旋冲钻井技术

旋冲钻井技术一、概述二、旋冲钻井工具分类及各自特点三、旋冲钻井破岩特点分析四、旋冲钻井对钻头寿命影响分析五、射流式冲击器工作原理六、射流式冲击器工具机构设置七、射流式冲击器设计模型的建立及辅助设计软件的开发八、旋冲钻井冲击器室内测试九、冲击器整体强度校核十、旋冲钻井技术应用十一、发展方向十二、结论与建议附录：目录一、概述（之一）定义：旋冲钻井技术就是在旋转钻井的基础上，再增加一个由冲击器产生的高频冲击作用，使钻头承受周期性的冲击载荷。旋冲钻井属井下动力钻井的一种钻井方法，它是由冲击载荷与静压旋转联合作用破碎岩石。

旋冲钻井的钻具结构是：钻头＋冲击器＋钻铤＋钻杆＋方钻杆，地面设备和常规钻井一样。一、概述（之二）

旋冲钻井与旋转钻井钻速对比图POPofPercussionDrillingVS.ConventionalDrilling一、概述（之三）

技术由来：随着钻井深度的增加和勘探领域的不断扩大，以及适应石油钻井的需要，特别稳定东部、发展西部、储备南方海相的战略决策，需要有一种适应新时期石油钻井技术来解决硬地层钻井效率的技术。一、概述（之四）

旋冲钻井技术现状及发展简史●

1900—1905年俄国设计了冲击器；●

50年代，美国研制了阀式反作用冲击器，用于处理事故；●

70年代，在地质岩芯钻探发展迅速；●

80年代，在地质岩芯钻探发展已经日趋成熟，结构多样化；●

90年代，我所率先进行石油旋冲钻井技术研究，并进行了9

次入井试验，机械钻速平均提高30—50%；●

90年代后期，我国许多石油、地质院校及科研院所相继开展研究。在石油钻井应用的优越性和可行性：1、能够大幅度提高硬脆性、破碎性地层钻井速度；2、钻头磨损慢，钻头寿命延长，可降低钻井成本；3、提高井身质量，减少钻具损坏，尤其对于深井硬地层需要赚冲钻井技术；4、有利于录井；5、石油钻井设备和钻具可以满足旋冲钻井技术要求。一、概述（之五）二、旋冲钻井工具分类及各自特点（之一）冲击器按工作介质不同分为：气动冲击器（潜孔锤）【用于浅井】液动冲击器【用于石油钻井深井中】油压冲击器【用于工厂车间】电动冲击器（冲击钻）【用于地面工作】按冲击器结构不同分：◆阀式正作用◆阀式反作用◆阀式双作用◆射流式二、旋冲钻井工具分类及各自特点（之二）阀式正作用冲击器阀式反作用冲击器二、旋冲钻井工具分类及各自特点（之三）

阀式双作用冲击器◆旋转钻进破岩特点牙轮钻头在井底的运动，是一复合运动，除公转和自转外，还有轴向纵振及牙轮的滑动。即①冲击、压碎作用；②滑动剪切作用◆旋冲钻井破岩特点◆旋冲钻井破岩过程◆影响旋冲钻井破岩效果的因素三、旋冲钻井破岩特点（之一）三、旋冲钻井破岩特点（之二）

旋冲钻井破岩特点：在旋冲钻进过程中，牙轮钻头除受到旋转钻井过程中的静载荷和动载荷外，冲击器还对钻头施加一个高频的冲击载荷，这样岩石产生形变所需时间缩短，变形速度增大，被冲击点还来不及对作用力重新分配，应力变化很快接近或超过强度极限，使岩石脆性增加塑性下降。硬度较高的岩石抗压强度高，脆性大，受到交变冲击载荷后，岩石中裂缝扩展，强度降低，容易破碎形成坑穴和产生剪切体，有利于体积破碎的产生。。三、旋冲钻井破岩特点（之三）旋冲钻井破岩过程：①首先，孔底不规则的表面被压平；②作用力逐渐增加，接触处产生弹性变形；③作用力继续增加，钻头下面的岩石，开始出现微裂纹，外侧边界处的应力集中线向外形成放射性的裂纹；④两个主要裂纹在岩石中形成一个长而窄的岩屑压碎和压实，形成破碎区，岩石表面突然破裂，出现许多贝壳状的碎块；⑤作用力增长变慢，两侧产生的剪切体因工具的吃入而崩裂排出作用力下降，形成一个破碎坑；⑥在旋转作用下，两坑穴间的脊部被剪切掉，形成体积破。

。三、旋冲钻井破岩特点（之四）

影响旋冲钻井破岩效果的因素

冲击功冲击频率转速钻压四、旋冲钻井对钻头寿命影响分析◆牙轮钻头井底运动状态◆旋冲钻井对牙轮钻头使用寿命影响五、旋冲钻井对钻头寿命影响分析（之一）液动冲击器的结构设计原则是:

①该钻具无论在何种情况下不影响钻井液的正常循环;

②钻井液循环时钻头承受钻压后能自动操作；

③冲击器适合满足井眼条件要求的钻井液流；

④可通过钻井液流量调节冲击器性能参数。

⑤冲击器在井下配合单只钻头使用。液动射流式冲击器的结构及工作原理五、旋冲钻井对钻头寿命影响分（之二）六、液动射流式冲击器机构设置（之一）

1.射流元件的优化设计六、液动射流式冲击器机构设置（之二）防空打机构原理图2.防空打机构设计六、液动射流式冲击器机构设置（之三）3.冲击器整体结构优化设

流体分流途径示意图配置分流孔直径：①6mm②8mm③12mm七、射流式冲击器设计模型的建立及辅助设计软件的开发（之一）冲击器软件设计简要流程图七、射流式冲击器设计模型的建立及辅助设计软件的开发（之二）射流式冲击器设计模型一、回程阶段数学模型二、冲程阶段数学模型

三、流体流动损失的计算四、水击压力计算七、射流式冲击器设计模型的建立及辅助设计软件的开发（之三）冲击器计算机设计结果输出八、旋冲钻井室内测试（之一）测试方法有：触点法、感应法、声波法等八、旋冲钻井室内测试（之二）计算与实际拟合曲线九、强度校核★按第三强度理论校核安全系数：n1=10.19>许用安全系数=2.5-3安全★按压—扭组合作用校核疲劳强度组合应力安全系数：nστ1＝4.42>许用安全系数=2.5-3安全(第四强度理论校核略)十、旋冲钻井技术应用（之一）冲击器性能参数设定的总原则：地层越硬，则要求冲击功越大，冲击频率可适当调小。①冲击功：200-300J；②冲击频率：20Hz左右；③钻压：不小于常规旋转钻井钻压的2/3；④排量：20～40L/s；⑤转速：f=3R/Φ(其中：Φ取11°)

YSC—178型冲击器的冲击功、冲击频率与排量、冲程的

经验公式为：E=0.576Q2f=37.96Q/S全式中E—冲击功，J；f—冲击频率，Hz；

Q—排量，L/s；S全—活塞往复总行程，cm。十、旋冲钻井技术应用（之二）十、旋冲钻井技术应用（之三）旋冲钻井技术试验情况综合记录表注：在同等条件下，Ⅰ.较下部地层提高机械钻速160%；较邻井新802井提高76%。Ⅱ.较下部地层提高机械钻速35%；较邻井威东5、威东6井提高85%。Ⅲ.较上部地层提高机械钻速31%。(无邻井)Ⅳ.较邻井丰2井提高机械钻速55%；该冲击器为Ⅲ中使用41h后未改变任何部件后使用结果。共使用127h。Ⅴ.较上部地层提高机械钻速23%；较邻井跃东1井提高40～134%。Ⅵ.较上部地层H517钻头提高机械钻速54%；较上下部地层PDC钻头提高机械钻速120～180%；较邻井提高89%。Ⅶ.较上部地层H517钻头提高机械钻速50%；较邻井同地层提高机械钻速1倍。Ⅷ.较上部井段提高50%；Ⅸ.冲击器正常工作，较上部井段机械钻速提高40%以上。A.较上部井段提高机械钻速24%。B.较上部井段提高机械钻速24～

30%。C.较上部井段提高机械钻速30%。

十一、发展方向目前国内外旋冲钻井技术在石油钻井中应用的发展方向：1、研制高能量冲击器，即单次冲击功大于300J，冲击频率不低于

15Hz；2、冲击器性能参数应具有较大的可调范围，以适应不同岩性地层及钻井参数；3、最大限度地提高冲击器内部易冲蚀磨损部件的工作寿命，最低应达到单只牙轮钻头正常使用寿命；4、研制出适用于坚硬地层抗大冲击功的石油钻头；5、取心旋冲钻井技术及冲击器的研制；6、旋冲钻井技术在其他领域的应用。十二、结论与建议

（1）进一步研究旋冲钻井破岩原理。根据岩石物理机械特性，正确选择旋冲钻井技术方法，合理采用旋冲钻井性能参数；优选和研究设计出更加适合旋冲钻井的钻头；应用波动力学理论，弄清冲击应力波的产生、传递以及破岩的过程，从而改进和完善液动冲击器。（2）液动冲击器的研究。研究适合深井、超深井以及恶恶劣条件下工作的液动冲击器；提高冲击器背压适应性；进一步优化结构，优选关键零件材质和处理方法，提高冲击器寿命和可靠性；对冲击器理论研究不断深化，采用计算机进行仿真计算，探索各种参数对冲击器的影响规律，从而实现科学调整冲击器工作参数，提高冲击器能量利用率。（3）计算机应用旋冲钻井技术。如对岩石进行可钻性分级研究，制定旋冲钻井规程参数，确定各参数的匹配关系及钻井工艺的合理使用范围，以便实行分区、分层钻进，提高钻井经济效益。

(4)建议开展不同井眼尺寸内的旋冲钻井工艺技术研究；建立室内台架测试系统。通过室内实验，进一步掌握钻井参数对冲击器性能参数的影响关系；开展旋冲钻井参数优化研究，使旋冲钻井这一新型钻井技术方法得到推广普及。附一：

冲击器主要参数●结构参数

冲击器外径(mm)Φ178

适合井眼尺寸(mm)Φ215.9

上接头母扣410

下接头母扣430●工作性能参数

工作行程(mm)10～90

冲击功(J)100～400

冲击频率(Hz)16～20

冲击器压耗(MPa)1～3

泥浆泵排量(l/s)15～32●强度校核

最危险截面安全系数10.19

组合安全系数5

极限压(拉)力283114.05Kgf

极限扭矩17236Kgf·m附二：冲击器组装●按图纸组装，将装有活塞及下压盖的内缸装入外缸，连接中接头，在外缸另端装入射流元件和上压盖，测量内外尺寸后连接上接头;

●将冲锤和活塞杆连接后，并砸实，将外管和中接头连接组装缸盖中接头。●将八方装在砧子上后，在砧子头部安装卡块，再将八方同外管连接；

附三：冲击器使用方法

影响旋冲钻进效率的主要参数有：钻压、排量、转速、冲击频率、冲击功等。不同地层、不同岩性，起主导作用的因素亦不相同。钻进前必须根据岩石性质选择合理的冲击器工作性能参数。●钻进软、塑性岩层(如塑性泥岩地层等)，破碎岩石以切削为主，可采用低冲击功、高冲击频率；●钻进硬或研磨性较强的岩层时，以冲击压碎为主，转数不宜过高，在硬地层中岩屑颗粒较大，应适当开大排量，实现大冲击功、低频率；●冲击功和频率在现场可通过改变冲锤冲程及泥浆泵排量进行调整；●在一般情况下，钻井参数可不做变化，保持正常旋转钻井参数。附四：冲击器操作●冲击器上下钻台必须操作平稳，严防强烈碰撞；●下钻前必须对冲击器进行试冲试验，即冲击器上接方钻杆，下接试验接头，在钻台上试冲3～5min，工作正常卸下试验接头，接上钻头入井；●下钻时防止大于6mm石块颗粒等带入钻具内，钻进时最好使用钻具滤清器；●下钻遇阻时，开泵，开转盘，冲击旋转划眼排除；●冲击器在井内工作时，应常开动除砂、除泥器；●钻井参数：钻压控制在正常钻压的2/3～1倍左右，其它参数不变，也可根据具体情况调整；●在正常情况下，根据井深不同，钻进中泵压较旋转钻进高1～

2.5MPa左右,若突然升高或降低较多应根据具体情况判断是否提钻。附五：冲击器保养●两次作业