液动冲击旋转钻井技术在石油钻井中的应用解析
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摘 要：随着当前石油钻井向着更深、更广的方向发展，钻井的难度正逐渐加大，深部硬地层钻进难的问题也日益突出。而液动冲击旋转钻井技术正是解决硬地层钻进问题的有效途径之一。本文从液动冲击旋转钻井技术的发展现状出发，并就其具体工作机理、工艺应用实例等方面进行了分析与探讨。
当前，在我国多个油田钻探工作中都遇到了较硬的地层情况。而传统的钻井技术主要是采用牙轮钻头并配合PDC钻头进行旋转钻进。然而这种钻探方式在遭遇较硬地层时，不仅施工周期长、钻进成本高，而且也极大降低了钻头的使用寿命。液动冲击旋转技术作为目前解决油田硬质岩层难以钻进的最为有效的方法之一，尤其是在硬质岩层钻进时，可大幅度的提高钻进效率、延长钻头使用寿命，并明显降低钻进成本。因此，在当前油田建设中积极推广和应用该钻井技术，对解决硬质岩层难以钻井的难题以及加速油田的开发进程，都有着极佳的效果。
一、液动冲击旋转钻井技术的发展现状
液动冲击旋转钻井技术是在常规钻井技术基础上，所发展而来的一项新技术新方法。该技术的设计思想最早起源于欧洲，并在上世纪相继出现了一些简易的旋转冲击钻井工具。随着近年来，高难度油气田开采所占比例的增大，深井中遭遇硬质岩层时破岩效果差、钻进效率低、钻进成本高等问题正日益突出。因此，国内外众多学者和钻井工程专家都加大了对液动冲击旋转钻井技术的研究与开发，以解决上述钻井中的难题。
我国从上世纪70年代开始，即在固体矿床勘探钻井中研究该技术，并于80年代左右正式进入了推广应用阶段，该技术也被列为了固体矿床三大重要钻探技术之一。在90年代左右，该技术被引用到了油气田钻井领域当中。而且经过大量的工程实践证明，该技术是一种非常经济、高效的钻进方法。
近年来，为加快液动冲击旋转钻井技术的研究与发展，中国石化石油工程技术研究院还承接了国家863“高效破岩冲击器的研制及旋转工艺技术研究”项目。通过不断的研究与改良，液动射流冲击器的破岩效率及工作寿命均得到了明显提高。就目前而言，新型的液动射流冲击器在井下的工作寿命已超过了120小时，最大井深已达到4000m以上。
二、液动冲击旋转钻井技术的工作原理
1.旋转冲击钻井的破岩的工作原理
旋转冲击破岩的基本原理是钻头上部增加一个液动冲击器，从而使钻井过程中钻头能在一定的钻压条件下，随着钻杆进行旋转，使钻头在钻压P、旋转力F和脉动冲击力F（t）的联合作用下迅速破碎验收（如下图1所示）。由于脉动冲击力是一种加载速度极快的动荷载，以此可使的钻头齿下的岩石的接触应力瞬间达到极高，有利于岩石形成裂隙并扩展破碎，从而提升了钻进破岩的效率。
2.液动射流冲击器的工作原理
液动射流冲击器是以一个双稳的射流元件作为控制系统，并利用双稳元件的切换与附壁的特点，通过控制冲洗液进入冲击器活塞的上腔与下腔，从而使活塞冲锤被推动而上下往复的运动做功。液动射流冲击器主要由射流元件、缸体、外缸、活塞、冲锤、八分套、上接头、下接头等几个部分所组成。
液动射流冲击器主要具有以下几个方面的特点：冲击器内部结构较为简单，且零部件少，除冲锤和活塞以外没有其它的运动零件或易损零件，因此钻具的使用寿命长、工作性能可靠；冲击器的工作条件不易受到温度、密度、压力和介质黏度等外界因素的影响，因此非常适合于深部钻进；由于牙轮钻头切削齿的磨损对旋转钻进的破岩效果影响较小，这也有利于提高钻头使用后期的机械钻进速度。
三、应用实例与技术展望
1.应用实例
本文为比较液动冲击旋转钻井技术的工艺效果与技术特点，利用普通旋转钻井工艺与液动冲击旋转钻井进行了比较。其中，试验井段为960m以下的地层，地层的抗压强度为150～180MPa。液动冲击旋转工艺所采用的钻具主要为：钻头是215.9mm的J11钻头，液动射流冲击器型号为YSC-178，直径127mm的钻杆。旋转冲击钻井的冲击频率为15～20Hz，液动冲击器的冲击功在破碎泥岩时选择150～286J，在破碎砂岩时选择124～407J。在整个钻井过程中，钻进的有效工作时间为35小时，进尺距离178.54m，平均机械钻速达到了5.08m/h。和同井下井段（909～1215m）非旋冲钻井工艺相比，液动冲击旋转钻井工艺在机械钻速上，有很大程度的提高。
2.技术展望
通过现场工程试验证明，液动冲击旋转钻井技术能明显提高油田硬质岩层的机械转速，并且能良好适应油田深孔钻进和高围压的工作条件，是一项极具生命力的新型钻井技术。随着液动冲击旋转钻井技术的不断完善，该技术在石油钻井中还有着更为广泛的应用与发展空间，并主要表现在以下几个方面：
2.1液动射流冲击器将逐步完善，以更加适应高黏度、高比重的油田钻井体系。同时射流冲击器将逐步形成系列化的产品，以满足油田钻井中不同井深和不同井径的需要。
2.2液动射流冲击器将由小的单次冲击功，逐步向大单次冲击功发展，以满足深孔大体积碎岩的需要，从而大幅度提升硬质岩层的钻进效率。
2.3冲击器在设计上将由传统的类比设计、经验设计转变为计算机辅助设计，从而使其结构形式与工艺参数更加科学、合理。
总结：
本文从液动冲击旋转钻井技术的发展现状和工作原理出发，并结合实例分析了该技术在石油钻井中的具体应用。随着液动射流冲击器研究的不断优化，以及配套钻头与配套钻井工艺的日益完善，液动冲击选择钻井技术必然会在石油钻井中有着更为广阔的应用空间，与更加重要的应用价值，从而为当前油田的开发建设带来巨大的经济效益。
参考文献：
[1] 张祖培，等.岩体钻掘工程新技术[M].北京：地质工程出版社，2007.
[2] 刘希圣，等.钻井工艺原理[M].北京：石油工业出版社，2008.