沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)在煤層氣勘探開發(fā)中

1、沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)在煤層氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用,石工研-3班 丁小蕾,related documents,1 沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井的概念,旋沖鉆井技術(shù)就是在常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆井工藝中,在不增加其它地面設(shè)備的情況下,在鉆頭的上面和鉆鋌的下面安裝與鉆鋌直徑大致相當(dāng)?shù)臎_擊器,并且在鉆進(jìn)過程中,跟隨上部鉆柱轉(zhuǎn)動的沖擊器帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)的同時(shí),利用上部鉆井液的流動能量使沖擊器本身產(chǎn)生周期的向下作用在鉆頭上的沖擊力,從而加速破碎巖石。,2. 沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井破巖機(jī)理,沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井就是在普通旋轉(zhuǎn)鉆井的基礎(chǔ)上,再加上一個(gè)沖擊器。沖擊器是一種井底動力機(jī)械,一般是連接到井底鉆頭或巖芯管的上端,依靠鉆井液的能量推動其活塞沖錘上下運(yùn)動,撞擊鉆頭。

2、鉆頭在沖擊動載和靜壓旋轉(zhuǎn)的聯(lián)合作用下破碎巖石。沖擊力不同于靜壓力,它是一種加載速度極大的動載荷,作用力在極短的時(shí)間內(nèi)變化幅度很大。由圖1知,沖擊力在幾微秒內(nèi)由零上升至幾十千牛,再經(jīng)幾百微秒又重新下降至零。 沖擊力隨時(shí)間的變化關(guān)系,2. 沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井破巖機(jī)理,實(shí)踐證明,外載作用的速度對巖石力學(xué)性質(zhì)有較大的影響,特別是其對巖石的彈性及塑性的影響。根據(jù)固體力學(xué)理論,巖石變形與應(yīng)力之間的關(guān)系為=ex+dx/dt(1)式中,為應(yīng)力;e為彈性模量;x為形變;為粘滯系數(shù);t為荷載作用時(shí)間。 由前所述,沖擊動載作用時(shí)間極短,式(1)中第2部分增大,巖石應(yīng)力很快接近或超過強(qiáng)度極限,發(fā)生脆性變形?？梢?隨沖擊速度

3、的增加,巖石的塑性降低,表現(xiàn)為塑性體向脆性體轉(zhuǎn)化的趨勢。沖擊動載的這種特性有利于巖石中裂隙的擴(kuò)張,形成大體積的破碎,提高破碎巖石的速度。,3. 沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井設(shè)備及工作原理,沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井設(shè)備與常規(guī)的旋轉(zhuǎn)鉆井設(shè)備基本相同，其主要區(qū)別在與沖擊旋轉(zhuǎn)鉆多了一個(gè)專用的沖擊器，它是一種井底動力機(jī)械,一般是連接到井底鉆頭或巖芯管的上端，它是沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井中的核心工具，它的性能優(yōu)劣決定了沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井的效率和效益。由于常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆井設(shè)備大家都比較熟悉，因此這里只介紹沖擊器的結(jié)構(gòu)及工作原理。 沖擊器的種類很多其主要包括如下:閥式正作用沖擊器、閥式反作用沖擊器、閥式雙作用沖擊器(含活閥式和節(jié)流式)、氣動沖擊器、機(jī)械式?jīng)_擊

4、器、射吸式?jīng)_擊器、射流式?jīng)_擊器、背壓式?jīng)_擊器等。下面以2種常用類型的沖擊器為例說明一下沖擊器的結(jié)構(gòu)及工作原理。,一、 液動沖擊器,液動沖擊器的結(jié)構(gòu)原理簡圖如圖所示。沖擊器主要由沖擊機(jī)構(gòu)、配水機(jī)構(gòu)、傳遞機(jī)和防回水機(jī)構(gòu)4部分組成。各機(jī)構(gòu)的組成及其功用說明如下: 液動沖擊器的結(jié)構(gòu)示意圖,一、 液動沖擊器,（1）沖擊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)沖擊作用，機(jī)構(gòu)將鉆井液的部分動能直接轉(zhuǎn)化為沖錘的動能。由沖錘錘尾、沖錘錘身、沖錘錘頭、鐵砧等部件組成； （2）配水機(jī)構(gòu)將鉆井液動能轉(zhuǎn)化儲存成勢能，從而為鉆井液推動沖錘等相關(guān)運(yùn)動件作準(zhǔn)備。該機(jī)構(gòu)由上接頭、中接頭、上配水閥、外殼、密封圈、下配水閥、沖錘錘頭、鐵砧等部件組成； （3）傳遞

5、機(jī)構(gòu)該機(jī)構(gòu)由鐵砧、下接頭、傳動接頭、外殼等部件組成，用來傳遞沖錘的沖擊載荷和沖擊器上方的鉆柱傳送的扭矩，同時(shí)也是鉆井液流出沖擊器的通道之一； （4）防回水機(jī)構(gòu)由鐵砧、下接頭兩部件組成，主要是防止井底泥砂回流進(jìn)沖擊器里，堵塞鉆井液通道，造成鱉泵。,一、 液動沖擊器,液動沖擊器的工作原理：沖擊器開始工作時(shí)鉆井液從上接頭流進(jìn)沖擊器，經(jīng)上閥套流進(jìn)上配水閥內(nèi)，再經(jīng)沖錘最上端處的分流作用，經(jīng)中接頭的環(huán)空間隙、通孔，流進(jìn)沖錘錘身與外殼之間的環(huán)空間隙，最后到達(dá)沖錘錘頭中水槽里。此時(shí)由于下配水閥緊靠在鐵砧上，封死了流道，具有較高速度的鉆井液在此受堵發(fā)生水擊，液壓迅速升高，高壓鉆井液抬起沖錘并使沖錘向上快速運(yùn)動。

6、沖錘運(yùn)行到一定高度后，帶動下閥離開鐵砧，于是沖擊器下部原先關(guān)閉的流道打開，鉆井液從鐵砧、下接頭中的流道里流出了沖擊器。而沖錘則靠原有的慣性繼續(xù)向上運(yùn)動，直到抵住上配水閥，堵住由上接頭進(jìn)入上配水閥中鉆井液的通道。,一、 液動沖擊器,受堵的鉆井液又發(fā)生水擊，巨大的水擊作用促使上配水閥和沖錘一起快速下行。運(yùn)行一定行程后，上配水閥受中接頭阻擋而與沖錘分開，它在液壓的作用下自動上返至與上閥套相抵觸(參考圖2所示的位置)。而錘則在慣性、重力、液壓的作用下繼續(xù)下行，直到與鐵砧發(fā)生碰撞，實(shí)現(xiàn)沖擊過程。當(dāng)然，由于在沖錘下行的過程中下配水閥也在獨(dú)自下行，并在沖錘沖擊鐵砧瞬間堵死流道，整個(gè)鉆井液通路又重現(xiàn)開始的情形

7、。這樣，沖錘將重復(fù)上面所述的過程，周而復(fù)始，對鐵砧進(jìn)行周期性的沖擊作用。,二、 射流型沖擊器,二、 射流型沖擊器,此圖為射流型沖擊器,鉆井液通過射流元件上的噴嘴產(chǎn)生高壓流體,分別由輸出通道c、e進(jìn)入活塞的上下缸體。由于活塞上端面積大于下端面積,向下運(yùn)動時(shí)帶動沖錘沖擊砧子,運(yùn)動到缸體下端時(shí)靜止;上缸體內(nèi)壓力升高,壓力信號反饋到控制道d,從而使側(cè)向流推動主射流附壁于e通道一邊,液流推動活塞帶動沖錘向上運(yùn)動,直到活塞在缸體上端靜止,下缸體內(nèi)壓力升高;壓力信號反饋于控制道f,推動主射流切換附壁于c通道,液流推動活塞及沖錘向下運(yùn)動,上缸體內(nèi)壓力升高,信號反饋于控制道d,推動主射流切換附壁于e通道,如此反復(fù)工作,實(shí)現(xiàn)活塞及沖錘的往復(fù)運(yùn)動。,4. 沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)與常規(guī)鉆井技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn): （1）旋沖鉆井技術(shù)可以大幅提高整體鉆井速度; （2）減緩鉆頭磨損,延長鉆頭壽命,減少起下鉆次數(shù),從而大幅降低鉆井成本; （3）解決深井中比載荷不足和與巖石接觸時(shí)間短的矛盾,降低鉆壓,減少鉆具損壞,提高井身質(zhì)量,有效提高深井硬地層的鉆進(jìn)效率; （4）沖擊器的特殊結(jié)構(gòu)使鉆井液由連續(xù)流變?yōu)楦邏好}沖射流,高壓脈沖射流對井底墊層和巖屑的反復(fù)、突發(fā)沖刷有利于消除巖屑壓持效應(yīng),改善了噴射效果