冲击旋转破岩过程分析

张洪勇

摘 要：随着石油钻井难度不断增大，如何提高石油钻井的效率和效益显得非常关键。冲击旋转破岩是在钻头对岩石产生静压力的同时，对岩石增加一个冲击力，从而提高钻头的破岩效率。文章通过调研分析，研究了冲击旋转破岩的过程，通过研究对于提高石油钻井钻头破岩效率，提升钻井速度，降低钻井成本提升效益具有积极的作用。

关键词：冲击；旋转；破岩；效率；冲击力

中图分类号：TE242.9 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）14-0172-01

在当前低油价的大环境下，如何不断地提高石油钻井的效益，降低钻井成本，是石油钻井必须要考虑的问题。通过提高井下钻头的破岩效率，可以有效地提高石油钻井的机械钻速，提升石油钻井的效益。

石油钻井是井下钻头破碎岩石的过程，通过分析井下钻头的破岩机理，得到钻头破岩的过程和影响因素，通过不断地改进优化，可以有效的提高石油钻井钻头的破岩效率，降低钻井成本。冲击旋转钻井是在常规钻井的基础上，在钻头和岩石的接触面上，除了钻头施加的静压力之外，钻头对岩石还施加了脉冲压力。和常规的旋转钻井相比，有效地提高了岩石破岩效率，改善了岩石的受力条件。虽然常规三牙轮钻头破岩也具有冲击的作用，但是常规牙轮钻头破岩的冲击频率不高，牙轮钻头冲击频率仅仅和钻杆的旋转频率一样。

而且两个牙轮间对岩石的冲击位置距离较远，两者的相互协同叠加作用不明显，很难实现岩石大体积破碎。而旋转冲击钻井则利用轴线的冲击作用，在牙齿压入到岩石之后，还会对岩石表面产生冲击作用，冲击次数不仅仅是一次，冲击的频率较高，因此对岩石的冲击次数增多，而且每个冲击岩石的位置距离不是较近，可以实现岩石冲击破岩的叠加。从而有效的提高了钻头破岩效率，文章通过研究，分析了旋转冲击钻井过程中，岩石破碎的过程和影响因素，通过研究对于充分认识旋转冲击钻井的作用机理具有积极的意义。

1 旋转冲击破岩的过程和机理分析

通过对岩石的力学分析得到，岩石强度不是固定不变的。岩石的强度会随着外界条件的不同而发生变化。通常情况下岩石的强度会随着外界压力的增大而不断增加，但是当围压大于某一个值后，岩石的强度增加量就不是很大了，岩石强度增加量趋于稳定。在外界压力增大的过程中，岩石的脆塑性也会发生较大的变化，围压增大后脆性岩石会逐渐的发展成脆塑性。当岩石产生的塑性变形达到一定程度，岩石开始发生破碎。导致岩石产生破碎的应力，会随着载荷速度增加而逐渐增大，岩石的塑性变形会得到抑制，岩石的脆性增大。

因此随着岩石冲击动载荷的增大，岩石脆性增大，岩石的强度增加。在旋转冲击钻井过程中，牙轮钻头对岩石造成的冲击变形，主要是由于三轴应力的不同造成的。当岩石受到的应力超过岩石的抗剪强度极限后，会导致岩石的冲击破碎。

经过岩石的脆塑性破坏，导致岩石不断的破碎。岩石的破碎效率主要和单位面积岩石受到的应力有关，而且和钻头的旋转速度具有较大关系。当单位面积岩石受到的应力比岩石的硬度小时，不能导致岩石发生裂纹，钻头仅能够在岩石表面磨削。当单位面积岩石受到的力和岩石硬度值相当时，可以使岩石产生一系列的裂纹，经过钻头不断的压入和旋转作用，有效的提高了岩石的破碎效率。当单位面积岩石受到的应力远大于岩石的硬度时，在钻头旋转冲击的过程中，钻头可以的冲击压入岩石，使岩石发生大的体积破碎，这种情况下，产生的冲击破岩体积最大，岩石的破碎效率最高。

钻头的旋转速度对于破岩效率也具有较大的影响，这是由于随着钻头旋转速度的增大，钻头和岩石的冲击作用时间降低，导致岩石的反应时间缩短，影响到钻头冲击破岩的效率。但如果旋转的速度过慢，将导致单位时间冲击岩石的次数减少，同样会减小岩石的破碎效率。因此需要一个合理的钻头转速，既能够保证和岩石具有充足的接触时间，同时还能够尽量增大单位时间内钻头的冲击次数。

2 冲击旋转破岩的特点分析

旋转冲击钻井将钻头的旋转作用和冲击作用结合起来，形成了井下钻头的旋转冲击破岩。实现旋转冲击钻井的方法有很多，基本上都是通过在井下增加一套形成钻头冲击作用的工具，通过工具的作用，对钻头施加高频的冲击振动，在钻头静压作用的下，辅助钻头的冲击破岩作用，有效的提高岩石的破碎效率。

通过增加钻头的冲击频率后，相当于增加了钻头的冲击作用，钻头的冲击载荷将会大大增大钻头的冲击力，冲击频率的增大，导致岩石发生变形量增大。在交变冲击载荷作用下，岩石会产生大量的裂纹，随着裂纹的不断产生，岩石的强度迅速下降，随着钻头的继续旋转冲击，导致岩石发生大的体积破碎，从而有效的提高岩石的破碎效率，提高石油钻井的机械钻速。在地层较软的情况下，钻头的旋转冲击作用不太明显，但是在中硬以上的地层，这种作用就非常明显，通过钻头的旋转冲击，可以有效的提高岩石的破碎效率，提高硬地层的钻井速度。

影响钻头旋转冲击作用的因素较多，通过对各个影响因素的分析，得到各个因素对旋转冲击的影响大小，进而有针对性的进行钻头的改进优化，合理的设置钻头冲击参数，最大限度提高钻头的冲击效果。

通过研究分析得到影响旋转冲击钻井钻头冲击效果的主要因素有：钻压、转速、泥浆泵的排量等。值得注意的是，旋转冲击钻井并不适合所有情况，具有一定的适用条件。在实际应用的过程中，需要结合地层的实际，选择合适的方式。

3 结 语

石油钻井是实现井下油气进入井口通道的重要流程，通过不断提高石油钻井速度，可以降低钻井周期，节约成本。冲击旋转钻井是在常规钻井基础上，在钻头和岩石的接触面上，除了具有钻头的静压力之外，还对钻头施加了脉冲压力。当岩石发生的塑性变形达到一定程度，岩石开始发生破碎。导致岩石能够破碎的应力会随着载荷速度增加而逐渐增大，岩石的塑性变形将会得到抑制，岩石的脆性增大。需要一个合理的钻头转速，既能够保证和岩石具有充足的接触时间，还能够尽量增大单位时间内钻头的冲击次数。交变的冲击载荷作用下，岩石会产生大量的裂纹，随着裂纹的不断产生，岩石的强度迅速下降，随着钻头的继续旋转冲击，导致岩石发生大的体积破碎。通过研究旋转冲击钻井的破岩机理，对提高钻头的破岩效率，提升钻井机械钻速具有重要的作用。

参考文献：

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[2] 菅志军，张文华，刘国辉.石油钻井用液动冲击器研究现状及发展趋势[J].石油机械，2001，（11）.