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)破巖是在鉆頭對巖石產(chǎn)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(diào)研分析，研究了沖擊旋轉(zhuǎn)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(guān)鍵詞：沖擊；旋轉(zhuǎn)；破巖；效率；沖擊力

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

在當(dāng)前低油價的大環(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(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。

而且兩個牙輪間對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，還會對巖石表面產(chǎn)生沖擊作用，沖擊次數(shù)不僅僅是一次，沖擊的頻率較高，因此對巖石的沖擊次數(shù)增多，而且每個沖擊巖石的位置距離不是較近，可以實現(xiàn)巖石沖擊破巖的疊加。從而有效的提高了鉆頭破巖效率，文章通過研究，分析了旋轉(zhuǎn)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(rèn)識旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井的作用機理具有積極的意義。

1 旋轉(zhuǎn)沖擊破巖的過程和機理分析

通過對巖石的力學(xué)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(fā)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(dāng)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(wěn)定。在外界壓力增大的過程中，巖石的脆塑性也會發(fā)生較大的變化，圍壓增大后脆性巖石會逐漸的發(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(zhuǎn)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(yīng)力的不同造成的。當(dāng)巖石受到的應(yīng)力超過巖石的抗剪強度極限后，會導(dǎo)致巖石的沖擊破碎。

經(jīng)過巖石的脆塑性破壞，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，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，可以使巖石產(chǎn)生一系列的裂紋，經(jīng)過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，在鉆頭旋轉(zhuǎn)沖擊的過程中，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間降低，導(dǎo)致巖石的反應(yīng)時間縮短，影響到鉆頭沖擊破巖的效率。但如果旋轉(zhuǎn)的速度過慢，將導(dǎo)致單位時間沖擊巖石的次數(shù)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(zhuǎn)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(nèi)鉆頭的沖擊次數(shù)。

2 沖擊旋轉(zhuǎn)破巖的特點分析

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，形成了井下鉆頭的旋轉(zhuǎn)沖擊破巖。實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)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(dāng)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(dǎo)致巖石發(fā)生變形量增大。在交變沖擊載荷作用下，巖石會產(chǎn)生大量的裂紋，隨著裂紋的不斷產(chǎn)生，巖石的強度迅速下降，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，通過對各個影響因素的分析，得到各個因素對旋轉(zhuǎn)沖擊的影響大小，進而有針對性的進行鉆頭的改進優(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。在實際應(yīng)用的過程中，需要結(jié)合地層的實際，選擇合適的方式。

3 結(jié) 語

石油鉆井是實現(xiàn)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(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(zhuǎn)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(nèi)鉆頭的沖擊次數(shù)。交變的沖擊載荷作用下，巖石會產(chǎn)生大量的裂紋，隨著裂紋的不斷產(chǎn)生，巖石的強度迅速下降，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。通過研究旋轉(zhuǎn)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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