宋泓鋼

（中國石化西北油田分公司監(jiān)督中心，新疆輪臺 841600）

1 概述

旋沖鉆井技術(shù)原理：在鉆頭上部增加一個(gè)液動沖擊器，鉆進(jìn)過程中，鉆頭在一定鉆壓下隨鉆柱旋轉(zhuǎn)，同時(shí)還受到來自沖擊器的脈動沖擊，并在鉆壓、旋轉(zhuǎn)和脈動沖擊下聯(lián)合作用破碎巖石[1-6]。這種脈動沖擊是一種加載速度很快的動載荷，其明顯特征是作用時(shí)間短，可使鉆頭齒下巖石在外載作用下的接觸應(yīng)力瞬時(shí)達(dá)到很高值，這種沖擊力有利于巖石形成微裂隙并擴(kuò)展而形成“體積破碎”穴，從而提高破巖鉆進(jìn)效率，縮短鉆井周期，降低鉆井成本[7-10]。旋沖鉆井具有提高硬巖地層鉆進(jìn)效率、提高鉆壓傳遞效率等優(yōu)點(diǎn)[11-13]，同時(shí)該項(xiàng)技術(shù)還具有預(yù)防井斜的功能，特別是對有地層傾角的巖層，能保證良好的井身質(zhì)量。

旋沖鉆井破碎巖石是鉆頭在常規(guī)鉆壓和扭矩作用的同時(shí)，通過沖擊器施加一定頻率的沖擊載荷。巖石受到由鉆壓產(chǎn)生的力、沖擊產(chǎn)生的間斷沖擊動載以及鉆頭旋轉(zhuǎn)扭矩產(chǎn)生的水平推力的共同作用（見圖1）。

圖1 旋沖破巖機(jī)理示意圖

使用該技術(shù)在深井超深井硬地層較傳統(tǒng)鉆井方式提高鉆進(jìn)效率30%～70%，降低鉆進(jìn)成本20%～30%。液動沖擊器配合牙輪、PDC 鉆頭使用，也可用于直井、水平井及定向井提速。與氣動旋沖鉆井技術(shù)對比，不需要空壓機(jī)等額外的輔助設(shè)備，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，沒有噪聲和空氣污染，有利于環(huán)保。解決了氣動旋沖鉆井不適用于深井、超深井及出水地層鉆井提速難題。

2 液動沖擊器類型及特點(diǎn)

液動旋沖鉆井技術(shù)的核心工具是液動沖擊器，液動沖擊器通常分為有閥式和無閥式兩大類[14]，其中，有閥式分為正作用、反作用和雙作用三種，無閥式包括射流式液動沖擊器、射吸式液動沖擊器兩種，目前國內(nèi)外許多企業(yè)和科研單位都在進(jìn)行液動沖擊器的研究，并取得了良好效果[14]。下面根據(jù)上述各類型液動沖擊器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行簡單介紹。

2.1 正作用液動沖擊器

正作用液動沖擊器的活塞-沖錘加速和沖擊砧子的動作依靠水流能量實(shí)現(xiàn)，而活塞返回初始狀態(tài)則靠壓縮彈簧儲存的能量。這種沖擊器結(jié)構(gòu)簡單（見圖2），技術(shù)成熟，工作性能穩(wěn)定，對環(huán)境（巖層、孔深、沖洗介質(zhì)、設(shè)備等）適應(yīng)能力強(qiáng)，操作調(diào)試方便，因此深受施工現(xiàn)場的歡迎，然而回動彈簧的反作用力會抵消相當(dāng)大的沖擊力，同時(shí)存在彈簧在高頻沖擊作用下壽命短，適用于淺層硬脆性巖石，如花崗巖、砂巖、玄武巖等，在彈塑性巖石中效果不好。得到成功應(yīng)用的包括蘇聯(lián)的г-5A，г-7，г-8，г-9 型正作用液動沖擊器，獲得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，我國設(shè)計(jì)研發(fā)的YZ 系列、ZF 系列、ZG 系列也均取得了良好效果[15]。

圖2 正作用液動沖擊器

2.2 反作用液動沖擊器

反作用液動沖擊器又稱為儲能式?jīng)_擊器（見圖3），與正作用液動沖擊器相反，其活塞-沖錘加速和沖擊砧子作用取決于活塞-沖錘質(zhì)量和彈簧的壓縮能量，而活塞-沖錘上升-復(fù)位動作靠水力沖擊作用。這類沖擊器靠壓縮彈簧釋放的能量和沖錘自重同時(shí)作用，故可獲得較大的單次沖擊功，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易損件較多，彈簧工作壽命短，為使沖錘快速上移，需要消耗大量泵量，因此在實(shí)際工程中應(yīng)用較少。得到應(yīng)用的包括蘇聯(lián)研制的гBMC-5M 型、我國研制的79-3 型。

圖3 反作用液動沖擊器

2.3 雙作用液動沖擊器

雙作用液動沖擊器活塞-沖錘沖程與回程均由液體壓力作用完成（見圖4），不依賴彈簧作用，此類沖擊器采用差動運(yùn)動方式，所以設(shè)計(jì)有既能滑動又能隔壓的密封件，從理論上講，該沖擊器液流利用率較高[13]。目前國內(nèi)外對雙作用液動沖擊器研究較為深入，并逐漸改善其工作面性能，美國泛美石油公司研制的閥式雙作用液動沖擊器，在2 400 m 內(nèi)井段進(jìn)行試驗(yàn)，單次沖擊功達(dá)794 J，在石灰?guī)r中鉆進(jìn)效率提高96%～350%；美國Smith Tool 公司研制雙作用液動沖擊器沖錘質(zhì)量大，獲得了1 000 J 以上的單次沖擊功；我國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所研發(fā)的YZX 系列復(fù)合式雙作用液動沖擊器，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，減少密封副，有效降低了運(yùn)動件的卡阻幾率，取消了固定式節(jié)流環(huán)，減少擊砧時(shí)的水墊作用，可自由調(diào)節(jié)沖錘行程，沖擊功大，能量利用率達(dá)10%以上，工作穩(wěn)定。在大陸科學(xué)鉆探工程-CCSD1井施工中，YZX127 液動沖擊器平均鉆進(jìn)效率1.32 m/h，最高達(dá)2.46 m/h，比純回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)提高近一倍，同時(shí)巖心采取率達(dá)90%以上。

圖4 雙作用液動沖擊器

2.4 射吸式液動沖擊器

射吸式液動沖擊器利用高壓液流噴射時(shí)的卷吸作用使活塞-沖錘的上下腔產(chǎn)生交變壓力差推動活塞往復(fù)運(yùn)動（見圖5）。射吸式液動沖擊器結(jié)構(gòu)簡單由工作液流的體積壓力推動沖錘做功，流量大沖錘輸出的能量則大，當(dāng)流量穩(wěn)定時(shí)，頻率和沖擊功也很穩(wěn)定，能量利用率高，工作壽命長。在塔里木工程現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，相比于常規(guī)鉆具可提速133%。

圖5 射吸式液動沖擊器

2.5 射流式液動沖擊器

射流式液動沖擊器是我國自主研發(fā)的液動沖擊器（見圖6），具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)，因其采用無運(yùn)動件的射流原件為控制件，故與國內(nèi)外各類液動沖擊器相比，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，無彈簧、活閥等易損件，鉆頭壽命更長，具有較高的能量利用率[10]。與同類技術(shù)對比，在提高效率、降低成本、節(jié)能減排、改善性能、提升品質(zhì)等方面具有明顯技術(shù)優(yōu)勢：與液動閥式?jīng)_擊器對比，其結(jié)構(gòu)中沒有閥和彈簧等易損件，質(zhì)量穩(wěn)定，井下安全，在任何情況下不存在憋壓現(xiàn)象，其性能參數(shù)（沖擊功、沖擊頻率）可調(diào)范圍大，硬地層提速提效更為顯著。

圖6 射流式液動沖擊器

（1）適用范圍廣。已在國內(nèi)開展工業(yè)化應(yīng)用，取得良好的提速提效效果。首先，不受圍壓影響，可用于深井、超深井硬地層提速，應(yīng)用井深達(dá)7 000 m；其次，實(shí)現(xiàn)了系列化，可配合不同類型鉆頭使用，適用不同井徑、井型，在直井、定向井及水平井。同時(shí)延長鉆頭壽命，減少井下復(fù)雜時(shí)間，防斜打快，保證井身質(zhì)量。

（2）除活塞、沖錘外，無其他運(yùn)動零件，沒有彈簧等易損件，工作可靠，運(yùn)動副（活塞與缸體）采用金屬密封，表面采用激光涂覆處理技術(shù)，適用溫度達(dá)260 ℃。一方面，突破了工作壽命短的技術(shù)瓶頸，井下最長工作壽命達(dá)273 h。另一方面可用于高溫、高壓等復(fù)雜工況條件。

（3）沖錘行程和錘重可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)軸向大功率旋轉(zhuǎn)沖擊破巖，最大沖擊功可達(dá)1 000 J 以上，是同類提速工具1.5 倍，可破碎最堅(jiān)硬巖石。其性能參數(shù)可調(diào)，可根據(jù)地層巖性和井況要求進(jìn)行調(diào)整，做到了依據(jù)不同巖層科學(xué)的強(qiáng)化鉆井參數(shù)，進(jìn)而取得最優(yōu)的提速效果。因?yàn)榭s短鉆井周期，節(jié)約了大量的泥漿及各種有機(jī)化學(xué)處理劑，有利于節(jié)能減排。

3 技術(shù)現(xiàn)狀

旋沖鉆井技術(shù)是在常規(guī)鉆井基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)鉆井新技術(shù)，液動沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)的設(shè)想始于歐洲，1867-1887 年相繼出現(xiàn)了液動沖擊鉆井工具。美國、德國、俄羅斯、澳大利亞、匈牙利等國家都有較深入的研究和少量的入井試驗(yàn)。將該技術(shù)用于油氣鉆井和卡鉆事故的處理，但至今未能得到普及應(yīng)用。國外液動沖擊器以閥式為主，主要有閥式正作用、反作用和雙作用幾種類型。

進(jìn)入20 世紀(jì)90 年代，隨著高難度油氣藏的勘探開發(fā)所占的比例越來越大。深井中遇到堅(jiān)硬地層用常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法破巖效果差，鉆進(jìn)效率低，井斜問題也日益突出，鉆井成本增加；在水平井和大位移井鉆井中，隨著水平位移的增加，水平井段的加壓越來越困難，鉆井工具的損壞也不斷增加。因此，國內(nèi)外投入大量人力物力對用液動沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)來進(jìn)行研究，目的是解決這些鉆井難題。

我國自20 世紀(jì)70 年代以來，在地礦系統(tǒng)固體礦鉆井中開始研究該技術(shù)，到20 世紀(jì)80 年代該技術(shù)進(jìn)入初步推廣應(yīng)用階段，被列為原地礦部三大重要鉆探技術(shù)之一。20 世紀(jì)90 年代該技術(shù)被引用到油氣鉆井領(lǐng)域。國土資源勘探技術(shù)研究所研制的YZX-127 型閥式雙作用沖擊器在科學(xué)鉆探得到了成功的應(yīng)用，入井深度達(dá)5 000 m。大慶油田石油鉆井研究所研制的XC型閥式雙作用沖擊器、中國石油大學(xué)研制的SYZJ 型閥式雙作用沖擊器、長慶石油管理局鉆采研究院研制的閥式液動沖擊器、西安石油大學(xué)研制的射吸式雙作用沖擊器目前處于試驗(yàn)階段。

3.1 瑞典LKAB 公司W(wǎng)assara 水力潛孔沖擊器

自1995 年以來，LKAB Wassara 所生產(chǎn)的高能水力潛孔沖擊器已經(jīng)完成了25 000 000 m 的鉆進(jìn)工作量[11]，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了采礦工程、地下工程、水利工程、地?zé)徙@井以及油氣鉆井等。Wassara 水力潛孔沖擊器直接安裝在鉆頭頂部，采用高達(dá)18 MPa 壓力的清水進(jìn)行驅(qū)動[16]。Wassara 水力潛孔沖擊器基本原理圖（見圖7），高壓清水通過左側(cè)中心通道進(jìn)入沖擊器內(nèi)部，驅(qū)動控制閥往復(fù)運(yùn)動，與此同時(shí)伴隨著流體交替進(jìn)入活塞的不同工作腔體，控制活塞進(jìn)行往復(fù)沖擊運(yùn)動。該沖擊器具有與同規(guī)格高風(fēng)壓氣動潛孔錘相當(dāng)?shù)膯未螞_擊功，沖擊末速度可達(dá)8～10 m/s，沖擊頻率為3 900 次/分鐘左右（氣動潛孔錘兩倍以上），大沖擊功，高沖擊頻率使該沖擊器的碎巖效率為氣動潛孔錘的2 倍左右[17]。

圖7 Wassara 水力潛孔沖擊器原理圖

3.2 YZX 系列高能液動錘

YZX 高能液動錘是一種閥式雙作用液動錘，由于采用容積式工作原理且沒有常規(guī)雙作用沖擊器的節(jié)流環(huán)結(jié)構(gòu)，因此，該液動錘具有較高的能量利用效率，可達(dá)10%以上，并且可以應(yīng)用于深井與超深井鉆進(jìn)[18]。YZX 系列液動錘，配合使用硬質(zhì)合金球齒鉆頭，在VII～VIII 級花崗巖鉆進(jìn)中取得了良好的效果，但仍無法達(dá)到與氣動潛孔錘相當(dāng)?shù)你@進(jìn)效率。

3.3 SC-86H 型高能射流式液動沖擊器

吉林大學(xué)針對目前硬巖地層特別是干熱巖地層，由于巖石研磨性強(qiáng)，可鉆性差，常規(guī)鉆進(jìn)方法鉆進(jìn)速度慢，鉆井成本高的問題，研發(fā)了SC-86H 型大功率液動沖擊器（見圖8）。該潛孔錘通過射流元件來實(shí)現(xiàn)液流的切換控制，相比閥式潛孔錘具有更長的使用壽命。孫強(qiáng)等使用SC-86H 型大功率液動沖擊器進(jìn)行了地面鉆進(jìn)試驗(yàn)，在鉆進(jìn)可鉆性等級為10 級的完整花崗巖時(shí)，達(dá)到的最大機(jī)械鉆速為5.19 m/h，相比常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)效率顯著提升[19]。SC-86H 型大功率液動沖擊器在河南趙固一礦進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，鉆進(jìn)地層為煤層中質(zhì)地堅(jiān)硬的灰?guī)r地層，實(shí)測的灰?guī)r抗壓強(qiáng)度大，采用PDC 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)進(jìn)尺困難。在使用大功率液動沖擊器鉆進(jìn)時(shí)，鉆進(jìn)效率較常規(guī)PDC 鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)提高了3 倍，節(jié)約了鉆進(jìn)成本[20]。

圖8 高能射流式液動沖擊器

中國石化石油工程技術(shù)研究院承擔(dān)了國家863“高效破巖沖擊器的研制及旋沖破巖工藝技術(shù)研究”。通過研究和應(yīng)用，液動射流沖擊器的井下工作壽命和破巖效率有了明顯的提高。形成了液動射流沖擊器的工作理論，建立了油氣井液動射流沖擊器的設(shè)計(jì)及制造工藝技術(shù)方法?；谏淞鞲奖诶碚?，通過CFD 模擬計(jì)算值及PIV 粒子成像測速技術(shù)試驗(yàn)，成功研制出雙穩(wěn)射流元件，形成了液動射流沖擊器的工作理論；發(fā)明了液動射流沖擊器密封及頂緊機(jī)構(gòu)，解決了核心部件射流元件沖蝕及斷裂的難題，射流元件使用壽命實(shí)現(xiàn)了革命性跨越；發(fā)明了液動射流沖擊器的一體化非橡膠密封鑄造缸體儲能機(jī)構(gòu)、防空打機(jī)構(gòu)、分流機(jī)構(gòu)及防脫機(jī)構(gòu)以及運(yùn)動副金屬密封設(shè)計(jì)，引進(jìn)了激光涂覆表面硬化技術(shù)，建立了油氣井液動射流沖擊器的設(shè)計(jì)及制造工藝技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)了液動射流沖擊器整體工作壽命的突破。突破了深井、超深井高溫、高壓、高沖蝕等工況條件下工具壽命短、功率低、安全性差等技術(shù)瓶頸，形成了油氣井復(fù)雜工況系列（Φ120 mm、Φ127 mm、Φ170 mm、Φ178 mm、Φ203 mm、Φ215 mm、Φ228 mm）液動射流沖擊器產(chǎn)品。射流式液動沖擊器應(yīng)用領(lǐng)域不斷升級拓寬[21]。從單一井徑（Φ215.9 mm）提速拓展到全井尺寸提速；從配合牙輪鉆頭提速拓展到配合PDC 鉆頭提速[22]；從深井、超深井石油鉆井提速拓展到頁巖氣勘探開發(fā)鉆井提速；應(yīng)用井型從直井拓展到水平井[23]。形成了系列液動射流沖擊器旋沖鉆井提速技術(shù)（牙輪鉆頭+射流沖擊器、PDC+射流沖擊器、PDC+射流沖擊器+動力工具）。目前，系列射流式?jīng)_擊器在國內(nèi)外工業(yè)化應(yīng)用260 余井次，平均機(jī)械鉆速提高41.3%，平均工作壽命在120 h 以上。創(chuàng)下應(yīng)用井深最深（7 000 m），純鉆時(shí)間最長（273 h），單次進(jìn)尺最多（1 050 m），適用泥漿密度最高（2.2 g/m3），耐溫260 ℃等多項(xiàng)紀(jì)錄。通過應(yīng)用形成了一套成熟的旋沖鉆井工藝。

4 發(fā)展趨勢

經(jīng)過100 多年的發(fā)展，人們對液動旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井的碎巖機(jī)理和特性認(rèn)識不斷加深，為工具的優(yōu)化和合理應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)；液動旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具結(jié)構(gòu)類型相對趨于穩(wěn)定，目前國內(nèi)油氣鉆井領(lǐng)域得到較多應(yīng)用、效果較好的是射流式液動沖擊器，從最初配牙輪鉆頭進(jìn)行垂直鉆井，到配PDC 鉆頭和進(jìn)行水平鉆井，應(yīng)用深度日益加深，最深已達(dá)到7 000 m；各種類型的液動旋沖鉆井工具，各有特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)還在不斷發(fā)展和完善之中，未來還將呈現(xiàn)互相競爭的態(tài)勢；大功率液動沖擊器已得到初步研究發(fā)展和個(gè)別工程驗(yàn)證，未來為解決深部硬巖鉆井難題，將進(jìn)一步得到深入研究和逐步推廣應(yīng)用。應(yīng)用的領(lǐng)域不斷拓寬，涉及到礦產(chǎn)勘查、水文地質(zhì)工程、巖心鉆探、巖土工程、干熱巖地?zé)豳Y源開發(fā)、極地勘察及可燃冰開采等領(lǐng)域，為國內(nèi)外非常規(guī)能源勘探開發(fā)鉆井提速提供了一種新的技術(shù)手段。

目前，液動旋沖鉆井工具多是同PDC 鉆頭或牙輪鉆頭配合使用，鉆進(jìn)時(shí)的單次沖擊功較小，多是回轉(zhuǎn)碎巖為主，沖擊碎巖為輔。在鉆進(jìn)可鉆性差的硬巖地層時(shí)，鉆進(jìn)效率相比常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式提升較小。在鉆進(jìn)研磨性強(qiáng)、可鉆性差的硬巖地層時(shí)，應(yīng)使用單次沖擊功大的鉆井工具，實(shí)現(xiàn)體積破碎，以增大硬巖地層鉆進(jìn)效率?，F(xiàn)有液動沖擊鉆井工具不能提供足夠的沖擊能量，對上述堅(jiān)硬地層提速效果有限。研發(fā)廣譜型大功率液動沖擊器及配套技術(shù)，同時(shí)研制大功率液動沖擊器配套鉆頭，為上述堅(jiān)硬地層鉆井提速提供一種新的技術(shù)手段。

隨著能源開發(fā)及科學(xué)鉆探領(lǐng)域快速發(fā)展，陸地深井超深井鉆井、深水海洋鉆井、頁巖油/氣開采、干熱巖地?zé)豳Y源開發(fā)、大陸科學(xué)鉆探、極地勘察等鉆井工作量日益增加，井深不斷加深，鉆遇地層更加古老，巖石可鉆性差，高溫、高壓、高密度、高腐蝕等復(fù)雜工況條件日趨增加。傳統(tǒng)的鉆進(jìn)破巖方式，在遇到硬巖層時(shí)，鉆進(jìn)效率很低，施工周期長，鉆進(jìn)成本高。液動沖擊器旋沖鉆井技術(shù)是提高硬地層機(jī)械鉆速的“利器”，逐漸受到重視，將進(jìn)入突飛猛進(jìn)的發(fā)展階段。

5 結(jié)論

（1）液動沖擊器旋沖鉆井技術(shù)解決了深井、超深井硬地層提速的難題。采用該技術(shù)，不需要額外配備設(shè)備，井下鉆具組合中增加液動沖擊器即可，使用方便，井下安全可靠。

（2）與氣動旋沖鉆井技術(shù)對比，不需要空壓機(jī)等額外的輔助設(shè)備，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，沒有噪聲和空氣污染，有利于環(huán)保。解決了氣動旋沖鉆井不適用于深井、超深井及出水地層。

（3）液動沖擊器旋沖鉆井技術(shù)實(shí)施大幅度縮短了鉆井周期，降低了鉆井成本，在深井超深井硬地層較傳統(tǒng)鉆井方式提高鉆進(jìn)效率30%～70%，降低鉆進(jìn)成本20%～30%。為深井、超深井復(fù)雜工況條件下鉆井提速提供技術(shù)支持。

（4）液動沖擊器旋沖鉆井技術(shù)不僅為深井超深井、油氣海洋鉆井、大陸科學(xué)鉆探及頁巖氣開發(fā)提供了有力鉆井提速技術(shù)保障，而且對于促進(jìn)干熱巖開發(fā)及可燃冰等新能源的開采技術(shù)進(jìn)步具有重要意義。