旋冲钻井技术在石油钻井中的应用

赵显龙 杜飞虎 薛永强

中国石油集团渤海钻探工程有限公司第四钻井工程分公司 河北 沧州 062552

油气开发领域当中，旋冲钻井技术作为一种常见的钻井技术，主要作用于处理石油钻井作业时遇到的破岩效率低、钻井工程长等问题。它和脉冲空化射流钻井技术以及超高压喷射钻井技术等技术相比，此技术不仅设备结构简单，还拥有投入规模小、综合应用效果好的特点。同时，旋冲钻井技术与传统钻井设备两者之间进行有机结合，能够借助对钻头的周期性增添作用力，促进钻井速度及其效率得到提高[1]。但受国内对旋冲钻井技术的研究时间较短的影响，此技术未能在全国范围当中得到全面应用。因此，对石油钻井中旋冲钻井技术的应用进行深入研究具有重要意义，也能够充分地发挥出旋冲钻井技术的实际价值。

1 旋冲钻井技术的概述

1.1 技术原理分析

旋冲钻井技术的工作原理主要是借助安装在钻头顶部的冲击器，在液动或者气动等不同动力源的作用下，推动冲击器形成较高频率的冲击力，而冲击器在冲击力的施压之下，会传递给钻头，从而让钻头在惯性的作用下，形成冲击钻进的效果。在冲击动载和压旋转的联合作用下，钻头就能够实现对不同类型的岩石进行击打、破碎，而整个钻井过程当中，冲击动载进一步扩张了岩石的裂隙，形成更大面积、更大体积的破碎情况，加速了岩石的破碎速度，缩短了石油钻井的时间[2]。旋冲钻井技术结构见图1。

图1 旋转冲击技术的结构

1.2 旋转冲击器

旋冲钻井技术施工过程当中，冲击器是最核心的零部件，它主要由配水、冲击、防回水、传递等部分组成。在实际石油钻井作业当中，首先钻井液或者气流会进入到冲击器当中，经过配水阀的处理，流经冲锤的上端再形成分流，最后直接达到冲锤头的水槽当中。其次，由于流道处于被封死的状态，钻井液或者气流，经回收到堵塞，从而形成了水击。因此当液体的压强达到一定值时，冲锤就会形成快速运动的现象；达到预设高度后，原通道自动关闭，这时下面接头中就会流出液体，使得冲锤形成惯性连续性运动。而液压与上阀套之间的相互作用，让冲锤和钻头之间发送了相互的碰撞，并形成周而复始的运动。

2 石油钻井中旋冲钻井技术的应用研究

2.1 工程概况

为了全面探究旋冲钻井技术在石油钻井作业过程中具体应用情况，选择以某省的石油钻井项目为例，对其施工技术展开研究。为提高本项目3200m之下的钻井速度，根据实际作业环境选择了对应的旋冲钻井技术，利用旋冲钻井设备对项目的地点进行了钻井作业测试，来确定本钻井技术能够在矿井的应用深度地段为4000m左右。

2.2 施工前的准备

（1）钻头确定。钻头在旋冲钻井技术中扮演着关键角色。选择不适当的钻头型号会对钻井的效率和质量产生不良影响，如钻头过度磨损或在硬岩中的破碎效果不佳。为了确保钻井的效率和质量，钻井前需要考虑地层结构、岩性、预计钻深、设备性能等多个因素，然后在此基础选择适合应用于现场施工的钻头。在石油钻井中，常用的钻头有聚晶金刚石（复合片）（PDC）钻头、固定式球齿硬质合金钻头和牙轮钻头。聚晶金刚石复合片PDC钻头适用于高频低冲击能的冲击器与破碎岩层的项目；固定式球齿硬质合金钻头抗冲击性能好，但切削硬岩效果一般，可与高能液动式冲击器配合使用以提高钻速；牙轮钻头则适用于中硬及以上的岩层，具有较强的承压和抗冲击性能。

（2）石油钻井参数配置。在配置钻井参数时，必须全面考虑旋冲钻井设备的种类和型号、清排屑的需求、井身设计、工程时间和质量标准、井壁状态等多个因素。根据现场实际情况和项目需求，制定合适的旋冲钻井技术计划，并根据钻台的试验数据和其他井的钻井经验，对计划进行持续地优化，这样一来才能够精确地计算出石油钻井作业时的最佳的钻压、转速、泵压和流量等技术参数。考虑到钻井深度、油井壁面、井深设计、钻具组合和排屑需求等因素，对于深度为3000m、直径为φ310mm的油井，其流量的经验范围是40 ～551s。这样的流量会对钻头产生巨大的冲击力。在这种冲击下，如果使用的是牙轮钻头，油田公司和技术团队必须全面评估钻头的承受能力和冲击器的性能，并在冲击器前部设置分流装置，使部分液体在不经过冲击器的情况下直接从井底排出。

在实际的旋冲钻井操作中，主要依赖钻压来破碎岩石。在钻进过程中，钻压可以确保切削齿与岩石之间的紧密配合，并有效传递冲击负荷。但实际上，钻压在岩石破碎中起到的是辅助作用，不是主要的决定因素。在钻进中硬或以下的岩石时，随着钻压的增加，钻头的进度会加快。但在硬岩中，随着钻压的增加，钻头的进度会减慢。如果使用的冲击器是射流型，那么在钻进时，必须考虑钻进深度、地层岩性、井口尺寸、钻头的承受压力和抗压强度等因素，并据此确定合适的钻压。根据过去的实践，钻压应控制在10～50kN范围内。在钻进过程中，钻头的进度与其磨损程度是正相关的。前一次的冲击所形成的破碎孔对下一次的冲击效果没有实质性影响，所以必须考虑冲击器的冲击频率、最佳的冲击时间等因素，据此确定合适的钻进速度。通常，冲击钻井的速度应控制在50～60r/min范围内。如果使用的是牙轮钻头，并且钻进的是硬岩，那么技术人员应利用岩石破碎时产生的冲击负荷，以降低钻进速度，确保井斜得到有效控制。

（3）冲击碰撞频率参数。在石油钻井施工过程中，旋冲钻井技术的冲击频率参数一般配置为20Hz上下，只有这样才能够充分确保冲击器的冲击效率，并使得冲击器设备的冲击作业效果得到提升。

2.3 具体施工技术

（1）油井井眼。首先，钻井设备在进入钻井口之前，施工人员需要根据实际情况完成对应的井眼准备工作。其次，钻井设备的钻头、气动/液动冲击器、冲击锤等设备的运行进行作业前的检查，以此保证每样设备的性能都处于最佳状态。其次，要对井底和井眼等两个部分的情况进行检查，以此确保井眼的通畅性、井底没有落物；最后，在泥浆泵和立管两者之间的连接位置装配相应的过滤网，然后再对录井参数仪设备实施校准处理，为后续钻井施工作业的安全和稳定提供保障。

（2）钻井设备试验。正式石油钻井作业开始前，考虑到现场的环境相对复杂，且每个地区的地质结构条件不同、环境不同等，均与旋冲钻井技术的工况之间存在相应的差异。因此，为了能够达到更好的钻井作业效果，需要通过试验，对旋转冲击钻井技术的每一项工艺参数进行优化、调整，从而选择一个最佳的工艺参数。首先，施工人员在完成冲击器等旋冲钻井设备后，根据标准操作要求，对冲击器进行固定；接着，启动旋冲钻具，在石油钻井项目的井口位置进行小排量的测试试验，并对泥浆泵设备的排量、立管压力等设备的参数进行测量，一直到井底设计排量为止。其次，在对石油钻井项目指标稳定值和测量值之间进行对比分析，以此来判断旋冲钻井技术的运行情况，当确认一切前期工作准确无误之后，就可停止测试作业，并将接头进行拆除，这样一来就完成了钻台的测试工作。

（3）设备下井。使用钻井设备井进行下开钻作业前，需要对泥浆的性能进行调整，以此来确保钻井液泥浆良好性能，避免发生水眼被堵的情况出现。并且，在每次下钻25～20柱需要进行循环排量60%以内的短循环操作一次。最后，在钻头下放距离和井底距离为5m时，再切换成开泵循环操作。

（4）钻进。在钻井过程当中，施工人员需要严格遵循防溜钻原则，实时观测钻压、泵压以及扭矩等方面的变化情况，以此来判断钻头的工况是否可以满足石油钻井作业的需求。接着，随着钻头不断向前钻进时，钻台设备就会显示出泵压参数、钻压参数、排量参数以及钻速等工艺参数以及硬质岩石岩屑的变化情况时，可以结合钻井作业的具体情况，对产生的问题进行分析，并采取相应的优化对策。同时，如果有必要时需要停钻操作，并将钻具提高6.0m以上的距离，以便有效避免钻具、钻头等工具被掉入的岩屑卡住，并且，在钻井时需要缓慢提高钻井冲击器的压值和泥浆泵的排量值，一直到相关参数达到钻井作业的需求之后，再保持稳定前进。

（5）起钻操作。针对起钻操作时，若是石油钻井作业过程中钻头发生工况不佳、磨损量超标、起钻遇阻等情况，施工人员可以利用高压清水对钻头、冲击器等工具表面所附着的障碍物进行清理，直到流出清水且恢复到干净状态，完成工具清洗。然后根据相关操作，先拆卸到固定冲击器的丝扣，卸下冲击器，再将钻具设备移动到对应问题，进行拆机检测，确认冲击器的上下连接头、外缸、活塞、冲锤以及射流元等器件的磨损情况，再对出现问题的部件进行更换处理。最后，按照相关顺序完成冲击器设备的组装。并将设备移动到库房进行保存即可。

3 应用实例分析

为了进一步证明旋冲钻井技术的应用效果，以配备了液动冲击器的旋冲钻井技术为例，结合依南5#、金海1#以及黑英1#等三口油井，分别展开了相应的石油钻井试验，以此判断旋冲钻井技术在实际过程中的应用效果。对这3个油田展开具体旋冲钻井试验，结果见表1：

表1 旋冲钻井技术在3个油田中的试验效果

经上述试验发现，石油钻井中旋冲钻井技术的应用，在液动冲击器的帮助下，能够达到可持续稳定地钻井效果，且每次钻井的周期均超过了80h，具有良好的效果。

4 结束语

综上所述，在石油钻井项目实际应用中，旋冲钻井技术是一门十分重要的新型钻井技术，它能够在作业时，有效避免岩性改变对钻井质量、效率和安全等造成的不良影响。同时，该技术的应用，还能够进一步提高钻井作业的质量、效率，缩短钻井的时间。油气企业需要加大对此项技术的研究力度，根据石油钻井项目具体工况，选择相对的钻头及对钻井工艺参数进行科学合理的配置，只有这样才能够最大化程度上保障石油钻井作业的高效、高质量地开采，提高油气企业的经济效益。