摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的高速增長，人類社會對石油資源的依賴程度越來越高。鉆井是石油開采作業(yè)中的重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到油田的開采效率和開采安全。石油鉆井工程量大，鉆井效率受到具體地理環(huán)境和地質(zhì)條件的影響較大。受到我國石油開采技術(shù)和淺表石油儲備的影響，石油開采深度不斷提升。旋沖鉆井技術(shù)能夠顯著提升石油鉆井效率，有效改善傳鉆井設(shè)備縱向沖擊力不足的弊端。近年來，旋沖鉆井技術(shù)在國內(nèi)外石油開采中廣泛運(yùn)用，反饋良好。本文主要結(jié)合兩種旋沖鉆井設(shè)備，深入分析其工作原理和結(jié)構(gòu)組成，探索該技術(shù)在石油鉆井行業(yè)中的合理運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：旋沖鉆井技術(shù);石油鉆井;具體應(yīng)用

近年來，我國石油供求矛盾日漸加大，產(chǎn)需嚴(yán)重失衡。鉆井技術(shù)的革新有助于促進(jìn)我國石油開采效率和開采質(zhì)量的提升。在我國廣闊的領(lǐng)土下埋藏著豐富的石油資源，淺表油層的開采已經(jīng)步入尾聲，在深層儲油層的開采過程中，連續(xù)且堅(jiān)硬的巖層是鉆井階段最大的阻礙。旋沖鉆井技術(shù)在鉆頭旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的同時(shí)采用氣動或液壓的形式推動鉆頭向下運(yùn)動，在保護(hù)鉆頭的同時(shí)，提升了巖層破碎效果。不同于研磨破碎，沖擊加研磨的形式能夠有效破壞巖層的整體結(jié)構(gòu)，為油田的開采縮短準(zhǔn)備時(shí)間。

1 旋沖鉆井技術(shù)的相關(guān)概念

1.1 旋沖鉆井技術(shù)的定義

旋沖鉆井即利用旋轉(zhuǎn)和沖擊兩種作用力對巖層進(jìn)行破碎，傳統(tǒng)鉆井中使用的旋轉(zhuǎn)鉆頭向下的作用力不足，在豎式油井的挖掘過程中，給高速旋轉(zhuǎn)的鉆頭以向下的沖擊力。綜合旋轉(zhuǎn)鉆頭和沖擊鉆的共同優(yōu)勢，旋沖鉆井能夠大大延長轉(zhuǎn)頭的使用壽命，鉆頭在沖擊的過程中高速旋轉(zhuǎn)避免了鉆頭受力不均從而鈍化。在傳統(tǒng)的鉆井過程中，使用旋轉(zhuǎn)鉆頭配合炸藥進(jìn)行巖層爆破，而旋沖鉆井技術(shù)則能夠提升鉆頭爆發(fā)力，節(jié)省炸藥爆破帶來的不確定性風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 旋沖鉆井技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

1.2.1 沖擊力更強(qiáng)

旋沖鉆井設(shè)備向下的作用力更強(qiáng)，既有水平方向的受力，又有垂直方向的受力，在復(fù)雜的力學(xué)沖擊下，巖層更容易出現(xiàn)受力不均而產(chǎn)生破碎的現(xiàn)象。旋轉(zhuǎn)鉆頭需要不斷給予向下的作用力是鉆井設(shè)備能夠保證穩(wěn)定運(yùn)行，旋沖鉆井作用形式類似于活塞運(yùn)動，沖擊具有周期性、頓挫性。能夠利用慣性將巖石粉碎。

1.2.2 粉碎成功率高

多重施壓能夠加速巖石的破碎概率。對于大型巖層，研磨破碎的方法成功率極低，不僅僅耗時(shí)較長且效果不佳。旋沖鉆井通過調(diào)整沖擊頻率，能夠大大提升巖層破碎的成功率。

1.2.3 沖擊方向固定

在鉆井過程中，旋沖鉆井技術(shù)沖擊力垂直向下，偏移度可控。低下油井的形狀更為規(guī)整，且對周邊巖層的破壞程度極低。有效保證了周邊巖層的穩(wěn)定性，導(dǎo)致油井坍塌的情況發(fā)生。

1.2.4 能耗更低

旋沖鉆井設(shè)備根據(jù)動力供應(yīng)情況分為氣動和液壓控制兩種，其能源消耗量較低，對能源的利用率高。尤其是液動沖擊裝置，液壓裝置快速推動沖擊器完成一次撞擊后復(fù)位。此外，旋沖鉆井設(shè)備由于具備向下的作用力，因此對鉆頭轉(zhuǎn)速的要求可以適當(dāng)降低。

1.3 鉆井技術(shù)改進(jìn)的意義

石油作為當(dāng)前最主流的工業(yè)能源是維持社會穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)增長的關(guān)鍵。長期以來，我國石油開采效率難以滿足國內(nèi)巨大的能源消費(fèi)市場，我國石油供應(yīng)主要依賴進(jìn)口。創(chuàng)新開采工藝，提升石油開采效率已經(jīng)成為當(dāng)下緩解我國能源緊張問題的重要舉措。眾所周知，鉆井是石油開采過程中耗時(shí)最長、不確定性最大的步驟。在鉆探過程中，遇到硬度高、厚度大的深層巖層時(shí)，開采進(jìn)度就會受到影響。鉆井設(shè)備和鉆井技術(shù)的改良能夠?yàn)槲覈彤a(chǎn)能的提升提供重要的技術(shù)支持。

2 旋沖鉆井技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

關(guān)于沖擊鉆的使用最早可以追溯到20世紀(jì)初，旋沖鉆井技術(shù)有效彌補(bǔ)了旋轉(zhuǎn)鉆頭和沖擊鉆頭的不足，解決了兩種鉆井設(shè)備來回切換的問題。自問世以來，旋沖磚井設(shè)備在各行各業(yè)得到了廣泛的運(yùn)用。尤其是在堅(jiān)硬物質(zhì)的破拆過程中成效突出。目前，在石油開采過程中，旋沖鉆井設(shè)備主要有兩種動力形式，分別為氣動和液壓兩種。以上兩者均具備清潔度高、能耗低、原料獲取簡單等特點(diǎn)。以下將分別就氣動和液壓控制的旋沖鉆井設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 氣動旋沖鉆井設(shè)備

相比于液壓旋沖鉆井設(shè)備而言，氣動旋沖鉆井設(shè)備問世時(shí)間更早。早在20世紀(jì)中期，氣動旋沖鉆井設(shè)備就已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到鉆井中來。利用壓縮空氣產(chǎn)生巨大的氣壓，以活塞的形式將位于鉆頭初出的沖擊器向下沖擊，隨后，剩余的空氣有能夠使活塞向上復(fù)位。相比于液壓裝置而言，氣動控制的旋沖設(shè)備動力更加強(qiáng)勁，沖擊力度能夠隨氣壓大小的變化而不斷改變。直到目前，氣動旋沖鉆井設(shè)備仍然被世界各國所廣泛運(yùn)用。除動力強(qiáng)勁外，氣動裝置在沖擊器完成沖擊的瞬間會向下方產(chǎn)生一定強(qiáng)度的氣流，適當(dāng)活塞內(nèi)部壓力。而這一部分氣流又能夠?qū)_擊過程中產(chǎn)生的巖石粉末沖刷干凈。保證沖擊面的整潔，為下一次沖擊準(zhǔn)備良好的表面環(huán)境。但氣動旋沖鉆井設(shè)備在工作過程中需要不斷的進(jìn)行空氣壓縮，對電能的消耗量大。

2.2 液動旋沖設(shè)備

液壓裝置主要通過液壓管內(nèi)的液體作為驅(qū)動介質(zhì)推動閥門雙向運(yùn)動。液壓旋沖設(shè)備雖然動力不去氣動旋沖設(shè)備，但整體而言綜合性能優(yōu)良，對能源的消耗量低下，相關(guān)配套設(shè)備數(shù)量更少。其價(jià)格也明顯高于氣動旋沖設(shè)備。不均是氣動旋沖設(shè)備還是液動旋沖設(shè)備，二者在做工方式和內(nèi)部結(jié)構(gòu)上大同小異。以氣動式旋沖設(shè)備為例，活塞隨氣流的的上下運(yùn)動而帶動沖擊器運(yùn)動。最早的氣動旋沖設(shè)備均為有閥式，利用閥門控制活塞運(yùn)動。隨著機(jī)械化水平的提升，壓縮缸內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)日益精密，在缸體內(nèi)壁有配氣系統(tǒng)能夠幫助活塞完成上下運(yùn)動。

2.3 DGSC型液動射流沖擊器

上文中提到氣動旋沖設(shè)備可分為有閥式和無閥式兩種。而液動旋沖設(shè)備則可以根據(jù)內(nèi)部液體工作形式分為閥式、射流式和射吸式三種主要類型。液動射流沖擊器主要由三部分組成，即控制裝置、傳動裝置、撞擊裝置。液動射流沖擊器對水資源的利用率較高，能夠在鉆頭旋轉(zhuǎn)和沖擊的過程中通過排水降低鉆頭溫度，提升鉆頭使用壽命。DGSC型液動射流沖擊器是我國應(yīng)對原油開采過程中，巖層破碎困難這一客觀情況自主研發(fā)的國產(chǎn)巖層破碎設(shè)備。在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中，該設(shè)備取得了良好的使用效果。該型沖擊器由左右兩個(gè)部分構(gòu)成，兩個(gè)腔室交替進(jìn)行作業(yè)，水流完成一個(gè)循環(huán)即左右兩個(gè)腔室各完成一次做工。液體經(jīng)過上腔流入下腔，帶動沖擊裝置做工一次，這時(shí)在活塞的末端注入新的射流，在完成活塞復(fù)位的同時(shí)，新的射流進(jìn)入左側(cè)腔室，類似右側(cè)，完成一次做工。整合過程主要采用電信號激發(fā)，沖擊器反應(yīng)速度快，上下缸和左右缸實(shí)現(xiàn)液體的動態(tài)環(huán)流。同時(shí)在內(nèi)部元件的壓蓋上存在較多的分流孔，避免內(nèi)部壓力持續(xù)增大，分流孔的設(shè)計(jì)能夠有效調(diào)節(jié)內(nèi)部艙室的壓力。整個(gè)射流沖擊器內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對簡單，動力來源于液體的相對流動，這種結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了水流動力學(xué)的特性，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到最大限度的簡化。在設(shè)備工作過程中，內(nèi)部活動零部件相對較少，能夠有效降低零部件的磨損率，提升整個(gè)設(shè)備的使用年限。射流沖擊器采用射流的形式代替了閥片的功能，采用電激活的形式維修簡便，持久耐用。

2.3.1 液動射流沖擊器動力充足

液動射流沖擊器在傳統(tǒng)氣動旋沖設(shè)備和液動旋沖設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行了全面改進(jìn)，在動力上不屬于氣動沖擊器，在能耗方面明顯優(yōu)于液動沖擊器。在液動沖擊器的基礎(chǔ)上更換了閥門控制，改為射流控制，利用水流動力學(xué)在幫助活塞實(shí)現(xiàn)復(fù)試功能的基礎(chǔ)上降低對活塞下落的組成，沖擊器也能夠獲得更大的動能。

2.3.2 功能穩(wěn)定

射流沖擊器的功能相對穩(wěn)定，內(nèi)部專門設(shè)計(jì)的分流孔能夠在設(shè)備突然停機(jī)時(shí)，快速釋放內(nèi)部壓力，避免完成內(nèi)部活塞位置異常，影響下次啟動。河流沖擊器的研發(fā)充分考慮了液動沖擊器在使用過程中容易出現(xiàn)的故障，通過對內(nèi)部腔室的結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)水流動力的可持續(xù)驅(qū)動。

2.3.3 使用面廣

液動射流沖擊器應(yīng)當(dāng)輕松應(yīng)對花崗巖、細(xì)砂巖、石英巖等硬度不同、體積不同的巖層。能夠輕松應(yīng)對地下3000m以內(nèi)的深層鉆井作業(yè)。通過實(shí)驗(yàn)室研究，針對不同的巖層硬度和深度，只需要對鉆頭的轉(zhuǎn)速和射流的流量進(jìn)行調(diào)試，適當(dāng)調(diào)整轉(zhuǎn)速比。在實(shí)際應(yīng)用中，該型沖擊器功能穩(wěn)定，故障率低下，沖擊、破碎效果良好。

3 旋沖鉆井技術(shù)在石油鉆井中的發(fā)展前景

3.1 智能化遠(yuǎn)程控制

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將電氣系統(tǒng)同計(jì)算機(jī)設(shè)備結(jié)合起來。完善液動射流沖擊器的沖擊功測量，通過外部傳感器建設(shè)，實(shí)現(xiàn)對沖擊器做功情況的遠(yuǎn)程監(jiān)測。通過完善對液動沖擊功的測量，不斷優(yōu)化沖擊器的做功設(shè)計(jì)，尤其是內(nèi)部腔室的設(shè)計(jì)，內(nèi)部腔室越大，對水流動力學(xué)的影響就越大。現(xiàn)階段主流沖擊功測量方法有應(yīng)力波測量、霍爾傳感器測量和電磁感應(yīng)發(fā)。通過完善沖擊器做功測量，實(shí)現(xiàn)液動射流沖擊器的動態(tài)控制。

3.2 打造沖擊器產(chǎn)品和功能的多樣化

隨著我國機(jī)械化水平的提神，沖擊器的設(shè)計(jì)和研發(fā)能力進(jìn)一步增強(qiáng)。值得注意的是，現(xiàn)階段我國自主研發(fā)的沖擊器只能夠在3000m深度以內(nèi)正常使用，超過3000m深度我國現(xiàn)有的沖擊器就難以勝任。不斷完善設(shè)計(jì)理念和功能，完善配套體系建設(shè)，實(shí)現(xiàn)鉆井深度的不斷突破。隨著長期的石油開采，我國石油開采深度將會不斷提升，因此必須加快高性能沖擊器的研發(fā)速度。在沖擊器型號上，應(yīng)當(dāng)結(jié)合具體鉆井需求，不斷提升沖擊直徑。根據(jù)井眼大小選擇適當(dāng)?shù)臎_擊器，如此一來，在顯著提升施工效率的同時(shí)，保證施工質(zhì)量。在沖擊器規(guī)格提升的過程中，應(yīng)當(dāng)做好沖擊功加強(qiáng)的準(zhǔn)備，沖擊器直徑越大，對設(shè)備沖擊功的要求就越高。

3.3 豐富鉆頭設(shè)計(jì)

鉆頭是整合旋沖設(shè)備的核心，首先應(yīng)當(dāng)不斷促進(jìn)鉆頭質(zhì)量的提升。創(chuàng)新鉆頭材質(zhì)研究，采用復(fù)合型材料，在提升鉆頭耐腐蝕性的同時(shí)，提升鉆頭的整體強(qiáng)度。在鉆頭型號和規(guī)格上，結(jié)合具體鉆井工作和其他行業(yè)的需要，不斷豐富鉆頭的型號，促進(jìn)巖石破碎成功率的提升。

3.4 加強(qiáng)模擬試驗(yàn)

液動射流沖擊器的研發(fā)標(biāo)志著我國已經(jīng)具備較強(qiáng)的沖擊器研發(fā)能力，然而，整體上來看，我國旋沖設(shè)備的創(chuàng)新程度還不高。根源在于我國研發(fā)團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不足，對沖擊器做功形式的認(rèn)識不夠全面。因此，通過模擬實(shí)驗(yàn)，分析沖擊器在工作過程中的做功特點(diǎn)，不斷調(diào)整參數(shù)，實(shí)現(xiàn)沖擊器功能的最大化。

4 結(jié)束語

旋沖鉆井技術(shù)關(guān)系到我國石油開采效率，意義重大。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，我國石油供應(yīng)不足的短板將會日益突出。加強(qiáng)對沖擊鉆井技術(shù)的研發(fā)和利用既是我國實(shí)現(xiàn)石油開采技術(shù)創(chuàng)新的需要，也是我國應(yīng)對國家能源問題的重要舉措。一方面，應(yīng)當(dāng)及時(shí)收集鉆井工作中存在的問題，另一方面，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，優(yōu)化有效的旋沖裝置，促進(jìn)其規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]張春鶴.石油鉆井中旋沖鉆井技術(shù)的應(yīng)用探討[J].石油和化工設(shè)備，2019，22（12）：88-90.

作者簡介：

王榮，陜西商洛人，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）石油工程學(xué)士，海洋地質(zhì)碩士，工程師。