旋沖鉆井技術在石油鉆井中的應用

趙顯龍 杜飛虎 薛永強

中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第四鉆井工程分公司 河北 滄州 062552

油氣開發領域當中，旋沖鉆井技術作為一種常見的鉆井技術，主要作用于處理石油鉆井作業時遇到的破巖效率低、鉆井工程長等問題。它和脈沖空化射流鉆井技術以及超高壓噴射鉆井技術等技術相比，此技術不僅設備結構簡單，還擁有投入規模小、綜合應用效果好的特點。同時，旋沖鉆井技術與傳統鉆井設備兩者之間進行有機結合，能夠借助對鉆頭的周期性增添作用力，促進鉆井速度及其效率得到提高[1]。但受國內對旋沖鉆井技術的研究時間較短的影響，此技術未能在全國范圍當中得到全面應用。因此，對石油鉆井中旋沖鉆井技術的應用進行深入研究具有重要意義，也能夠充分地發揮出旋沖鉆井技術的實際價值。

1 旋沖鉆井技術的概述

1.1 技術原理分析

旋沖鉆井技術的工作原理主要是借助安裝在鉆頭頂部的沖擊器，在液動或者氣動等不同動力源的作用下，推動沖擊器形成較高頻率的沖擊力，而沖擊器在沖擊力的施壓之下，會傳遞給鉆頭，從而讓鉆頭在慣性的作用下，形成沖擊鉆進的效果。在沖擊動載和壓旋轉的聯合作用下，鉆頭就能夠實現對不同類型的巖石進行擊打、破碎，而整個鉆井過程當中，沖擊動載進一步擴張了巖石的裂隙，形成更大面積、更大體積的破碎情況，加速了巖石的破碎速度，縮短了石油鉆井的時間[2]。旋沖鉆井技術結構見圖1。

圖1 旋轉沖擊技術的結構

1.2 旋轉沖擊器

旋沖鉆井技術施工過程當中，沖擊器是最核心的零部件，它主要由配水、沖擊、防回水、傳遞等部分組成。在實際石油鉆井作業當中，首先鉆井液或者氣流會進入到沖擊器當中，經過配水閥的處理，流經沖錘的上端再形成分流，最后直接達到沖錘頭的水槽當中。其次，由于流道處于被封死的狀態，鉆井液或者氣流，經回收到堵塞，從而形成了水擊。因此當液體的壓強達到一定值時，沖錘就會形成快速運動的現象；達到預設高度后，原通道自動關閉，這時下面接頭中就會流出液體，使得沖錘形成慣性連續性運動。而液壓與上閥套之間的相互作用，讓沖錘和鉆頭之間發送了相互的碰撞，并形成周而復始的運動。

2 石油鉆井中旋沖鉆井技術的應用研究

2.1 工程概況

為了全面探究旋沖鉆井技術在石油鉆井作業過程中具體應用情況，選擇以某省的石油鉆井項目為例，對其施工技術展開研究。為提高本項目3200m之下的鉆井速度，根據實際作業環境選擇了對應的旋沖鉆井技術，利用旋沖鉆井設備對項目的地點進行了鉆井作業測試，來確定本鉆井技術能夠在礦井的應用深度地段為4000m左右。

2.2 施工前的準備

（1）鉆頭確定。鉆頭在旋沖鉆井技術中扮演著關鍵角色。選擇不適當的鉆頭型號會對鉆井的效率和質量產生不良影響，如鉆頭過度磨損或在硬巖中的破碎效果不佳。為了確保鉆井的效率和質量，鉆井前需要考慮地層結構、巖性、預計鉆深、設備性能等多個因素，然后在此基礎選擇適合應用于現場施工的鉆頭。在石油鉆井中，常用的鉆頭有聚晶金剛石（復合片）（PDC）鉆頭、固定式球齒硬質合金鉆頭和牙輪鉆頭。聚晶金剛石復合片PDC鉆頭適用于高頻低沖擊能的沖擊器與破碎巖層的項目；固定式球齒硬質合金鉆頭抗沖擊性能好，但切削硬巖效果一般，可與高能液動式沖擊器配合使用以提高鉆速；牙輪鉆頭則適用于中硬及以上的巖層，具有較強的承壓和抗沖擊性能。

（2）石油鉆井參數配置。在配置鉆井參數時，必須全面考慮旋沖鉆井設備的種類和型號、清排屑的需求、井身設計、工程時間和質量標準、井壁狀態等多個因素。根據現場實際情況和項目需求，制定合適的旋沖鉆井技術計劃，并根據鉆臺的試驗數據和其他井的鉆井經驗，對計劃進行持續地優化，這樣一來才能夠精確地計算出石油鉆井作業時的最佳的鉆壓、轉速、泵壓和流量等技術參數?？紤]到鉆井深度、油井壁面、井深設計、鉆具組合和排屑需求等因素，對于深度為3000m、直徑為φ310mm的油井，其流量的經驗范圍是40 ～551s。這樣的流量會對鉆頭產生巨大的沖擊力。在這種沖擊下，如果使用的是牙輪鉆頭，油田公司和技術團隊必須全面評估鉆頭的承受能力和沖擊器的性能，并在沖擊器前部設置分流裝置，使部分液體在不經過沖擊器的情況下直接從井底排出。

在實際的旋沖鉆井操作中，主要依賴鉆壓來破碎巖石。在鉆進過程中，鉆壓可以確保切削齒與巖石之間的緊密配合，并有效傳遞沖擊負荷。但實際上，鉆壓在巖石破碎中起到的是輔助作用，不是主要的決定因素。在鉆進中硬或以下的巖石時，隨著鉆壓的增加，鉆頭的進度會加快。但在硬巖中，隨著鉆壓的增加，鉆頭的進度會減慢。如果使用的沖擊器是射流型，那么在鉆進時，必須考慮鉆進深度、地層巖性、井口尺寸、鉆頭的承受壓力和抗壓強度等因素，并據此確定合適的鉆壓。根據過去的實踐，鉆壓應控制在10～50kN范圍內。在鉆進過程中，鉆頭的進度與其磨損程度是正相關的。前一次的沖擊所形成的破碎孔對下一次的沖擊效果沒有實質性影響，所以必須考慮沖擊器的沖擊頻率、最佳的沖擊時間等因素，據此確定合適的鉆進速度。通常，沖擊鉆井的速度應控制在50～60r/min范圍內。如果使用的是牙輪鉆頭，并且鉆進的是硬巖，那么技術人員應利用巖石破碎時產生的沖擊負荷，以降低鉆進速度，確保井斜得到有效控制。

（3）沖擊碰撞頻率參數。在石油鉆井施工過程中，旋沖鉆井技術的沖擊頻率參數一般配置為20Hz上下，只有這樣才能夠充分確保沖擊器的沖擊效率，并使得沖擊器設備的沖擊作業效果得到提升。

2.3 具體施工技術

（1）油井井眼。首先，鉆井設備在進入鉆井口之前，施工人員需要根據實際情況完成對應的井眼準備工作。其次，鉆井設備的鉆頭、氣動/液動沖擊器、沖擊錘等設備的運行進行作業前的檢查，以此保證每樣設備的性能都處于最佳狀態。其次，要對井底和井眼等兩個部分的情況進行檢查，以此確保井眼的通暢性、井底沒有落物；最后，在泥漿泵和立管兩者之間的連接位置裝配相應的過濾網，然后再對錄井參數儀設備實施校準處理，為后續鉆井施工作業的安全和穩定提供保障。

（2）鉆井設備試驗。正式石油鉆井作業開始前，考慮到現場的環境相對復雜，且每個地區的地質結構條件不同、環境不同等，均與旋沖鉆井技術的工況之間存在相應的差異。因此，為了能夠達到更好的鉆井作業效果，需要通過試驗，對旋轉沖擊鉆井技術的每一項工藝參數進行優化、調整，從而選擇一個最佳的工藝參數。首先，施工人員在完成沖擊器等旋沖鉆井設備后，根據標準操作要求，對沖擊器進行固定；接著，啟動旋沖鉆具，在石油鉆井項目的井口位置進行小排量的測試試驗，并對泥漿泵設備的排量、立管壓力等設備的參數進行測量，一直到井底設計排量為止。其次，在對石油鉆井項目指標穩定值和測量值之間進行對比分析，以此來判斷旋沖鉆井技術的運行情況，當確認一切前期工作準確無誤之后，就可停止測試作業，并將接頭進行拆除，這樣一來就完成了鉆臺的測試工作。

（3）設備下井。使用鉆井設備井進行下開鉆作業前，需要對泥漿的性能進行調整，以此來確保鉆井液泥漿良好性能，避免發生水眼被堵的情況出現。并且，在每次下鉆25～20柱需要進行循環排量60%以內的短循環操作一次。最后，在鉆頭下放距離和井底距離為5m時，再切換成開泵循環操作。

（4）鉆進。在鉆井過程當中，施工人員需要嚴格遵循防溜鉆原則，實時觀測鉆壓、泵壓以及扭矩等方面的變化情況，以此來判斷鉆頭的工況是否可以滿足石油鉆井作業的需求。接著，隨著鉆頭不斷向前鉆進時，鉆臺設備就會顯示出泵壓參數、鉆壓參數、排量參數以及鉆速等工藝參數以及硬質巖石巖屑的變化情況時，可以結合鉆井作業的具體情況，對產生的問題進行分析，并采取相應的優化對策。同時，如果有必要時需要停鉆操作，并將鉆具提高6.0m以上的距離，以便有效避免鉆具、鉆頭等工具被掉入的巖屑卡住，并且，在鉆井時需要緩慢提高鉆井沖擊器的壓值和泥漿泵的排量值，一直到相關參數達到鉆井作業的需求之后，再保持穩定前進。

（5）起鉆操作。針對起鉆操作時，若是石油鉆井作業過程中鉆頭發生工況不佳、磨損量超標、起鉆遇阻等情況，施工人員可以利用高壓清水對鉆頭、沖擊器等工具表面所附著的障礙物進行清理，直到流出清水且恢復到干凈狀態，完成工具清洗。然后根據相關操作，先拆卸到固定沖擊器的絲扣，卸下沖擊器，再將鉆具設備移動到對應問題，進行拆機檢測，確認沖擊器的上下連接頭、外缸、活塞、沖錘以及射流元等器件的磨損情況，再對出現問題的部件進行更換處理。最后，按照相關順序完成沖擊器設備的組裝。并將設備移動到庫房進行保存即可。

3 應用實例分析

為了進一步證明旋沖鉆井技術的應用效果，以配備了液動沖擊器的旋沖鉆井技術為例，結合依南5#、金海1#以及黑英1#等三口油井，分別展開了相應的石油鉆井試驗，以此判斷旋沖鉆井技術在實際過程中的應用效果。對這3個油田展開具體旋沖鉆井試驗，結果見表1：

表1 旋沖鉆井技術在3個油田中的試驗效果

經上述試驗發現，石油鉆井中旋沖鉆井技術的應用，在液動沖擊器的幫助下，能夠達到可持續穩定地鉆井效果，且每次鉆井的周期均超過了80h，具有良好的效果。

4 結束語

綜上所述，在石油鉆井項目實際應用中，旋沖鉆井技術是一門十分重要的新型鉆井技術，它能夠在作業時，有效避免巖性改變對鉆井質量、效率和安全等造成的不良影響。同時，該技術的應用，還能夠進一步提高鉆井作業的質量、效率，縮短鉆井的時間。油氣企業需要加大對此項技術的研究力度，根據石油鉆井項目具體工況，選擇相對的鉆頭及對鉆井工藝參數進行科學合理的配置，只有這樣才能夠最大化程度上保障石油鉆井作業的高效、高質量地開采，提高油氣企業的經濟效益。