日前，石油工程技術(shù)研究院承擔(dān)的“863”計(jì)劃重大項(xiàng)目“超深井鉆井技術(shù)”告捷。這一課題分解了7個(gè)子課題，在鉆井設(shè)備、泥漿等方面都取得了新成果。旋沖鉆井技術(shù)成果是這個(gè)課題背景下的一大亮點(diǎn)。
旋沖鉆井原理是在普通旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的基礎(chǔ)上，在鉆頭上部安裝一個(gè)液動(dòng)沖擊器，將鉆井液壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l沖擊能，使鉆頭在一定鉆壓下隨鉆柱旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，受到?jīng)_擊器高頻沖擊力的作用，在旋轉(zhuǎn)和沖擊共同作用下破碎巖石，提高破巖效率。石油工程技術(shù)研究院院長、鉆井工程專家路保平教授說，旋沖鉆井技術(shù)是一項(xiàng)全新的鉆井技術(shù)，其全新的思路、良好的性能將有助于把深井鉆井技術(shù)提高到一個(gè)新高度，石油旋沖鉆井技術(shù)發(fā)展前景廣闊。
旋沖鉆井面臨的新課題
目前，國內(nèi)外油氣鉆井領(lǐng)域?qū)π龥_鉆井技術(shù)表示了極大關(guān)注。世界旋沖鉆井技術(shù)發(fā)展很快，研發(fā)了多種結(jié)構(gòu)的旋沖鉆井技術(shù)工具——沖擊器，在油氣鉆井領(lǐng)域提高硬巖機(jī)械鉆速方面收到顯著效果。
石油工程技術(shù)研究院副院長、鉆井工程專家馬開華教授表示，這項(xiàng)技術(shù)能大幅度提高鉆井效率，降低鉆井成本，在深井、硬地層鉆井中將發(fā)揮重要作用。其推廣應(yīng)用不受現(xiàn)場條件限制，只需在現(xiàn)有鉆井組合中增加液動(dòng)沖擊器，方便可靠。
但目前旋沖鉆井技術(shù)還沒有應(yīng)用到深井、超深井及高密度鉆井液上。我國油氣開發(fā)迅猛發(fā)展，對(duì)新區(qū)的勘探不斷擴(kuò)大，鉆井深度不斷增加，地層年代越來越久遠(yuǎn)，鉆遇的硬地層越來越多，深井、超深井面臨的主要問題就是機(jī)械鉆速慢以及深海鉆探硬巖鉆進(jìn)效率低等難題。
為了發(fā)揮旋沖鉆井技術(shù)加快深部復(fù)雜地層鉆井速度的優(yōu)勢，降低鉆井成本，提高井身質(zhì)量，有必要對(duì)旋沖鉆井技術(shù)進(jìn)行深入研究，研制與旋沖鉆井相匹配的鉆頭，開發(fā)沖擊器井下監(jiān)測系統(tǒng)，建立旋沖鉆井模擬試驗(yàn)裝置，形成成熟的旋沖鉆井工藝。
科研人員一直在跟蹤分析，尋找破解問題的突破口。以往的液動(dòng)沖擊器沒有儲(chǔ)能裝置，在工作過程中，回程能量浪費(fèi)，沖程能量不足，造成射流式?jīng)_擊器沖擊功、沖擊頻率都不高。
帶儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)和預(yù)緊機(jī)構(gòu)的射流沖擊器采用一種新型的機(jī)械式儲(chǔ)能變流裝置，可以減小回程沖擊，流量均勻，提高了液動(dòng)沖擊器的能量利用率，從而獲得較高的單次沖擊功，使回程能量浪費(fèi)、沖程能量不足的技術(shù)難題得到有效解決。
新型沖擊器設(shè)計(jì)打破了傳統(tǒng)的理論局限，利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料優(yōu)選、加工工藝改進(jìn)以及延長工具使用壽命等措施，提高鉆進(jìn)效率。
解決沖擊器沖蝕和磨損兩大難題
沖擊器有了，延長它的壽命又成為擺在科研人員面前的難題。
影響沖擊器工作壽命的兩大因素是沖蝕和磨損。沖擊器在深井超深井油氣鉆井中，受到小而松散的流動(dòng)粒子沖擊時(shí)，表面出現(xiàn)破壞磨損現(xiàn)象，其固體表面同含有固體粒子的流體接觸做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其表面材料發(fā)生損耗。攜帶固體粒子的流體是高速氣流，也可以是液流，前者產(chǎn)生噴砂型沖蝕，后者則是泥漿型沖蝕。沖蝕磨損是工業(yè)生產(chǎn)中造成設(shè)備及其零部件損壞報(bào)廢的重要因素。
為有效解決這兩大難題，研究人員在分析典型含沙水流的沖蝕磨損試驗(yàn)設(shè)備和方法的基礎(chǔ)上，考慮水力機(jī)械和水工建筑的特殊損傷破壞形式，提出了基于射流的水下沖蝕復(fù)合磨損試驗(yàn)設(shè)備和方法。一方面，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化，通過低速射流元件的研制、沖擊器整機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低流體對(duì)沖擊器工作腔的沖蝕和磨損，保證沖擊器工作穩(wěn)定可靠，延長沖擊器使用壽命；另一方面，通過材料的優(yōu)選，表面處理技術(shù)和加工工藝研究，來延長沖擊器的使用壽命。
從延長沖擊器各部件的使用壽命出發(fā)，考慮到?jīng)_擊的加工和應(yīng)用，他們優(yōu)選出射流元件組件及射流沖擊器各部件材料。研究人員優(yōu)選耐沖蝕氣蝕能力高的射流元件工作腔幾何形狀和關(guān)鍵尺寸，設(shè)計(jì)制作新型射流元件，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架調(diào)試測試。同時(shí)，他們?cè)O(shè)計(jì)出液動(dòng)沖擊器內(nèi)部零件軸向間隙補(bǔ)償裝置，提高射流元件與缸體接觸端面處的密封可靠性。
鉆進(jìn)不同地層時(shí)，破巖所需的最優(yōu)沖擊功及沖擊頻率不同。為滿足不同巖層破巖所需的沖擊功及頻率，沖擊器的沖擊功及沖擊頻率的設(shè)計(jì)可通過調(diào)節(jié)射流沖擊器的沖錘活塞行程大小或調(diào)節(jié)泥漿泵的泵量完成。
新型液動(dòng)沖擊器加快了鉆進(jìn)速度，延長了沖擊器的使用壽命。該技術(shù)在石油鉆井領(lǐng)域?qū)儆谛峦黄�，在石油能源�?a target=_blank href="http://www.caochuxue.com/forum-23-1.html">勘探開發(fā)中將得到推廣和應(yīng)用。
該課題組組長索忠偉教授說，液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)的開展，為提高鉆探經(jīng)濟(jì)效益開辟了新途徑，同時(shí)也加快了鉆探新技術(shù)推廣的步伐。我國液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探工作量逐年增加，但是目前所用沖擊器的液能利用率還不夠高，未能充分發(fā)揮沖擊回轉(zhuǎn)鉆探的經(jīng)濟(jì)效益，充分有效地利用液能，改善沖擊器性能，提高鉆進(jìn)效率是當(dāng)前研究的重要課題。
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