带空气锤的空气钻井破岩机理

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1、带空气锤的空气钻井破岩机理2009-8-10摘要：国内外对空气钻井的井壁稳定性、最小体积流量、地层出水和井斜的控制、提高钻速的机理等方面作了深入的研究，但对破岩机理的研究却较少。为了弄清楚空气钻井尤其是带空气锤的空气钻井破岩机理，依据空气钻井中的专用钻具空气锤的工作特性及其破岩特点，从井底破碎坑的分布、岩石的破碎形态两个方面对岩石破碎、空气钻井破岩机理进行了定性与定量分析，分析了空气钻井的工艺参数与空气锤的工作参数对破岩的影响，进而建议开展空气钻井破岩机理仿真、实验台架研制及专用空气钻井设备选型的研究工作。

2、关键词：空气钻井；欠平衡钻井；空气雾化钻井；空气泡沫钻井；空气充气钻井；破岩机理；空气锤。空气钻井是以空气作为循环介质的欠平衡钻井，可以分为：纯空气钻井、空气雾化钻井、空气泡沫钻井、空气充气钻井[1]，由于具有大幅度提高机械钻速、有效保护储层的特点，加上各油气田为了加快钻探开发的步伐，在我国正得到大力的推广应用。1950年以来，国内外对空气钻井的井壁稳定性、最小体积流量、对地层出水和井斜的控制、提高钻速的机理等方面[2～6]作了深入的研究，但是对破岩机理的研究则较少，而空气锤钻井在空气钻井中的优越性日益显现

3、。因此，有必要分析其破岩机理。破岩机理的研究与地层性质、钻头类型、破岩方式、工艺参数等一系列的因素有关，为了分析带空气锤的空气钻井破岩机理，笔者依据空气钻井中的专用钻具空气锤的工作特点及其破岩特点，从井底破碎坑的分布和破碎形态两方面研究了岩石的破碎机理，最后分析了空气钻井破岩的主要影响因素。1空气锤钻井的优点早在1980年，加拿大西部和美国中部就开始用空气锤钻气井[7]，取得了很好的实效。我国是在近几年逐渐将空气锤钻井技术应用到空气钻井中。利用空气锤进行空气钻井具有钻压小、转速低及扭矩平稳的特点，与不带空气

4、锤的空气钻井相比，实钻证明能够有效控制井斜和进一步提高机械钻速，如表1所示。表1某空气钻井带空气锤与不带空气锤钻进的井斜与钻速比较表井眼尺寸(mm)钻井方式进尺(m)纯钻总时间(h)机械钻速(m/h)最大井斜(°)Ф314.1牙轮钻头钻井455775.885.4空气钻头钻井14951798.354.6空气锤钻井185110517.632.22破岩特点根据钻头与岩石作用方式的不同，破岩分为旋转破岩、冲击破岩、冲旋破岩和旋冲破岩。带空气锤的空气钻井是在空气旋转破岩的基础上，利用空气锤的高频冲击提高破岩效率的一种

5、冲击旋转钻井技术，兼容了空气钻井和冲旋钻井的优点。井底岩石主要是在钻压、冲击力和旋转剪切力的共同作用下产生破碎的，破岩主要有以下特点：2.1动载与静载联合接在钻头上的空气锤产生高频冲击通过钻头传递给岩石，牙齿与岩石的接触表面在极短时间内产生了很大的冲击作用力。通常在几十微秒，由零上升到几十千牛，又迅速降低到零。冲击点的作用力来不及重新分配，应力便很快接近或超过岩石的强度极限，产生裂纹并形成扩展，出现体积破碎。由于活塞作周期的往复运动，该冲击作用力是周期性交变载荷，随时间作波形变化。而钻压作为静载荷压持岩石可

6、以降低其强度，同时也能对岩石产生一定的研磨。在钻头钻进方向上，动载与静载联合作用的力学模型[8]为：   式中：K为冲击系数；v1为冲击速度；M为活塞质量；Π为波阻系数；β=Π/M；F0为钻压。2.2冲击与旋转联合空气锤的冲击以及钻头的旋转刮削协同作用，联合破岩。钻头旋转的主要目的是为了改变牙齿与岩石的接触位置，扩大岩石破碎体积，冲击才是岩石破碎的最主要原因。与常规钻井液钻井相比，由于空气钻井井底的负压差，产生了沿轴向的拉应力，利于冲击破碎。同时沿井底平面方向，剪应力也要小得多，故也利于剪切破碎。因此，冲击

7、破碎与旋转剪切破碎联合可以提高破岩效率。3岩石的破碎机理3.1井底破碎坑的分布空气钻头的运动规律与牙轮钻头相比较为简单，牙齿与岩石的接触情况简单。因此，井底破碎坑分布较为规则。井底破碎坑由若干个同心的破碎圆环组成，而每个破碎圆环则是由许多几何形状基本相似的单个牙齿形成的破碎坑组成。每个破碎坑的几何形状和尺寸，决定于载荷、侵入深度、牙齿的形状及其分布、加载时间、岩石性质等一系列因素[9]。3.2岩石的破碎形态冲击是造成破碎的主要原因，研究冲击载荷下岩石的破碎形态，就能够了解带空气锤的空气钻井中岩石破碎的主要形

8、态。冲击载荷下岩石的破碎形态主要有如下3种：3.2.1破碎坑空气锤中的活塞作高速的往复运动，对钻头产生强烈的冲击，在钻头与岩石的接触区域产生很大的冲击力。当冲击力达到或大于岩石抵抗破碎的阻力时，岩石发生体积破碎，造成大块岩石破碎。3.2.2断裂破碎区断裂破碎区也叫损伤区。当冲击力没有达到岩石抵抗破碎的阻力时，岩石也会发生一定的损伤。岩石中存在着许多的缺陷，在冲击载荷的交变作用下，岩石出现裂纹并发生扩展，当扩展达到