冲击旋转钻井技术在煤层气勘探开发中

1、冲击旋转钻井技术在煤层气勘探开发中的应用,石工研-3班 丁小蕾,related documents,1 冲击旋转钻井的概念,旋冲钻井技术就是在常规旋转钻井工艺中,在不增加其它地面设备的情况下,在钻头的上面和钻铤的下面安装与钻铤直径大致相当的冲击器,并且在钻进过程中,跟随上部钻柱转动的冲击器带动钻头旋转的同时,利用上部钻井液的流动能量使冲击器本身产生周期的向下作用在钻头上的冲击力,从而加速破碎岩石。,2. 冲击旋转钻井破岩机理,冲击旋转钻井就是在普通旋转钻井的基础上,再加上一个冲击器。冲击器是一种井底动力机械,一般是连接到井底钻头或岩芯管的上端,依靠钻井液的能量推动其活塞冲锤上下运动,撞击钻头。

2、钻头在冲击动载和静压旋转的联合作用下破碎岩石。冲击力不同于静压力,它是一种加载速度极大的动载荷,作用力在极短的时间内变化幅度很大。由图1知,冲击力在几微秒内由零上升至几十千牛,再经几百微秒又重新下降至零。 冲击力随时间的变化关系,2. 冲击旋转钻井破岩机理,实践证明,外载作用的速度对岩石力学性质有较大的影响,特别是其对岩石的弹性及塑性的影响。根据固体力学理论,岩石变形与应力之间的关系为=ex+dx/dt(1)式中,为应力;e为弹性模量;x为形变;为粘滞系数;t为荷载作用时间。 由前所述,冲击动载作用时间极短,式(1)中第2部分增大,岩石应力很快接近或超过强度极限,发生脆性变形。可见,随冲击速度

3、的增加,岩石的塑性降低,表现为塑性体向脆性体转化的趋势。冲击动载的这种特性有利于岩石中裂隙的扩张,形成大体积的破碎,提高破碎岩石的速度。,3. 冲击旋转钻井设备及工作原理,冲击旋转钻井设备与常规的旋转钻井设备基本相同，其主要区别在与冲击旋转钻多了一个专用的冲击器，它是一种井底动力机械,一般是连接到井底钻头或岩芯管的上端，它是冲击旋转钻井中的核心工具，它的性能优劣决定了冲击旋转钻井的效率和效益。由于常规旋转钻井设备大家都比较熟悉，因此这里只介绍冲击器的结构及工作原理。 冲击器的种类很多其主要包括如下:阀式正作用冲击器、阀式反作用冲击器、阀式双作用冲击器(含活阀式和节流式)、气动冲击器、机械式冲击

4、器、射吸式冲击器、射流式冲击器、背压式冲击器等。下面以2种常用类型的冲击器为例说明一下冲击器的结构及工作原理。,一、 液动冲击器,液动冲击器的结构原理简图如图所示。冲击器主要由冲击机构、配水机构、传递机和防回水机构4部分组成。各机构的组成及其功用说明如下: 液动冲击器的结构示意图,一、 液动冲击器,（1）冲击机构实现冲击作用，机构将钻井液的部分动能直接转化为冲锤的动能。由冲锤锤尾、冲锤锤身、冲锤锤头、铁砧等部件组成； （2）配水机构将钻井液动能转化储存成势能，从而为钻井液推动冲锤等相关运动件作准备。该机构由上接头、中接头、上配水阀、外壳、密封圈、下配水阀、冲锤锤头、铁砧等部件组成； （3）传递

5、机构该机构由铁砧、下接头、传动接头、外壳等部件组成，用来传递冲锤的冲击载荷和冲击器上方的钻柱传送的扭矩，同时也是钻井液流出冲击器的通道之一； （4）防回水机构由铁砧、下接头两部件组成，主要是防止井底泥砂回流进冲击器里，堵塞钻井液通道，造成鳖泵。,一、 液动冲击器,液动冲击器的工作原理：冲击器开始工作时钻井液从上接头流进冲击器，经上阀套流进上配水阀内，再经冲锤最上端处的分流作用，经中接头的环空间隙、通孔，流进冲锤锤身与外壳之间的环空间隙，最后到达冲锤锤头中水槽里。此时由于下配水阀紧靠在铁砧上，封死了流道，具有较高速度的钻井液在此受堵发生水击，液压迅速升高，高压钻井液抬起冲锤并使冲锤向上快速运动。

6、冲锤运行到一定高度后，带动下阀离开铁砧，于是冲击器下部原先关闭的流道打开，钻井液从铁砧、下接头中的流道里流出了冲击器。而冲锤则靠原有的惯性继续向上运动，直到抵住上配水阀，堵住由上接头进入上配水阀中钻井液的通道。,一、 液动冲击器,受堵的钻井液又发生水击，巨大的水击作用促使上配水阀和冲锤一起快速下行。运行一定行程后，上配水阀受中接头阻挡而与冲锤分开，它在液压的作用下自动上返至与上阀套相抵触(参考图2所示的位置)。而锤则在惯性、重力、液压的作用下继续下行，直到与铁砧发生碰撞，实现冲击过程。当然，由于在冲锤下行的过程中下配水阀也在独自下行，并在冲锤冲击铁砧瞬间堵死流道，整个钻井液通路又重现开始的情形

7、。这样，冲锤将重复上面所述的过程，周而复始，对铁砧进行周期性的冲击作用。,二、 射流型冲击器,二、 射流型冲击器,此图为射流型冲击器,钻井液通过射流元件上的喷嘴产生高压流体,分别由输出通道c、e进入活塞的上下缸体。由于活塞上端面积大于下端面积,向下运动时带动冲锤冲击砧子,运动到缸体下端时静止;上缸体内压力升高,压力信号反馈到控制道d,从而使侧向流推动主射流附壁于e通道一边,液流推动活塞带动冲锤向上运动,直到活塞在缸体上端静止,下缸体内压力升高;压力信号反馈于控制道f,推动主射流切换附壁于c通道,液流推动活塞及冲锤向下运动,上缸体内压力升高,信号反馈于控制道d,推动主射流切换附壁于e通道,如此反复工作,实现活塞及冲锤的往复运动。,4. 冲击旋转钻井技术的优点,冲击旋转钻井技术与常规钻井技术相比具有如下优点: （1）旋冲钻井技术可以大幅提高整体钻井速度; （2）减缓钻头磨损,延长钻头寿命,减少起下钻次数,从而大幅降低钻井成本; （3）解决深井中比载荷不足和与岩石接触时间短的矛盾,降低钻压,减少钻具损坏,提高井身质量,有效提高深井硬地层的钻进效率; （4）冲击器的特殊结构使钻井液由连续流变为高压脉冲射流,高压脉冲射流对井底垫层和岩屑的反复、突发冲刷有利于消除岩屑压持效应,改善了喷射效果