下降。此时，工程师迅速调整钻压，后期一段时间转压未见明显变化。进一步地，钻具钻速再次下降，转压也随之下降，此时工程师继续提高钻压，稳定转速。当旋冲钻具经过不同的岩性时，例如从中砂岩转入泥质岩，钻具钻速会提高，但是总体来看，经过工程师不断地及时调整旋冲钻井相关参数，旋冲钻井前端的金刚石钻头基本未受到严重磨蚀。我们发现，旋冲钻井在川西地区可以得到广泛应用。在钻井过程中，我们需要及时调整相关参数，延长钻头的使用寿命，也可降低钻头使用成本。

4 结语

旋冲钻井较常规钻井有不可比拟的优势，由于它的钻进效率较高，该技术一直受到很多专家学者的重视。目前，旋冲钻井主要可以分为液动旋冲钻井技术和气动旋冲钻井技术。未来，旋冲钻井将满足更多钻井现场的实际应用，并且将会与计算机软件系统相结合，建立旋冲钻井模型，以符合更多的钻井场景。旋冲钻井的影响因素主要有三点，分别是钻具钻压、钻头钻速和钻井泵压等。经过现场实例分析，我们发现在川西地区旋冲钻井也可进行大范围的应用。在面对岩性复杂的地层时，工程师需要不断调整转压，以稳定转速，最终达到旋冲钻井的实际效果，减少钻具的钻头磨损。