冲击旋转破岩过程分析_张洪勇

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，
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。
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。
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。
（下转第176页）
％ 结果 ３２．８２ １２．１９ １０．１２ １６．０８ ２．７２ ７．２７ ２．３８ ０．１８ ０．２８ １５．７３ ０．３５
术比较合适。五彩湾露天煤水分含量都在２５．０％以上，粉煤气 化技术需要原料煤中水分含量在１０％以下，否则粉煤输送过程 中易堵塞管道，如果在进气化炉之前进行原料煤干燥，会增加 蒸汽消耗，从而增加能耗；五彩湾露天煤挥发份高，干燥时容易 形成爆炸性混合物，安全性降低。五彩湾露天煤的成浆性差，且 水分含量高，也不适合水煤浆气化；采用碎煤加压气化技术有 大量副产品，焦油、酚、氨等的产生，产品丰富，提高了企业抗风 险的能力。
参考文献：
［１］ 蒋宏伟，黄成，王克雄，等．射吸式液动冲击器内部流场数值模拟研究［Ｊ］． 石油机械，２００７，（９）．
［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）．
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。
作者简介：张洪勇，胜利工程有限公司海洋钻井公司胜利九号平台。
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。
表１ 原料煤的元素分析
％
元素 碳
氢
氮
氧
硫
磷
氯
含量 ８１．７７ ３．２１ ０．８７ １０．８９ ０．２１ ０．０２ ０．０６
表２ 原料煤的工业分析 项目 收到基低位发热量／ＭＪ·ｋｇ－１ 干燥无灰基挥发分／％ 接收基灰分／％ 接收基水分／％ 空气干燥基水分 灰熔融温度／℃ 灰软化温度／℃ 灰变形温度／℃ 可磨指数 热稳定性ＴＳ＋６／％ 黏结指数
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Hale Waihona Puke 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
结果 ２０．３５ ３２．４ ８．８２ ２５．２ １５．７４ １２６７ １２０１ １１６４ １２１ ６０．５ ４．６７
3建议
综上所述，根据当前工业上大量采用的煤气化技术分析五 彩湾露天煤的煤质，五彩湾的煤气化技术选择碎煤加压气化技
表３ 原料煤的灰分分析 检测项目
ＳｉＯ２ Ａｌ２Ｏ３ Ｆｅ２Ｏ３ ＣａＯ ＭｇＯ Ｎａ２Ｏ Ｋ２Ｏ ＴｉＯ２ ＭｎＯ３ ＳＯ３ Ｐ２Ｏ５
第 ３４ 卷第 １４ 期 Ｖｏｌ．３４ Ｎｏ．１４
企业技术开发 TECHNOLOGICAL DEVELOPMENT OF ENTERPRISE
２０１５ 年 ５ 月 Ｍａｙ．２０１５
冲击旋转破岩过程分析
张洪勇
（胜利工程有限公司 海洋钻井公司胜利九号平台，山东 东营 257000）
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
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。
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。
（上接第172页） 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
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。
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企业技术开发
２０１５ 年 ５ 月
且耐火砖寿命长。但是要求煤的成浆性好，灰分低、灰熔点低。
2 五彩湾煤质分析
五彩湾矿区露天煤矿多、产量大、碱金属含量高、水分含量 高、属于低灰、低硫、低磷、低灰熔点、结渣严重、成浆性较差的 稳定性煤种。具体煤质分析见见表１￣表３。原料煤的元素分析 见表１，原料煤的工业分析见表２，原料煤的灰分分析见表３。
参考文献：
［１］ 刘晓军．ＨＴ－Ｌ航天加压粉煤气化技术发展及应用［Ｊ］．全国煤气化技术 通讯，２０１２，（３）．
［２］ 付长亮．现代煤化工生产技术［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００９． ［３］ 于遵宏，于广锁．多喷嘴对置式水煤浆气化技术的研究开发与产业化
应用［Ｊ］．中国科技产业，２００６，（２）．
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
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