旋冲钻井技术在石油钻井中的应用

摘 要：随着经济的高速增长，人类社会对石油资源的依赖程度越来越高。钻井是石油开采作业中的重要环节，直接关系到油田的开采效率和开采安全。石油钻井工程量大，钻井效率受到具体地理环境和地质条件的影响较大。受到我国石油开采技术和浅表石油储备的影响，石油开采深度不断提升。旋冲钻井技术能够显著提升石油钻井效率，有效改善传钻井设备纵向冲击力不足的弊端。近年来，旋冲钻井技术在国内外石油开采中广泛运用，反馈良好。本文主要结合两种旋冲钻井设备，深入分析其工作原理和结构组成，探索该技术在石油钻井行业中的合理运用。

关键词：旋冲钻井技术;石油钻井;具体应用

近年来，我国石油供求矛盾日渐加大，产需严重失衡。钻井技术的革新有助于促进我国石油开采效率和开采质量的提升。在我国广阔的领土下埋藏着丰富的石油资源，浅表油层的开采已经步入尾声，在深层储油层的开采过程中，连续且坚硬的岩层是钻井阶段最大的阻碍。旋冲钻井技术在钻头旋转运动的同时采用气动或液压的形式推动钻头向下运动，在保护钻头的同时，提升了岩层破碎效果。不同于研磨破碎，冲击加研磨的形式能够有效破坏岩层的整体结构，为油田的开采缩短准备时间。

1 旋冲钻井技术的相关概念

1.1 旋冲钻井技术的定义

旋冲钻井即利用旋转和冲击两种作用力对岩层进行破碎，传统钻井中使用的旋转钻头向下的作用力不足，在竖式油井的挖掘过程中，给高速旋转的钻头以向下的冲击力。综合旋转钻头和冲击钻的共同优势，旋冲钻井能够大大延长转头的使用寿命，钻头在冲击的过程中高速旋转避免了钻头受力不均从而钝化。在传统的钻井过程中，使用旋转钻头配合炸药进行岩层爆破，而旋冲钻井技术则能够提升钻头爆发力，节省炸药爆破带来的不确定性风险。

1.2 旋冲钻井技术的优点

1.2.1 冲击力更强

旋冲钻井设备向下的作用力更强，既有水平方向的受力，又有垂直方向的受力，在复杂的力学冲击下，岩层更容易出现受力不均而产生破碎的现象。旋转钻头需要不断给予向下的作用力是钻井设备能够保证稳定运行，旋冲钻井作用形式类似于活塞运动，冲击具有周期性、顿挫性。能够利用惯性将岩石粉碎。

1.2.2 粉碎成功率高

多重施压能够加速岩石的破碎概率。对于大型岩层，研磨破碎的方法成功率极低，不仅仅耗时较长且效果不佳。旋冲钻井通过调整冲击频率，能够大大提升岩层破碎的成功率。

1.2.3 冲击方向固定

在钻井过程中，旋冲钻井技术冲击力垂直向下，偏移度可控。低下油井的形状更为规整，且对周边岩层的破坏程度极低。有效保证了周边岩层的稳定性，导致油井坍塌的情况发生。

1.2.4 能耗更低

旋冲钻井设备根据动力供应情况分为气动和液压控制两种，其能源消耗量较低，对能源的利用率高。尤其是液动冲击装置，液压装置快速推动冲击器完成一次撞击后复位。此外，旋冲钻井设备由于具备向下的作用力，因此对钻头转速的要求可以适当降低。

1.3 钻井技术改进的意义

石油作为当前最主流的工业能源是维持社会稳定和经济增长的关键。长期以来，我国石油开采效率难以满足国内巨大的能源消费市场，我国石油供应主要依赖进口。创新开采工艺，提升石油開采效率已经成为当下缓解我国能源紧张问题的重要举措。众所周知，钻井是石油开采过程中耗时最长、不确定性最大的步骤。在钻探过程中，遇到硬度高、厚度大的深层岩层时，开采进度就会受到影响。钻井设备和钻井技术的改良能够为我国石油产能的提升提供重要的技术支持。

2 旋冲钻井技术的实际应用

关于冲击钻的使用最早可以追溯到20世纪初，旋冲钻井技术有效弥补了旋转钻头和冲击钻头的不足，解决了两种钻井设备来回切换的问题。自问世以来，旋冲砖井设备在各行各业得到了广泛的运用。尤其是在坚硬物质的破拆过程中成效突出。目前，在石油开采过程中，旋冲钻井设备主要有两种动力形式，分别为气动和液压两种。以上两者均具备清洁度高、能耗低、原料获取简单等特点。以下将分别就气动和液压控制的旋冲钻井设备进行详细介绍。

2.1 气动旋冲钻井设备

相比于液压旋冲钻井设备而言，气动旋冲钻井设备问世时间更早。早在20世纪中期，气动旋冲钻井设备就已经被广泛的应用到钻井中来。利用压缩空气产生巨大的气压，以活塞的形式将位于钻头初出的冲击器向下冲击，随后，剩余的空气有能够使活塞向上复位。相比于液压装置而言，气动控制的旋冲设备动力更加强劲，冲击力度能够随气压大小的变化而不断改变。直到目前，气动旋冲钻井设备仍然被世界各国所广泛运用。除动力强劲外，气动装置在冲击器完成冲击的瞬间会向下方产生一定强度的气流，适当活塞内部压力。而这一部分气流又能够将冲击过程中产生的岩石粉末冲刷干净。保证冲击面的整洁，为下一次冲击准备良好的表面环境。但气动旋冲钻井设备在工作过程中需要不断的进行空气压缩，对电能的消耗量大。

2.2 液动旋冲设备

液压装置主要通过液压管内的液体作为驱动介质推动阀门双向运动。液压旋冲设备虽然动力不去气动旋冲设备，但整体而言综合性能优良，对能源的消耗量低下，相关配套设备数量更少。其价格也明显高于气动旋冲设备。不均是气动旋冲设备还是液动旋冲设备，二者在做工方式和内部结构上大同小异。以气动式旋冲设备为例，活塞随气流的的上下运动而带动冲击器运动。最早的气动旋冲设备均为有阀式，利用阀门控制活塞运动。随着机械化水平的提升，压缩缸内的结构设计日益精密，在缸体内壁有配气系统能够帮助活塞完成上下运动。

2.3 DGSC型液动射流冲击器

上文中提到气动旋冲设备可分为有阀式和无阀式两种。而液动旋冲设备则可以根据内部液体工作形式分为阀式、射流式和射吸式三种主要类型。液动射流冲击器主要由三部分组成，即控制装置、传动装置、撞击装置。液动射流冲击器对水资源的利用率较高，能够在钻头旋转和冲击的过程中通过排水降低钻头温度，提升钻头使用寿命。DGSC型液动射流冲击器是我国应对原油开采过程中，岩层破碎困难这一客观情况自主研发的国产岩层破碎设备。在实验室试验中，该设备取得了良好的使用效果。该型冲击器由左右两个部分构成，两个腔室交替进行作业，水流完成一个循环即左右两个腔室各完成一次做工。液体经过上腔流入下腔，带动冲击装置做工一次，这时在活塞的末端注入新的射流，在完成活塞复位的同时，新的射流进入左侧腔室，类似右侧，完成一次做工。整合过程主要采用电信号激发，冲击器反应速度快，上下缸和左右缸实现液体的动态环流。同时在内部元件的压盖上存在较多的分流孔，避免内部压力持续增大，分流孔的设计能够有效调节内部舱室的压力。整个射流冲击器内部结构相对简单，动力来源于液体的相对流动，这种结构充分发挥了水流动力学的特性，使内部结构得到最大限度的简化。在设备工作过程中，内部活动零部件相对较少，能够有效降低零部件的磨损率，提升整个设备的使用年限。射流冲击器采用射流的形式代替了阀片的功能，采用电激活的形式维修简便，持久耐用。

2.3.1 液动射流冲击器动力充足

液动射流冲击器在传统气动旋冲设备和液动旋冲设备的基础上进行了全面改进，在动力上不属于气动冲击器，在能耗方面明显优于液动冲击器。在液动冲击器的基础上更换了阀门控制，改为射流控制，利用水流动力学在帮助活塞实现复试功能的基础上降低对活塞下落的组成，冲击器也能够获得更大的动能。

2.3.2 功能稳定

射流沖击器的功能相对稳定，内部专门设计的分流孔能够在设备突然停机时，快速释放内部压力，避免完成内部活塞位置异常，影响下次启动。河流冲击器的研发充分考虑了液动冲击器在使用过程中容易出现的故障，通过对内部腔室的结构优化实现水流动力的可持续驱动。

2.3.3 使用面广

液动射流冲击器应当轻松应对花岗岩、细砂岩、石英岩等硬度不同、体积不同的岩层。能够轻松应对地下3000m以内的深层钻井作业。通过实验室研究，针对不同的岩层硬度和深度，只需要对钻头的转速和射流的流量进行调试，适当调整转速比。在实际应用中，该型冲击器功能稳定，故障率低下，冲击、破碎效果良好。

3 旋冲钻井技术在石油钻井中的发展前景

3.1 智能化远程控制

随着计算机技术的发展，将电气系统同计算机设备结合起来。完善液动射流冲击器的冲击功测量，通过外部传感器建设，实现对冲击器做功情况的远程监测。通过完善对液动冲击功的测量，不断优化冲击器的做功设计，尤其是内部腔室的设计，内部腔室越大，对水流动力学的影响就越大。现阶段主流冲击功测量方法有应力波测量、霍尔传感器测量和电磁感应发。通过完善冲击器做功测量，实现液动射流冲击器的动态控制。

3.2 打造冲击器产品和功能的多样化

随着我国机械化水平的提神，冲击器的设计和研发能力进一步增强。值得注意的是，现阶段我国自主研发的冲击器只能够在3000m深度以内正常使用，超过3000m深度我国现有的冲击器就难以胜任。不断完善设计理念和功能，完善配套体系建设，实现钻井深度的不断突破。随着长期的石油开采，我国石油开采深度将会不断提升，因此必须加快高性能冲击器的研发速度。在冲击器型号上，应当结合具体钻井需求，不断提升冲击直径。根据井眼大小选择适当的冲击器，如此一来，在显著提升施工效率的同时，保证施工质量。在冲击器规格提升的过程中，应当做好冲击功加强的准备，冲击器直径越大，对设备冲击功的要求就越高。

3.3 丰富钻头设计

钻头是整合旋冲设备的核心，首先应当不断促进钻头质量的提升。创新钻头材质研究，采用复合型材料，在提升钻头耐腐蚀性的同时，提升钻头的整体强度。在钻头型号和规格上，结合具体钻井工作和其他行业的需要，不断丰富钻头的型号，促进岩石破碎成功率的提升。

3.4 加强模拟试验

液动射流冲击器的研发标志着我国已经具备较强的冲击器研发能力，然而，整体上来看，我国旋冲设备的创新程度还不高。根源在于我国研发团队实验数据不足，对冲击器做功形式的认识不够全面。因此，通过模拟实验，分析冲击器在工作过程中的做功特点，不断调整参数，实现冲击器功能的最大化。

4 结束语

旋冲钻井技术关系到我国石油开采效率，意义重大。在经济发展过程中，我国石油供应不足的短板将会日益突出。加强对冲击钻井技术的研发和利用既是我国实现石油开采技术创新的需要，也是我国应对国家能源问题的重要举措。一方面，应当及时收集钻井工作中存在的问题，另一方面，应当加强实验数据采集，优化有效的旋冲装置，促进其规模化、产业化的发展。

参考文献：

[1]张春鹤.石油钻井中旋冲钻井技术的应用探讨[J].石油和化工设备，2019，22（12）：88-90.

作者简介：

王荣，陕西商洛人，中国地质大学（北京）石油工程学士，海洋地质硕士，工程师。