日前，石油工程技術(shù)研究院承擔的“863”計劃重大項目“超深井鉆井技術(shù)”告捷。這一課題分解了7個子課題，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)成果是這個課題背景下的一大亮點。
旋沖鉆井原理是在普通旋轉(zhuǎn)鉆進的基礎(chǔ)上，在鉆頭上部安裝一個液動沖擊器，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，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，對新區(qū)的勘探不斷擴大，鉆井深度不斷增加，地層年代越來越久遠，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械鉆速慢以及深海鉆探硬巖鉆進效率低等難題。
為了發(fā)揮旋沖鉆井技術(shù)加快深部復雜地層鉆井速度的優(yōu)勢，降低鉆井成本，提高井身質(zhì)量，有必要對旋沖鉆井技術(shù)進行深入研究，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。以往的液動沖擊器沒有儲能裝置，在工作過程中，回程能量浪費，沖程能量不足，造成射流式?jīng)_擊器沖擊功、沖擊頻率都不高。
帶儲能機構(gòu)和預(yù)緊機構(gòu)的射流沖擊器采用一種新型的機械式儲能變流裝置，可以減小回程沖擊，流量均勻，提高了液動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、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)計打破了傳統(tǒng)的理論局限，利用結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料優(yōu)選、加工工藝改進以及延長工具使用壽命等措施，提高鉆進效率。
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粒子沖擊時，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運動時，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設(shè)備和方法的基礎(chǔ)上，考慮水力機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合磨損試驗設(shè)備和方法。一方面，從結(jié)構(gòu)設(shè)計上進行優(yōu)化，通過低速射流元件的研制、沖擊器整機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，降低流體對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)計制作新型射流元件，并進行實驗室臺架調(diào)試測試。同時，他們設(shè)計出液動沖擊器內(nèi)部零件軸向間隙補償裝置，提高射流元件與缸體接觸端面處的密封可靠性。
鉆進不同地層時，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。
新型液動沖擊器加快了鉆進速度，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�，在石油能源的勘探開發(fā)中將得到推廣和應(yīng)用。
該課題組組長索忠偉教授說，液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)的開展，為提高鉆探經(jīng)濟效益開辟了新途徑，同時也加快了鉆探新技術(shù)推廣的步伐。我國液動沖擊回轉(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)濟效益，充分有效地利用液能，改善沖擊器性能，提高鉆進效率是當前研究的重要課題。
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