液动冲击旋转钻井技术应用探讨

王检军

（中国石油集团川庆钻探工程有限公司国际工程公司， 四川 成都 610051）

1 液动冲击旋转钻井技术概述

1.1 旋冲钻进技术原理

旋冲钻进是在常规钻具的基础上，通过增加冲击器而将旋转和冲击功能有效结合的钻井技术，在钻进过程中，冲击器在钻井液的驱动下不断产生高频冲击力并施加给钻头，使得钻头边旋转边冲击钻进。作为井底动力机械的冲击器通常与钻头或岩心管顶端连接，在钻井液或高压气体的作用下推动活塞并引发冲锤的上下运用，钻头在冲锤的撞击以及静压旋转的综合作用下达到破碎岩石的目的。与常规钻井技术相比，旋冲钻进技术主要依靠钻头的冲击压力以及回转刮削的综合作用实现岩石破碎，对于脆性大、抗剪强度低的硬质岩石，该技术基本为体积破碎而非研磨破碎，钻进效率较高；旋冲钻进冲击破碎频率高，破岩时间短，破碎效果不受硬岩岩性变化的影响，钻头也不会出现偏斜力矩，破岩效率高，成井规则，质量有保证[1]。

1.2 液动射流冲击器

冲击器是旋冲钻进技术的关键部件，旋冲钻进技术问世以来，各种类型的冲击器不断出现并应用于石油钻井领域。液动射流冲击器是我国研发的一种通过双稳射流元件进行旋冲钻进控制的冲击器，其主要以高压水或钻井液为动力介质，性能稳定、元部件少，能有效解决深孔硬质地层钻进难题。按照驱动介质的不同，液动冲击器分为水力驱动和高压油驱动两种，石油钻井领域则以水力驱动液动冲击器为主，液动冲击器又包括阀式、射流式和射吸式等种类。

图1 液动射流冲击器

液动射流冲击器通常由控制系统、动力系统及功率传递系统等部分构成，见图1，上下螺纹接头分别与钻铤连接，冲击器置于钻铤与钻头之间。通过钻铤等钻具后钻压与扭矩经由砧子和缸体传递至钻头，压盖上的分流孔设计能分流富余能量，不影响冲击器正常作业。液动射流冲击器运动零件只包括活塞和冲锤，性能稳定，活塞和冲锤在下行阶段运动产生的加速度能提升单次冲击功，由于存在分流通道，即便冲击器不工作也不会出现憋泵，冲击器运行过程中，不存在阀门打开/关闭问题，其所产生的高压水击压力小，能量损失少，也不存在温度、围压、钻井液密度等因素的影响，对于深井钻进较为适用。考虑到液动射流冲击器的技术优势，其在地质勘探、水文水井、石油钻井、科学深钻等领域的应用日益广泛。

2 川渝地区地层特点

川渝地区地层条件复杂，高温与高密度共存，地层沉积时间长，上部推覆构造的志留系和白垩系地层以砾岩、砂质泥岩岩性为主，见表1。具有斜、硬、跳钻、研磨性强、井况差异大等岩性特征，老地层存在严重的挤压破碎情况，岩性均质性差，井斜控制存在一定难度，井漏、井斜、断钻具等井下事故频发，川渝地区即使是构造相同的地层可钻性差异大，且可钻性随井深增加而变差。川渝地区特殊的地层条件增加了机械钻速提升难度，导致钻井周期延长。对川渝地区威204H1-2井、威204H42井测井资料进行地层可钻性的测定结果表明，第三系地层可钻性＜5级，硬度低，对钻速影响不大，而白垩系、志留系和第四系地层可钻性达6～9级，硬度增加，钻速降低。

表1 川渝地区威204H1-2井地质分层情况

3 液动冲击旋转钻井技术的应用

威204H1-2井位于内江市资中县境内川渝地区盆岭耦合构造斜坡带前缘，钻井主要目的在于进一步明确四川盆地耦合构造斜坡带威204H1-2井区块T3-J2、Z-T2砂砾岩油藏分布的具体范围，所开发的井主要为评价井和井型定向井。根据区域地层岩性分析可知，威204H1-2井存在较厚的推覆构造志留系和白垩系地质分层，地层倾角大且可钻性差，不利于机械钻速提升，地层砾石含量高，胶结致密，减震器的使用会引起严重的跳钻；由于井斜超标，加压钻进容易引发填井侧钻事故。相邻威204H42井钻进过程中遇志留系井段，由于地层倾角大，单测点准确度差，过大的钻压引发井斜超标，必须打水泥侧钻。φHJT637GL钻头钻进井段280.00450m，机械钻进均值1.75m/h，井斜和井深最大值分别为3.0°和475m。钻井现场决定从220.00m开始使用YSC-178型液动射流冲击器，该型号射流冲击器外径210mm，长3210mm，压降设计值13.5MPa，冲击频率1135Hz，冲击能19.85kJ，冲击器钻进数据统计详见表2。

表2 φHJT637GL钻头使用YSC-178型液动射流冲击器钻进数据统计

425.06445.74 10-20 25 65 45 12.5 3.0 475 1.15 66 447.54646.60 7-40 20 65 45 12.5 2.25 370 1.15 70

在使用YSC-178型液动射流冲击器开泵钻进的过程中，未使用冲击器的等效喷嘴直径20.85mm，泵压11.5MPa，使用冲击器的钻头等效喷嘴直径23.65mm，泵压16.5MPa，高出压降设计值。此外，无论是否使用液动射流冲击器，所有井段均存在不同程度的跳钻情况，但在使用液动射流冲击器时，泵压下降趋势呈明显的阶段性特征。使用液动射流冲击器的情况下，钻压、钻头转速、排量等参数变化均处于冲击器设计使用范围，钻压基本维持在20-50kN。但是，在最后的单点测斜测点，井斜和井深最大达3.0°和475m，主要原因在于，钻压减小虽然对钻柱弯曲和井斜有抑制作用，但威204H1-2井由于使用的是φ220尺寸型号代替φ248尺寸的YSC-178型液动射流冲击器，导致钻具柔性增加，对其加压后所产生的侧向力导致冲击器钻进至425.06445.74m时井斜及井深测值已接近最大设计值。起钻使用YSC-178型液动射流冲击器后，钻头钻进井段钻速比未使用冲击器钻头钻速增加45%～85%。

根据对威204H1-2井钻进情况的分析可知，冲击器下井之初，机械钻速仅提升3.5%左右，而随着冲击器的起出与未用井段相比，使用冲击器的井段钻速明显加快，提升程度高达95%。值得注意的是，机械钻速除了受钻井参数影响外，还与地层岩性变化有直接关系[2]，未使用冲击器的钻头钻进井段岩性以紫红-暗紫白云质粉砂岩及粉砂质泥岩为主；使用冲击器的钻进井段岩性则以灰绿-绿灰为主并夹灰色白云质粉砂岩和泥岩为主。

通常而言，在钻井参数未发生大幅度变化的情况下，邻井岩性也不会出现太大变化，所以通过威204H1-2井钻进数据的对比可以得出，YSC-178型液动射流冲击器在威204H1-2井推覆体地层钻井过程中的使用对机械钻速有显著提升作用，但由于所用冲击器尺寸过小，导致井斜增大。

4 结论

通过对Y S C-1 7 8 型液动射流冲击器在威204H1-2井推覆体地层钻井应用的分析表明，冲击器的应用能显著提升机械钻速，但是为控制井斜，必须保证冲击器尺寸的合理性。在液动射流冲击器使用过程中泵压设计值明显偏大，为提升射流冲击器元件的工作效率和使用寿命，还必须进一步探索冲击器工作压降降低的有效措施。理论分析和钻进实践效果均表明，冲击旋转钻井技术破岩方式独特，能有效提升钻进速度，避免复杂硬质地层钻进可能出现的井斜问题，延长钻头使用寿命，便于水平井和大位移井井底加压的实现。