旋冲钻井技术在石油钻井中的应用初探

2021-09-17赵英楠

西部探矿工程 2021年7期

赵英楠

（大庆油田采油工程研究院钻井设计研究室，黑龙江大庆163453）

在石油资源的开发过程中，旋冲钻井技术是一种应用非常广泛的技术，这一技术是在传统旋转钻进基础上出现的，在一些复杂、坚硬的石油分布条件下，可以选用这一技术，旋冲钻井技术的出现有效克服了高硬度岩层钻井难度大的限制，有效提升了石油开采产量。现阶段，随着石油行业的稳步发展，旋冲钻井技术在国内国外都取得了良好的发展效果，虽然如此，我国的这一技术尚未进入成熟发展期，在未来的发展过程中，需结合石油分布的具体情况，科学选用旋冲钻井技术。

1 旋冲钻井的原理和特点

旋冲钻井技术是在普通旋转钻井的技术上发展起来的，在传统的旋转钻井技术基础上，通过冲击器的使用来保障钻井作业的顺利推进。在整个的钻井作业中，冲击器主要用于井底，并作为动力机械装置来实现的，在井底钻头、岩芯管上端位置常常需进行冲击器的安装与使用，在实际的运行过程中，高压气体、钻井液的推动作用实现了活塞中的上下冲撞运动，在钻头撞击的过程中，对岩石存在冲击动载荷静压旋转作用，有效将原有的坚硬岩石加以击碎[1]。冲击动载作用下，岩石原有的裂缝会在此冲击力下逐步扩张，大体积岩石会被破碎，岩石击碎的速率大大提升。

旋冲钻井技术的应用特征主要表现在以下方面：①钻头在使用时存在压入冲击力和回旋刮削的联合作用，而此联合作用使得坚硬的岩石可以在很短的时间内被击碎；②对于一些硬度较大的岩石而言，旋冲钻井技术能够在有效的时间内击碎将大体积岩石击碎，保障了钻井的高效率；③旋冲钻井技术下，可以实现高频冲击破碎处理，有效缩短了岩石击碎的时间，且击碎效果非常理想；④高频冲击使得击碎研磨的时间有效缩短，钻头的使用寿命大大提升；如果要在钻进的过程中大大提升钻压和钻速，就需要在实际的旋冲钻井技术应用过程中，加强对钻柱受力情况的分析[2]。

2 冲击器工艺原理

旋冲钻井技术在应用的过程中，冲击器必不可少，冲击器的构成非常复杂，其中包含了很多的元器件，具有冲击、配水等多种功能。各个元器件在冲击器中所承担的作用有所区别，虽然在旋冲钻井技术的应用过程中存在一定的独立性，但是，不同元器件之间良好的配合与协调，使得冲击器可以发挥其最大的价值，充分实现其功能。冲击器的各个元器件中，配水的主要作用体现在钻井动能方面，实现了钻井动能向势能的有效转换，使得钻井施工作业可以高效开展。冲击器配水包含了接头、配水阀等诸多的元器件。当然，冲击器中还包含了一些防回水部件，这些部件的存在使得钻井动能可以有效转换为冲锤动能，达到最为理想的钻井效果。冲击元器件与防回水的作用非常相似，都可以对动能加以有效转化，形成对钻井更为有效的冲锤动能。传递元器件在旋冲钻井技术应用中，主要负责的是通道建设，可以为冲击器的运行和使用创造良好的工作条件，并可以对扭矩加以有效传输，使得冲锤冲击荷载，保障冲击器可以有效开展钻柱作业。冲击器在实际的运行和使用过程中，会首先接收到来自钻井的气流和液流，而在此过程中，配水阀也同步发挥其作用，气流和液流通过上端部位，随后，气流与液流逐步分开，直接进入到冲锤头的水槽部位。在冲击器使用时，气流与液流通道常常会存在堵塞现象，这种堵塞现象严重阻碍了液体的回收，增大了水击威胁。液体本身的压强较大，随着冲击器的使用，液体压强逐步增大，冲锤的运转速度也将会逐步增大，当到达指定的标准以后，之前的通道会被关上，在下接头出现液体，此时，冲锤的运动趋势为助力，在水击反应出现以后，将会与冲锤和配水阀动作充分配合，这种情况下，液体就可以在最短的时间内实现下行[3]。在冲击器的使用过程中，液体压强、上阀套和钻头之间存在着相互作用力，保障了冲击反应的持续性。

3 旋冲钻井技术的应用

3.1 气动旋冲钻井方式

气动旋冲钻井技术是旋冲钻井技术的一种，这一技术在实际的应用过程中，压缩空气是关键要素，这一技术在采矿领域的应用非常多。从气动旋冲钻井方式来看，主要包含了有阀式和无阀式两种，就有阀式而言，压缩空气是活塞上下运动的主要推动力；无阀式方式下，系统管理是由活塞和缸体侧壁来的往复运动来实现的。压缩气体的密度非常小，气柱所能够达到的压力也十分有限，这种情况下，在旋冲钻井技术应用时，岩石非常容易出现破碎现象。当处于风速很高的情况下，只有井底的清洁度符合标准，岩石的碎屑就可以再次被破碎[4]。气动旋冲钻井技术在应用时的效率非常高，不仅可以通过压缩来形成单一的介质，还可以在不同种类的气液中，对介质来实现有效的处理和应用。在石油资源的开发过程中，虽然气动旋冲钻井技术的钻井效率非常高，但是，这一技术在应用的过程中常常会受到技术流程复杂、成本较高的限制，影响了这一技术的推广和应用，在未来还有着广大的发展潜力。

3.2 液动旋冲钻井方法

液动旋冲钻井方法在石油钻井作业中同样非常有效，在实际的技术应用过程中，钻井作业是借助于高压水与钻井液来完成的，在整个的钻井作业中，牙轮钻井方法的应用是关键。在液动旋冲钻井技术下，水力和高压油是主要的驱动介质，石油钻井作业中，水力介质更为常用，在整个的技术应用过程中，生成的能量相对较高，有关的设备设施在运行过程中所产生的动力相对较小，燃料损耗少且费用较低[5]。从当前液动旋冲钻井技术的使用应用来看，这一技术的发展十分有限，在此类设施方面的投入相对较少，钻井液作为重点介质，当处于岩石冲击作用下时，所产生的能量非常大。石油钻井在以水力为驱动介质时，包含了有阀式正作用、阀式双作用、阀式反作用和射流式几种，其中，射流式冲击器结构如图1所示。

图1 射流式冲击器结构

4 旋冲钻井技术的发展方向

在石油行业快速发展的过程中，旋冲钻井技术在未来需实现创新发展。首先，冲击器直径需实现小直径向大直径的创新和转变，形成系列化产品，实现工艺的多方面发展。石油钻井过程中，旋冲钻井工艺的应用可以有效实现坚硬岩石的破碎处理，尽量在技术应用时选取高性能、长寿命的冲击器，保障冲击器在使用时可以保持较高的可靠性。其次，旋冲钻井技术应用的过程中，要加强对钻头的创新，在石油钻井过程中使用更为先进的旋冲钻井钻头，来保障钻井的效率。最后，要扩大冲击器的使用范围，实现直井向定向井的扩展，充分保障旋冲钻井技术的有效利用。