旋冲钻井技术在石油钻井中的应用

张冠杰

［中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300459］

为了提高石油资源开采效率，需要从钻井技术层面入手，加快钻井技术的研发速度，使钻井技术可以适应各种地质条件，从而实现提升我国钻井技术应用水平的目的。在石油资源开采过程中，钻井是其中十分重要工序，针对我国地质结构复杂的特点，开采企业要根据开采需求有针对性地选择钻井技术，而旋冲钻井技术的出现，可以有效地改善传统钻井技术的弊端，提升钻井效率。因此，加快旋冲钻井技术的研发速度，对提升我国石油开采效率可起到重要作用。

1 当前石油资源开采作业中存在的问题

石油资源开采周期长、作业环节多，所以随着开采时间的不断推移，相关问题也会接连出现。为了提升石油资源开采质量，开采企业应重视作业过程中出现的种种问题，并逐一予以解决，方可进一步提升开采效率。一般来说，采油、测井、钻井以及运输是石油开采工作中重要的四个阶段。在上述四个阶段中，开采企业应加强管理力度，每个阶段都要指派专业人员负责，防止某个阶段出现问题。在开采作业时，如果测井资料不够准确，将会对后续开采作业造成影响，一旦测井误差比较大，甚至会提升钻井工作的风险等级。此外，在钻井工作中，污染问题会贯穿钻井作业始终，同时也会影响钻井效率。钻井工作是提升石油资源开采质量的重要基础，如果钻井质量不达标，即便是后续工作均妥善完成，同样也会影响最终的石油开采质量，引发出水、出砂事故。在油气资源输送阶段，输送前要做好分类、计量与储藏工作，防止石油资源泄漏，影响周边安全。在开采石油资源时，每个环节都要制定相关工作预案，及时处理可能出现的问题，做好安全监管工作，及时发现安全隐患并予以消除，提升石油开采全过程的安全性，降低事故发生概率。研究表明，部分石油开采企业忽视安全管理工作，对安全监管工作漠不关心，导致开采过程中频繁出现安全事故，严重威胁作业人员生命安全，阻碍我国石油资源开采事业发展。

2 旋冲钻井的原理和特点

随着钻井技术的不断成熟，传统旋转钻井技术已经无法满足开采要求，为了解决传统旋转钻井技术存在的问题，旋冲钻井技术得以在市场中应运而生。与传统旋转钻井技术相比，旋冲钻井技术可利用冲击器加快钻井作业速度，有助于提升钻井效率。以实际钻井工作为例，钻井人员可在井底安装冲击器，利用动力装置驱动冲击器工作，并且也可将冲击器安装在岩芯管上端，有助于提升钻井效率。在钻井时，作业人员可通过使用钻井液、高压气体等作为力传递的媒介，确保冲击器可以反复进行冲撞运动。随着钻头撞击频率的增加，在冲击载荷的作用下，岩石会被钻头的静压旋转作用击碎。即便岩石的硬度比较大，在旋冲钻井技术的作用下岩石外表层会出现裂痕，随着冲击力的进一步作用，裂缝程度会逐渐增加，从而呈现出破碎状态。

旋冲钻井技术的应用特点可总结为以下几点：①在钻进过程中，由于冲击力与回旋刮削的共同作用，钻头可以将坚硬的岩石瞬间击碎。②在旋冲钻井技术的帮助下，即便岩石体积比较大、硬度比较硬，均可快速有效地击碎，降低了钻进难度。③与传统钻井技术相比，旋冲钻井技术的冲击频率更高，利用高频冲击将岩石击碎，提升了击碎岩石的效率。④为了加快钻井效率，利用旋冲钻井技术可以大幅度缩短击碎岩石的时间，由于是利用高频冲击作用，钻头可以得到更好的保护，提升了钻头的工作年限。⑤为了提高钻速与钻压，可提前分析钻柱结构的受力情况，根据分析结果选择合适旋冲作用力，加快钻井 速度。

3 冲击器的工作原理

在应用旋冲钻井技术时，冲击器是其中不可或缺的组成部分。与其他器械相比，冲击器包含了许多精密的元器件，所以使得其结构十分复杂。冲击器有多种功能，例如冲击、配水等。在冲击器结构中，不同元器件的功能也存在差异，在冲击器工作期间，不同元器件需要紧密配合，方可将冲击器的作用发挥出来，提升旋冲钻井技术的应用效果。在冲击器工作时，为了使动能与势能之间的转换更有效率，需要在冲击器中添加配水功能，保证钻井工作可以有序进行。为了实现配水功能，需要将接头、配水阀等部件安装在冲击器结构中。另外，为了防止出现回水问题，需要将回水部件安装到冲击器上，并且可以使动能更有效地转换为冲锤动能，提升钻井效果。在应用旋冲钻井技术时，为了给冲击器营造良好工作环境，需要在扭矩传递元器件的帮助下，将扭矩传输给冲击器，从而增加冲锤的冲击荷载，确保钻柱作业可以高质量进行。在使用冲击器时，冲击器会对井下气流与液流进行分析，随后根据分析结果开启配水阀，确保液流、气流可以在冲击器上部分离开来，使冲击头水槽结构进入足量的气流与液流。在冲击器工作期间，如果液体回流不及时，将会导致大量液流、气流堵塞在冲击器结构中。随着冲击器不断工作，在液体强大压力的作用下，冲锤的工作速度也会明显提升，当冲锤的工作速度达到额定工作状态后，配水阀会自动关闭，液流快速下行，在液体压强、上阀套与钻头三者不断反复作用下，冲击器可以实现反复且持续性的工作。

4 气动旋冲钻井技术

4.1 气动冲击器分类

气动冲击器根据配气方式不同，可以分为两个大类，即：有阀式气动冲击器与无阀式气动冲击器。有阀式气动冲击器，其结构中的活塞是由压缩空气驱动，在阀片的作用下控制压缩空气的进气量。无阀式气动冲击器中设置有潜孔锤，配气系统布设在活塞与缸体侧壁上，由配气系统控制活塞实现反复工作。经过科研人员的努力，具有独特空气传输槽、底阀等结构的空气锤结构应运而生，其将空气通道设置在冲击器结构中，与其他元器件协同工作，确保空气锤可以实现上下、交替工作。

4.2 气动冲击器主要特点

气动冲击器工作特点可以概括为：①气柱压力小，并且由于介质密度低，增加了岩石破碎概率。②在气动冲击器工作时，由于返回风速比较快，岩屑可以快速清理干净，降低岩屑反复破碎概率，提升钻井速度。③气动冲击器在工作时，仅用空气便可实现冲击器的反复运动，操作更加简单、经济。

5 液动旋冲钻井技术

5.1 液动冲击器分类

根据驱动介质不同，液动冲击器可以分为两个类别，即水力冲击器与高压油冲击器。在石油钻井工作中，水力冲击器较为常见，其根据作用方式不同，可以分为阀式正作用、阀式双作用、阀式反作用3种形式。图1为射流式结构图，图2为阀式液动旋冲器结构图。

图1 射流式冲击器结构

图2 阀式液动冲击器结构

5.2 液动冲击器主要特点

液动冲击器的工作特点可以概述为：①液动冲击器的能量转化率更高，使用更加经济。②液动冲击器的操作更加便捷，节能人工成本。③钻井液是驱动液动冲击器工作的主要介质，携岩能力优于气动冲击器。④在石油钻井领域，液动旋冲钻井技术的适用性更好。

6 旋冲钻井技术在石油钻井中的应用路径

6.1 常见类型

6.1.1 气动

在应用气动旋冲钻井技术时，冲击器需要搭配气动动力源。根据阀门类型不同，气动冲击器可分为有阀类和无阀类两种类型。对于上述两种冲击器，主要区别是冲击器是否配备有调气阀片。在气动冲击器的作用下，其可以用旋转的方式对岩石进行冲击，并且岩屑不会出现反复破碎，冲击效果与钻井效率可以得到显著提升。

6.1.2 液动

液动冲击钻井技术的动力源为液体，在深地层且岩石硬度较硬时，开采企业可选用液动旋冲技术完成钻井作业。在选用液动旋冲钻井技术时，可根据工况要求选用高压油、水力两种技术类型。在钻井过程中，水力冲击器的驱动介质主要为水，介质来源广泛，并且能耗更低，携岩能力出众，所以水力冲击器的使用成本比较低，成了石油钻井作业普遍使用的冲击器类型。

对于水利冲击器而言，其有三种类别：吸射类、 射流类以及阀式液力冲击器。以阀式液动冲击器为例，在钻井工程中，阀式液动冲击器的运动构件有限，即便是比较恶劣的钻井工况，均不会对阀式液动冲击器的工作产生影响。因此，为了确保岩体的破碎程度符合钻井要求，可根据实际井深参数选用合适的阀式液动冲击器。随着冲击器制作工艺的不断进步，冲击器经历了直径从小逐步增大的过程，在创新驱动力作用下，液动冲击器的产品类型不断丰富，从而适应各种钻井工况要求。在钻井过程中，液动旋冲钻井技术的应用，可以将井下地层中坚硬的岩石击碎。随着我国钻井工程的不断增加，为了提升我国钻井工程的经济效益，加大3km井段的钻探规模，需要从技术研发角度入手，不断提升液动冲击器工作的可靠性，延长冲击器工作年限，使开采深度逐步增加。

与此同时，为了提升钻井效率，需要不断提升旋冲钻井钻头的科技含量，使冲击器可以适应更多工况，无论是定向井还是直井，均可使用冲击器完成钻井工作。最后，积极引入计算机技术，利用计算机对冲击器的工作参数进行分析，找出冲击器运行规律，及时调节冲击器工作状态，实现提升冲击器工作效率的 目的。

6.2 旋冲钻井技术的应用思路

在开采石油资源过程中，为了提高钻井速度，旋冲钻井技术的应用要引起开采企业关注。当前，旋冲钻井技术主要以液动方式为主，原因是气源供给存在难度，使得气动旋冲钻井技术在油田开采工作中存在一定使用难度。但是，无论选用何种钻井技术，均需要不断优化冲击器工作性能，提升冲击器对各种工况条件的适应能力。因此，在设计冲击器时，要以多工况适应条件为基础，增加冲击器的产品种类，确保硬岩钻井问题可以得到有效解决。另外，做好科研工作，无疑是提升旋冲钻井技术的关键。因此，开采企业应投入更多资金研究旋冲钻井技术，不断增加冲击器的冲击功，延长冲击器的工作年限，确保冲击器可以可靠工作。除了做好科研工作外，开采企业还应拓展旋冲钻井技术的应用领域，例如，在大位移井、定向井中应用旋冲钻井技术，积极优化改进冲击结构参数，确保深部勘探工作可以顺利开展。以DGSC型液动射流冲击器为例，双稳射流元件是其控制结构中主要构件，由于双稳射流元件具有良好的切换性与附壁性，所以冲击器中的流体进入方式更加可控，确保活塞可以反复有规律的工作。与其他冲击器相比，DGSC型液动射流冲击器的元器件数量少，结构简单，所以冲击器在工作时不会过多地磨损，提升了冲击器的工作年限，并且可在深井环境下工作，如果与硬质合金钻头搭配，其可大幅度提升大体积岩石的击碎效果。

7 结语

随着我国石油资源消耗的不断加剧，为了提升石油资源的开采效率，需要从旋冲钻井技术入手，加大旋冲钻井技术的研究力度，投入更多资金优化旋冲钻井技术工艺，增强旋冲钻井技术击碎坚硬岩石的效果，提升整个旋冲钻井技术应用的稳定性与可靠性，解决实际钻井工作中存在的问题，对提升石油钻井工作效率与速度具有重要意义。