高效破岩技术(第一讲2)

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1、三、旋冲复合钻井方式早在20世纪40年代，前苏联已开发出了石油钻井用滑阀式正作用冲击钻具，50年代美国开发出了活阀式反作用冲击器，60年代日本开发出液动双作用冲击钻具。由于石油钻井井内条件恶劣，旋冲钻井主要在地质工程钻井中得到发展，主要钻浅井。90年代以来，深井、超深井、水平井和大位移井在石油钻井中所占的比例越来越大。深井、超深井中遇到的坚硬地层钻井速度大幅度下降、井斜问题也日益突出；在水平井和大位移井中，随着大斜度井段和水平段加长，加压更为困难，旋冲钻井在石油钻井中再次得到人们的重视，进入了一个新的发展期。到20世纪90年代，国内外石油钻井界相继对不同结构的液动冲击器进行

2、的研究都没有取得令人满意的成果。而在这以前，国内外旋冲钻井技术在地质岩心钻探、工程钻井和水井钻井领域都有了长足的发展，确定了基本工艺规范。从20世纪90年代中期开始，我国陆续有多家石油、地质院校及科研单位对旋冲钻井在石油钻井工程领域的应用进行了可行性研究。接着大胆尝试，先后设计过各种类型的液动冲击器，但由于种种原因，试验效果仍然不理想。1.旋冲钻井技术简介旋冲钻井技术的原理是在钻头上部连接一个液动冲击器（旋冲接头），在钻进过程中，钻头在一定钻压下随钻柱旋转，同时还受到来自冲击器的高频冲击应力，旋转和冲击的联合作用下破碎岩石。2.旋冲钻井技术的特点1）提高钻井速度对于硬脆性地

3、层，可提高钻井速度。试验证明：旋冲钻进速度比普通旋转钻进速度提高30%以上。2）有利于防斜和减少钻具损坏旋冲钻井工艺可以在低钻压下获得较好的钻速。低钻压减少钻柱的多次弯曲，避免大钻压产生的井斜和钻柱磨损及疲劳损坏。3）改善喷射钻井效果旋冲钻井使流体通过冲击器可以将连续射流经过一定的调节、聚能，把泵量集中起来使用，使现在的连续射流变成高压脉冲射流，形成脉冲射流的高速运动的水团，射流动压力大大提高，增强了水力辅助破岩效果。3.旋冲钻井技术参数旋冲钻井的效果与冲击器技术参数密切相关，其主要技术参数有：冲击器冲击功、冲击频率。1)冲击功冲击器的冲击功由岩石力学特性确定，根据旋冲钻井

4、破岩特点分析结果，目前选择冲击功在200～300J之间。2)冲击频率冲击频率对破岩效果的影响巨大。一般控制在20Hz左右。3)钻压钻压控制在不低于常规旋转钻井设计钻压的2/3，保证钻头在受到冲击作用下不产生跳钻现象。4)排量可采用正常钻井排量，有效排量可通过在一定的冲程下所要求的冲击功反算得出。5)转速转速和频率存在一定的匹配关系，两者匹配合理与否影响着钻井破岩效果，不同的岩石性质，转速和频率的匹配关系不同。4.液动冲击器简介4.1冲击器类型1.按动力介质分：气动冲击器、液动冲击器、液压（油）冲击器、电动冲击器，其中液动冲击器最适合石油钻井的工作环境；2.按结构分：阀式正作

5、用、阀式反作用、阀式双作用、射流式、射吸式等。4.2冲击器的结构及工作原理1.阀式正、反作用冲击器阀式正作用是以高压流体推动活塞冲锤下行冲击，借助弹簧使其复位。这类冲击器具有可利用高压室中的液压力量做功，流体在腔体内较畅通、功率恢复高、结构简单、工作性能可靠、便于缩小直径。但需要借助弹簧使其复位，弹簧寿命决定冲击器的寿命。阀式反作用是以弹簧推动活塞冲锤下行冲击，借助高压流体使其复位。这类冲击器对弹簧要求较高。功率利用率低，一般不采用该类冲击器。图3阀式正作用冲击器图4阀式反作用冲击器2.阀式双作用阀式双作用冲击器是通过控制阀的分配，使流体反复变换流向，以压差原理推动活塞往复

6、运动，这种冲击器无弹簧装置，功率恢复较高，结构简单，但腔体内畅通性差，各部件之间间隙要求较高，对钻头压降要求也较高。图5阀式双作用冲击器3.射流式冲击器工作原理：射流式冲击器利用“双稳”射流元件控制改变高压流体的流向，直接推动活塞冲锤产生往复运动。这种冲击器无弹簧装置，结构简单，工作性能可靠便于操作，但对钻井液性能要求较高（如含砂量低）。图6射流式冲击器换向阀的工作原理基于科恩达效应,亦称附壁作用或康达效应。流体（水流或气流）有离开本来的流动方向，改为随著凸出的物体流动的倾向，当流体与它流过的物体表面之间存在面摩擦时，流体的流速会减慢。只要物体表的曲率不是太大，依据流体力学

7、中的伯努利原理，流速的减缓会导致流体被吸附在物体表面上流动。4射吸式液动冲击器工作原理:射吸式冲击器结构如图7所示。其工作原理是利用泥浆液流过喷嘴时的卷吸作用,以及阀控液压随动系统的压力与位移综合反馈关系,使阀与活塞在上下腔内产生交变压力差,推动活塞往复运动。a-未送液体时之初始状态;b-送液体时之初始状态;c-举升时的回程状态;d-冲程开始;1-喷嘴;2-上腔;3-活塞;4-阀;5-冲锤;6-下腔;7-砧子;8-低压腔;9-高压腔;10-产生水击区;11-降压区图7射吸式液动冲击器工作原理工作过程：回程启动前,冲