沖擊旋轉(zhuǎn)破巖過(guò)程分析

張洪勇

摘 要：隨著石油鉆井難度不斷增大，如何提高石油鉆井的效率和效益顯得非常關(guān)鍵。沖擊旋轉(zhuǎn)破巖是在鉆頭對(duì)巖石產(chǎn)生靜壓力的同時(shí)，對(duì)巖石增加一個(gè)沖擊力，從而提高鉆頭的破巖效率。文章通過(guò)調(diào)研分析，研究了沖擊旋轉(zhuǎn)破巖的過(guò)程，通過(guò)研究對(duì)于提高石油鉆井鉆頭破巖效率，提升鉆井速度，降低鉆井成本提升效益具有積極的作用。

關(guān)鍵詞：沖擊；旋轉(zhuǎn)；破巖；效率；沖擊力

中圖分類號(hào)：TE242.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）14-0172-01

在當(dāng)前低油價(jià)的大環(huán)境下，如何不斷地提高石油鉆井的效益，降低鉆井成本，是石油鉆井必須要考慮的問(wèn)題。通過(guò)提高井下鉆頭的破巖效率，可以有效地提高石油鉆井的機(jī)械鉆速，提升石油鉆井的效益。

石油鉆井是井下鉆頭破碎巖石的過(guò)程，通過(guò)分析井下鉆頭的破巖機(jī)理，得到鉆頭破巖的過(guò)程和影響因素，通過(guò)不斷地改進(jìn)優(yōu)化，可以有效的提高石油鉆井鉆頭的破巖效率，降低鉆井成本。沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井是在常規(guī)鉆井的基礎(chǔ)上，在鉆頭和巖石的接觸面上，除了鉆頭施加的靜壓力之外，鉆頭對(duì)巖石還施加了脈沖壓力。和常規(guī)的旋轉(zhuǎn)鉆井相比，有效地提高了巖石破巖效率，改善了巖石的受力條件。雖然常規(guī)三牙輪鉆頭破巖也具有沖擊的作用，但是常規(guī)牙輪鉆頭破巖的沖擊頻率不高，牙輪鉆頭沖擊頻率僅僅和鉆桿的旋轉(zhuǎn)頻率一樣。

而且兩個(gè)牙輪間對(duì)巖石的沖擊位置距離較遠(yuǎn)，兩者的相互協(xié)同疊加作用不明顯，很難實(shí)現(xiàn)巖石大體積破碎。而旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井則利用軸線的沖擊作用，在牙齒壓入到巖石之后，還會(huì)對(duì)巖石表面產(chǎn)生沖擊作用，沖擊次數(shù)不僅僅是一次，沖擊的頻率較高，因此對(duì)巖石的沖擊次數(shù)增多，而且每個(gè)沖擊巖石的位置距離不是較近，可以實(shí)現(xiàn)巖石沖擊破巖的疊加。從而有效的提高了鉆頭破巖效率，文章通過(guò)研究，分析了旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井過(guò)程中，巖石破碎的過(guò)程和影響因素，通過(guò)研究對(duì)于充分認(rèn)識(shí)旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井的作用機(jī)理具有積極的意義。

1 旋轉(zhuǎn)沖擊破巖的過(guò)程和機(jī)理分析

通過(guò)對(duì)巖石的力學(xué)分析得到，巖石強(qiáng)度不是固定不變的。巖石的強(qiáng)度會(huì)隨著外界條件的不同而發(fā)生變化。通常情況下巖石的強(qiáng)度會(huì)隨著外界壓力的增大而不斷增加，但是當(dāng)圍壓大于某一個(gè)值后，巖石的強(qiáng)度增加量就不是很大了，巖石強(qiáng)度增加量趨于穩(wěn)定。在外界壓力增大的過(guò)程中，巖石的脆塑性也會(huì)發(fā)生較大的變化，圍壓增大后脆性巖石會(huì)逐漸的發(fā)展成脆塑性。當(dāng)巖石產(chǎn)生的塑性變形達(dá)到一定程度，巖石開始發(fā)生破碎。導(dǎo)致巖石產(chǎn)生破碎的應(yīng)力，會(huì)隨著載荷速度增加而逐漸增大，巖石的塑性變形會(huì)得到抑制，巖石的脆性增大。

因此隨著巖石沖擊動(dòng)載荷的增大，巖石脆性增大，巖石的強(qiáng)度增加。在旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井過(guò)程中，牙輪鉆頭對(duì)巖石造成的沖擊變形，主要是由于三軸應(yīng)力的不同造成的。當(dāng)巖石受到的應(yīng)力超過(guò)巖石的抗剪強(qiáng)度極限后，會(huì)導(dǎo)致巖石的沖擊破碎。

經(jīng)過(guò)巖石的脆塑性破壞，導(dǎo)致巖石不斷的破碎。巖石的破碎效率主要和單位面積巖石受到的應(yīng)力有關(guān)，而且和鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度具有較大關(guān)系。當(dāng)單位面積巖石受到的應(yīng)力比巖石的硬度小時(shí)，不能導(dǎo)致巖石發(fā)生裂紋，鉆頭僅能夠在巖石表面磨削。當(dāng)單位面積巖石受到的力和巖石硬度值相當(dāng)時(shí)，可以使巖石產(chǎn)生一系列的裂紋，經(jīng)過(guò)鉆頭不斷的壓入和旋轉(zhuǎn)作用，有效的提高了巖石的破碎效率。當(dāng)單位面積巖石受到的應(yīng)力遠(yuǎn)大于巖石的硬度時(shí)，在鉆頭旋轉(zhuǎn)沖擊的過(guò)程中，鉆頭可以的沖擊壓入巖石，使巖石發(fā)生大的體積破碎，這種情況下，產(chǎn)生的沖擊破巖體積最大，巖石的破碎效率最高。

鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度對(duì)于破巖效率也具有較大的影響，這是由于隨著鉆頭旋轉(zhuǎn)速度的增大，鉆頭和巖石的沖擊作用時(shí)間降低，導(dǎo)致巖石的反應(yīng)時(shí)間縮短，影響到鉆頭沖擊破巖的效率。但如果旋轉(zhuǎn)的速度過(guò)慢，將導(dǎo)致單位時(shí)間沖擊巖石的次數(shù)減少，同樣會(huì)減小巖石的破碎效率。因此需要一個(gè)合理的鉆頭轉(zhuǎn)速，既能夠保證和巖石具有充足的接觸時(shí)間，同時(shí)還能夠盡量增大單位時(shí)間內(nèi)鉆頭的沖擊次數(shù)。

2 沖擊旋轉(zhuǎn)破巖的特點(diǎn)分析

旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井將鉆頭的旋轉(zhuǎn)作用和沖擊作用結(jié)合起來(lái)，形成了井下鉆頭的旋轉(zhuǎn)沖擊破巖。實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井的方法有很多，基本上都是通過(guò)在井下增加一套形成鉆頭沖擊作用的工具，通過(guò)工具的作用，對(duì)鉆頭施加高頻的沖擊振動(dòng)，在鉆頭靜壓作用的下，輔助鉆頭的沖擊破巖作用，有效的提高巖石的破碎效率。

通過(guò)增加鉆頭的沖擊頻率后，相當(dāng)于增加了鉆頭的沖擊作用，鉆頭的沖擊載荷將會(huì)大大增大鉆頭的沖擊力，沖擊頻率的增大，導(dǎo)致巖石發(fā)生變形量增大。在交變沖擊載荷作用下，巖石會(huì)產(chǎn)生大量的裂紋，隨著裂紋的不斷產(chǎn)生，巖石的強(qiáng)度迅速下降，隨著鉆頭的繼續(xù)旋轉(zhuǎn)沖擊，導(dǎo)致巖石發(fā)生大的體積破碎，從而有效的提高巖石的破碎效率，提高石油鉆井的機(jī)械鉆速。在地層較軟的情況下，鉆頭的旋轉(zhuǎn)沖擊作用不太明顯，但是在中硬以上的地層，這種作用就非常明顯，通過(guò)鉆頭的旋轉(zhuǎn)沖擊，可以有效的提高巖石的破碎效率，提高硬地層的鉆井速度。

影響鉆頭旋轉(zhuǎn)沖擊作用的因素較多，通過(guò)對(duì)各個(gè)影響因素的分析，得到各個(gè)因素對(duì)旋轉(zhuǎn)沖擊的影響大小，進(jìn)而有針對(duì)性的進(jìn)行鉆頭的改進(jìn)優(yōu)化，合理的設(shè)置鉆頭沖擊參數(shù)，最大限度提高鉆頭的沖擊效果。

通過(guò)研究分析得到影響旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井鉆頭沖擊效果的主要因素有：鉆壓、轉(zhuǎn)速、泥漿泵的排量等。值得注意的是，旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井并不適合所有情況，具有一定的適用條件。在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，需要結(jié)合地層的實(shí)際，選擇合適的方式。

3 結(jié) 語(yǔ)

石油鉆井是實(shí)現(xiàn)井下油氣進(jìn)入井口通道的重要流程，通過(guò)不斷提高石油鉆井速度，可以降低鉆井周期，節(jié)約成本。沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井是在常規(guī)鉆井基礎(chǔ)上，在鉆頭和巖石的接觸面上，除了具有鉆頭的靜壓力之外，還對(duì)鉆頭施加了脈沖壓力。當(dāng)巖石發(fā)生的塑性變形達(dá)到一定程度，巖石開始發(fā)生破碎。導(dǎo)致巖石能夠破碎的應(yīng)力會(huì)隨著載荷速度增加而逐漸增大，巖石的塑性變形將會(huì)得到抑制，巖石的脆性增大。需要一個(gè)合理的鉆頭轉(zhuǎn)速，既能夠保證和巖石具有充足的接觸時(shí)間，還能夠盡量增大單位時(shí)間內(nèi)鉆頭的沖擊次數(shù)。交變的沖擊載荷作用下，巖石會(huì)產(chǎn)生大量的裂紋，隨著裂紋的不斷產(chǎn)生，巖石的強(qiáng)度迅速下降，隨著鉆頭的繼續(xù)旋轉(zhuǎn)沖擊，導(dǎo)致巖石發(fā)生大的體積破碎。通過(guò)研究旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井的破巖機(jī)理，對(duì)提高鉆頭的破巖效率，提升鉆井機(jī)械鉆速具有重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

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