液动冲击旋转钻井技术在石油钻井中的应用分析
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【摘要】在石油钻井过程中，硬地层与软硬交错地层的交界处，是钻井过程中的难题。通过液动冲击旋转钻井技术的使用，是解决这一问题最有效的途径之一。本文介绍了液动冲击旋转钻井的国内外研究与应用现状，概述了旋转钻井的原理和优势。还分析了一些旋转冲击钻井技术难以推广的原因与未来对这项技术的展望。
旋转钻井技术的设想开始于欧洲，这项技术最核心的技术就是液动冲击旋转工具。19世纪中期，英国最新发明了最新旋转钻井技术，并申请了专利。20世纪50年代，美国改进了反作用冲击器，并大量使用与钻井过程中，主要用作钻井及卡钻事故处理。70年代，日本也开始这方面的研究，并研制出液动双作用冲击钻具。90年代后期，在深井的石油钻井中，液动冲击旋转钻井技术的使用已经非常普遍。
我国最早开始研究旋转钻井技术是在20世纪的80年代，这一技术的成熟在21世纪初期。目前我国已研制出多种液动冲击器，并大量应用与实际，取得了良好的经济效益。
1 液动冲击器的原理和特点
1.1 液动冲击器的原理
液动冲击器的主要构成有四个部分，分别为冲击部分、配水部分、传递部分以及防回水部分。其结构简单，却具有很强的可调性。为了保证冲击器的寿命，其冲击部分的构件一般要承受很大的冲击旋转作用了，所以在一些冲击构件上都会采用WC喷涂，同时，对于损坏构件，还可以容易更换。
液动冲击器工作原理：泥浆冲上接头处流进冲击器的配水部分，在配水部分的上阀处设置有内孔，泥浆经由内孔流入配水阀内，配水阀内的调液螺母将泥浆进行分流作用，经过中间的通孔和孔隙流入水槽之中，同时另一部分粘稠体流入铁砧上，封死流道。冲锤受到水力的压力作用向上运动，到达初始点处，封死的流道打开，冲锤受到向下的压力作用迅速加速向下，打击砧子，之后上部流道又被封堵，冲锤向上运动，重复上述过程，一次次的打击砧子，促使底部工作。
液动冲击器的分类：按照液动冲击器的结构上来分，可以分为阀式正作用冲击器、阀式反作用冲击器、阀式双作用冲击器以及射流式冲击器三种。
阀式正作用冲击器的作用原理是通过高压流体通过液压作用冲击冲锤，并借助弹簧作用来复位，这类冲击器的结构简单，流体在冲击器内部流道通畅，但需要借助于弹簧来复位，因此弹簧的可靠性决定着冲击器的可靠性。
阀式反作用冲击器与阀式正作用冲击器的原理刚好相反，它是利用弹簧来促使其向下冲击，而借助于高压流体来复位，这类的冲击器对于弹簧的要求将会更高，已经很少被应用于实际。
阀式双作用冲击器则使用控制阀来进行转换，首先通过高压流体进行冲击冲锤，通过控制阀控制流体流向底部，再通过高压流体作用于冲锤使得冲锤向上运动，如此反复，这样一来就省去了弹簧这一构件，使其结构进一步简化。
射流式的冲击器采用的是射流元件来改变高压流体的流向，从而改变对冲锤的作用力的方向，进而带动冲击器工作，这类冲击器的结构简单，操作简便，工作效率也能得到保证。
1.2 液动冲击器的优势
钻井速度得到大幅度提高，钻井成本降低。经过实践表明，液动冲击旋转钻井技术的应用比其他钻井技术的速度要快将近30%，斜井情况下这一比例稍微有所下降。且钻井的成本降低了20%以上。
钻头磨损情况要好很多，起钻次数减少，节约了钻井成本，延长了冲击器寿命。常规的钻井应用中，钻井压力是钻井效率的重要参数之一，钻压很大程度影响着钻头的使用寿命已经轴承的应用寿命，我们知道，轴承与钻头相连，基本上算是一整体，所以钻头所受的力与轴承是相同的。可见，轴承的损伤情况与钻头损伤相似，而钻头的使用寿面反比与作用于岩石上的钻压。实践证实，较大的瞬间锤击加上较小的钻压可以有效的延长钻头使用寿命，使得钻头的破损率降低，节约钻井成本。
水平井以及大位移井的井底加压。旋转冲击钻井技术可以在一些大位移井和水平井的钻井过程中提供一种新的加压方式。对于水平井的加压过程，一般是来自岩石与钻头的破坏阻力，但是同时需要一个横向的推动力作用来保持冲击器的平衡。水平推力作用一般很小，水平钻具在冲击过程汇总的静摩擦阻力作用便小，使得钻具易于产生滑动，钻具较小的摩擦阻力，使得其可以连续产生滑动。
1.3 液动冲击器技术参数设定
1.3.1冲击功参数选择
冲击器的冲击功这个参数一般取决于岩石的特性，根据对岩石冲击过程的经验研究，目前冲击功参数的选择一般在200～300J之间，实践表明，冲击功在600J以上时，破岩效果最好，但对于钻具头部与轴承造成了很大的负荷，容易减小其使用寿命。
1.3.2冲击频率参数选择
根据相关岩层系数和实验结果表明，冲击频率设定在20Hz左右最利于冲击器的工作。
1.3.3钻压参数选择
上面论述说明，钻压影响着钻井速度、钻具损坏速度与钻井成本，综合考虑下，一般设定钻压大于常规钻井设计钻压的2/3，这样就能够保证不重新起钻，使得钻井效率最高。
2 影响旋冲钻井技术推广的因素
关键因素是冲击器的质量。我们知道，冲击器的钻具与岩层的作用力很大，对于冲击器的钻头和轴承的要求都很高。因此，如果冲击器的质量不能过关，其旋冲钻井的效率很难得到保证。目前冲击器的寿命只有50～80小时左右，这还远远满足不了其工程需要，所以提高冲击器的质量才能更好的推广其技术。
钻头的配套问题。使用合金制造的牙轮钻头是否和冲击器想配套，也是人们所关心的问题，实践证明，所有的岩层处理都使用牙轮钻头，课大大提高其经济效益，易于其推广。
适用岩层问题。冲击器的破岩效果很好，因此适用于硬地层，但是对于软地层中冲击器的使用，其工作效率会大大降低。
3 旋转钻井技术展望
（1）掌握对于冲击器破岩的理论分析，了解破岩机理，为冲击器的设计提供理论依据，为以后设计出更加实用的冲击器奠定理论基础。
（2）从冲击器设计出售，建立物理实验模型，通过实验的方法，引入理论分析，有效的改善冲击器的冲击功率，加大工作效率。
（3）通过对冲击器的实践深入了解，制定出完整的施工工艺。
（4）努力提升冲击器的使用寿命问题。
参考文献
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[2] 黄仁山. 油气工业可借鉴的冲击回转钻进技术[J]. 石油钻探技术，1996（4）
[3] 张祖培，殷琨. 岩土钻掘工程新技术[M]. 北京：地质出版社，2003