沖擊旋轉破巖過程分析

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鍵。沖擊旋轉破巖是在鉆頭對巖石產生靜壓力的同時，對巖石增加一個沖擊力，從而提高鉆頭的破巖效率。文章通過調研分析，研究了沖擊旋轉破巖的過程，通過研究對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。

關鍵詞：沖擊；旋轉；破巖；效率；沖擊力

中圖分類號：TE242.9 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）14-0172-01

在當前低油價的大環境下，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題。通過提高井下鉆頭的破巖效率，可以有效地提高石油鉆井的機械鉆速，提升石油鉆井的效益。

石油鉆井是井下鉆頭破碎巖石的過程，通過分析井下鉆頭的破巖機理，得到鉆頭破巖的過程和影響因素，通過不斷地改進優化，可以有效的提高石油鉆井鉆頭的破巖效率，降低鉆井成本。沖擊旋轉鉆井是在常規鉆井的基礎上，在鉆頭和巖石的接觸面上，除了鉆頭施加的靜壓力之外，鉆頭對巖石還施加了脈沖壓力。和常規的旋轉鉆井相比，有效地提高了巖石破巖效率，改善了巖石的受力條件。雖然常規三牙輪鉆頭破巖也具有沖擊的作用，但是常規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頻率一樣。

而且兩個牙輪間對巖石的沖擊位置距離較遠，兩者的相互協同疊加作用不明顯，很難實現巖石大體積破碎。而旋轉沖擊鉆井則利用軸線的沖擊作用，在牙齒壓入到巖石之后，還會對巖石表面產生沖擊作用，沖擊次數不僅僅是一次，沖擊的頻率較高，因此對巖石的沖擊次數增多，而且每個沖擊巖石的位置距離不是較近，可以實現巖石沖擊破巖的疊加。從而有效的提高了鉆頭破巖效率，文章通過研究，分析了旋轉沖擊鉆井過程中，巖石破碎的過程和影響因素，通過研究對于充分認識旋轉沖擊鉆井的作用機理具有積極的意義。

1 旋轉沖擊破巖的過程和機理分析

通過對巖石的力學分析得到，巖石強度不是固定不變的。巖石的強度會隨著外界條件的不同而發生變化。通常情況下巖石的強度會隨著外界壓力的增大而不斷增加，但是當圍壓大于某一個值后，巖石的強度增加量就不是很大了，巖石強度增加量趨于穩定。在外界壓力增大的過程中，巖石的脆塑性也會發生較大的變化，圍壓增大后脆性巖石會逐漸的發展成脆塑性。當巖石產生的塑性變形達到一定程度，巖石開始發生破碎。導致巖石產生破碎的應力，會隨著載荷速度增加而逐漸增大，巖石的塑性變形會得到抑制，巖石的脆性增大。

因此隨著巖石沖擊動載荷的增大，巖石脆性增大，巖石的強度增加。在旋轉沖擊鉆井過程中，牙輪鉆頭對巖石造成的沖擊變形，主要是由于三軸應力的不同造成的。當巖石受到的應力超過巖石的抗剪強度極限后，會導致巖石的沖擊破碎。

經過巖石的脆塑性破壞，導致巖石不斷的破碎。巖石的破碎效率主要和單位面積巖石受到的應力有關，而且和鉆頭的旋轉速度具有較大關系。當單位面積巖石受到的應力比巖石的硬度小時，不能導致巖石發生裂紋，鉆頭僅能夠在巖石表面磨削。當單位面積巖石受到的力和巖石硬度值相當時，可以使巖石產生一系列的裂紋，經過鉆頭不斷的壓入和旋轉作用，有效的提高了巖石的破碎效率。當單位面積巖石受到的應力遠大于巖石的硬度時，在鉆頭旋轉沖擊的過程中，鉆頭可以的沖擊壓入巖石，使巖石發生大的體積破碎，這種情況下，產生的沖擊破巖體積最大，巖石的破碎效率最高。

鉆頭的旋轉速度對于破巖效率也具有較大的影響，這是由于隨著鉆頭旋轉速度的增大，鉆頭和巖石的沖擊作用時間降低，導致巖石的反應時間縮短，影響到鉆頭沖擊破巖的效率。但如果旋轉的速度過慢，將導致單位時間沖擊巖石的次數減少，同樣會減小巖石的破碎效率。因此需要一個合理的鉆頭轉速，既能夠保證和巖石具有充足的接觸時間，同時還能夠盡量增大單位時間內鉆頭的沖擊次數。

2 沖擊旋轉破巖的特點分析

旋轉沖擊鉆井將鉆頭的旋轉作用和沖擊作用結合起來，形成了井下鉆頭的旋轉沖擊破巖。實現旋轉沖擊鉆井的方法有很多，基本上都是通過在井下增加一套形成鉆頭沖擊作用的工具，通過工具的作用，對鉆頭施加高頻的沖擊振動，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。

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

影響鉆頭旋轉沖擊作用的因素較多，通過對各個影響因素的分析，得到各個因素對旋轉沖擊的影響大小，進而有針對性的進行鉆頭的改進優化，合理的設置鉆頭沖擊參數，最大限度提高鉆頭的沖擊效果。

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

3 結 語

石油鉆井是實現井下油氣進入井口通道的重要流程，通過不斷提高石油鉆井速度，可以降低鉆井周期，節約成本。沖擊旋轉鉆井是在常規鉆井基礎上，在鉆頭和巖石的接觸面上，除了具有鉆頭的靜壓力之外，還對鉆頭施加了脈沖壓力。當巖石發生的塑性變形達到一定程度，巖石開始發生破碎。導致巖石能夠破碎的應力會隨著載荷速度增加而逐漸增大，巖石的塑性變形將會得到抑制，巖石的脆性增大。需要一個合理的鉆頭轉速，既能夠保證和巖石具有充足的接觸時間，還能夠盡量增大單位時間內鉆頭的沖擊次數。交變的沖擊載荷作用下，巖石會產生大量的裂紋，隨著裂紋的不斷產生，巖石的強度迅速下降，隨著鉆頭的繼續旋轉沖擊，導致巖石發生大的體積破碎。通過研究旋轉沖擊鉆井的破巖機理，對提高鉆頭的破巖效率，提升鉆井機械鉆速具有重要的作用。

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