【回转钻进工艺概述9100字】

回转钻进工艺概述（1）硬质合金钻进工艺硬质合金钻孔技术是指钻头上的刀具在轴向压力和旋转力的作用下压入并剪切岩石，使岩石破碎，然后破碎岩石的岩粉颗粒被洗涤液冲刷。当刀具破碎岩石时，需要同时克服岩石的抗压强度和抗剪强度。因此，只有当每个刀具上的压力超过岩石的抗压强度时，刀具才能切入岩石一定深度。刀具切入岩石越深，破碎岩石的效果越好。不同的岩石切割深度不同。此外，切割工具切割岩石的次数越多，岩石破碎的速度就越快。因此，在硬质合金钻削中，必须对钻头和转速有一定的重视。硬质合金钻孔的优点如下。(1)钻孔时，钻头工作平稳，振动较小。岩心光滑完整，回收率高。易于控制钻孔弯曲，提高工程质量。②根据岩性不同，钻头结构可以灵活变化。在软、中硬岩石中钻进，钻进效率相当高。③操作简便，钻孔规则和参数易于控制，孔内事故少。④钻头镶块焊接工艺简单，打磨方便，钻孔成本低。⑤适用范围不受孔深、孔径、孔向的限制。硬质合金钻削在钻削技术上，刃磨硬质合金钻头钻削与自磨硬质合金钻头钻削有相似之处，也有不同之处。1）磨锐式硬质合金钻头的钻进规程①钻压的选择磨料硬质合金钻头主要由刀具切削和剪切破碎，钻头上的重量决定了岩石破碎的方式和特点。根据图1-2中的关系，钻头上的重量必须大于α点上的重量。但是随着刀具的磨损，岩石破碎的方式和特点也会发生变化。a.钻头初始重量与钻速的关系。传统观点认为，最初切削刀具锋利，所需钻头压力小，使比压大于岩石的压痕硬度，导致体积破碎。随着刀具的磨损，刀具与岩石的接触面积增加，因此钻头上的重量应逐渐增加，以保持比压大于岩石的压痕硬度，从而保持稳定的体积破碎。结果表明，随着初始WOB的增加，钻头的返进尺略有减小，但钻进时间大大缩短，因此返钻速度大大增加。原因是开始大WOB钻进有利于充分发挥刀具的锋利优势，导致体积破损大，初钻速高，而刀具磨损并没有随着进尺的增加而显著增加，返进尺也没有显著减少。可以认为一开始用允许的WOB钻是有好处的，但是初始的WOB不是越大越好，而是需要合理的WOB。b.钻头重量和钻凿岩石之间的关系。不同的岩石表现出不同的渗透率增加WOB的规律。第一，中硬-硬(67级)岩石最敏感，当WOB增加时，渗透率增加最显著。第二，如果WOB对于45级岩石来说太高，它将恶化孔底部的粉末排放和冷却条件，并阻碍穿透率的成比例增加。第三，89级岩石不适合用硬质合金钻孔，可以理解为:WOB没有达到体积破碎，WOB增加，磨损加剧，渗透率降低。在实际生产中，一般根据经验选择各切削刀具上的压力值p，然后根据钻进过程中的钻速变化及时调整。钻头上的总压力p总是：P总=pm其中:p为各切削刀具应受的压力；m是钻头唇上的刀具数量。钻进过程中，根据钻速的变化及时调整。岩石越硬，研磨性越强，P值上限越小，粘性软岩越小，破碎地层越小。②转速的确定合金钻头转速的确定必须考虑岩性和破岩时间的影响。a.软岩钻探的转速。当钻井与高塑性和低磨损性软岩层(如粘土岩层),它可以被认为是石头的厚度减少刀具等于岩石的深度减少切割工具,在钻井和刀具的磨损很小,和它的普及率：v=h0mn其中:h0为刀具的切削深度；m是用于在钻头上切割一个槽宽的切割工具的数量；n是钻头的转速。硬质合金钻进软岩时，可以认为钻速V与转速n成正比。。b.中硬及硬岩层钻进时的转速。岩性的影响。这种岩层具有较高的压痕硬度和研磨性。在钻孔过程中，刀具不断变钝，使得刀具与岩石的接触面积不断增加，岩石受压的应力区也随之增加。如果转速高，刀具单位面积压力小，磨损加剧，会使岩石更难破碎。时间因素的影响。时间效应是指岩石在切削工具的作用下，从弹性变形到剪切体，跳跃到一定深度所需的时间较短。即受载的刀具在岩石表面停留短时间△t，使裂纹沿剪切面向自由面发展，形成剪切体。如果转速超过临界值(n>n0)刀具时作用于岩石小于△t,删除和岩层的裂缝在负载充分发展之前,从而减少岩石破坏深度,甚至将破碎的岩石状态转变为表面破碎。因此，用磨尖的硬质合金钻头钻硬岩石时，不允许过度提高转速。有研究者认为，时间因素与破岩深度的近似关系如下：其中:h为转速n时，刀具实际破岩深度；H0是n=0时的切削深度；μ是岩石的弹塑性衰减系数。从公式()可以看出，在中等硬度以上的岩层中钻进时，刀具的破岩深度随着转速的增加而明显减小。机械钻速与转速呈抛物线关系(图1-5)。曲线的最高点是最佳转速，此时穿透率最高。图1-5机械钻速v与转速关系图钻头速度的线速度。由于钻头的直径不同，刀具的运动通过线速度更加科学，两者之间的关系如下：式中：D为钻头平均直径（m）；n为钻头转速（r/min)。③冲洗液泵量的选择在排粉、冷却、润滑和冲洗液护壁功能中，排粉所需的泵量最大，因此泵量应根据孔底岩粉的量来选择。同时必须注意，液体流动的阻力与流速的平方成正比。如果泵的容积过大，孔底的脉动提升力将抵消一部分WOB，导致芯管内外圈之间的间隙流速过高，可能会破坏芯管或孔壁。因此，合理的泵送值应在及时排粉的前提下考虑其他工艺因素。钻进中的冲洗液量可按下式计算：其中:v1为外环空间冲洗液向上的速度(DM/min)；D和D为钻孔直径和钻杆外径(DM)；m为不规则孔壁和孔径引起的回波速度不均匀系数(m为1.031.1)。上返速度推荐值:清水0.250.6米/秒，泥浆0.200.5米/秒。其他必须考虑的技术因素是:大孔径、高穿透率、岩石的强研磨性和钻头喷嘴的宽水槽，反之亦然。④各钻进参数间的配合关系在实际钻井过程中，钻井规程的三个主要参数是WOBP、转速N和泵量q，它们不是单独起作用的，而是相互作用的。如果只“单枪匹马”地追求各个参数的最优值，而不考虑其交互作用，不仅无法达到高渗透率、低成本的效果，甚至可能导致相反的结果。P、N、Q参数合理配合的一般原则可以概括为:软岩磨料少，易切入，应注意及时排粉，延长钻头寿命，应采用高速、低WOB、大泵排量的参数配合；对于中硬和部分硬的强研磨性岩石，为了保持较高的钻速，防止刀具过早钝化，应采用大WOB、低转速和中等泵排量的参数；如果中研磨介质软岩介于两者之间，则应取两个参数的中间状态。总之，定性分析的原则是:钻取IV~V级以下岩层应以较高的转速为基础;钻井v6级及以上的岩层应优先考虑钻压较大的岩层。为了进行定量分析，我们可以在统计数据的基础上，通过方差分析找出影响渗透率或成本最显著的因素。⑤最优回次钻程时间的确定当用刃磨钻头钻孔时，在规则不变的情况下，钻速随着刀具的钝度而降低。当钻速很低时，只需起钻换钻头，新一轮就能获得较高的钻速。但是在跳闸的辅助操作中会消耗大量的时间。如果起钻较早，有利于提高平均钻速，但辅助作业时间比例增加；如果以后起下钻，起下钻次数可以减少，但钻头继续以低钻速钻进。因此，有必要确定最佳钻井时间。最佳穿透时间的标准应该是这个时间的穿透速度达到最大值。根据前叙内容，钻头在t时间内的累计进尺为：其中v0为钻井开始时的瞬时钻速;K0表示钻速下降系数，主要取决于岩性、钻井规程和钻头类型。将其代入计算公式计算钻进速度，然后采用求最大值的方法，得到最佳钻进时间：于是，此时的最优回次转速为：根据瞬时穿透率vm与进尺h的关系，代入t0，此时的瞬时穿透率可得如下：在t0时刻，瞬时穿透率正好等于二次穿透率。这为野外用作图法确定最佳钻井时间提供了理论依据。如图1-6所示，vm和vR外曲线在生产过程中随时被记录和制作。当两条曲线相交时，它们对应于最佳反钻时间。此时，有必要拔出并完成反钻。图1-6确定最佳回次钻程时间t0的方法虽然上述分析在理论上解决了最佳钻井时间的确定问题，但在现场实施中仍存在许多困难:现场条件下不易手工实时测量和绘制两条曲线;上述理论推导是基于一定的规律和岩性，但在实际钻井过程中很难保证岩性不变。另外，由于其他随机因素的干扰，实际绘制的ROP曲线不能像图1-6那样有规律。因此，目前仍需根据不同钻头类型和井深来确定最佳起下钻时间。必须指出的是，随着计算机和自动检测技术的普及，上述确定最佳钻进时间的方法可以在现场自动实现。苏联1982年研制成功的微机控制钻井系统，在钻井过程中定期检测进尺，每7s由微机计算瞬时钻进率vm和二次钻进率vR，并进行存储，同时根据不等式：确定是否有必要终止钻孔过程。如果可以满足不等式，则表示钻孔过程在图1-6中t0的左边或刚刚之后，可以继续钻孔。如果不满足，说明已经稳定超过t0点。当不满足不等式时，需要继续观察5min，以防止偶然因素或法规变化引起的虚假现象。此时，微机系统给钻头上的重量加一个增量p，以观察瞬时渗透率vm是否会继续增加并再次满足不等式，同时每秒测量一次Cm值。如果不满足次数达到60%，则发出“跳闸”命令。2）自磨式硬质合金钻头的规程特点自磨钻头与刃磨钻头的主要区别在于，刀具与孔底的接触面积是恒定的，这就要求刀具正常刃磨，破岩过程主要是微剪切和研磨，穿透率相对稳定。自磨钻头钻进规程的特点如下。①WOB。自磨钻头与岩石的接触面积较大，因此钻头的总重量应大于研磨钻头。一般来说，钻头上的重量比锋利的钻头高20%和25%。②转速。根据岩石破碎机理，自磨钻头必须使用比刃磨钻头更高的转速，以增加单位时间内的岩石破碎次数。③泵容量。自磨硬质合金钻削可以使用比刃磨型稍小的泵体积，但为了充分冷却(转速较高)和避免重复破碎，应尽量使用较大的泵体积。而且初始泵排量大，随着胎块磨损，水横截面减小，需要及时调整泵排量，防止泵跳动。（2）金刚石钻进工艺金刚石钻进技术是指用金刚石制成的钻头作为磨料，以旋转方式破碎孔底岩石，取岩芯筒取岩芯的一种钻进方法。金刚石钻进工艺包括两个方面:金刚石钻头的合理选择和金刚石钻进调节参数的确定。1）合理地选择金刚石钻头金刚石钻头是目前最锋利的岩石钻井工具。理论上应该能够顺利钻进各种地层，但在实践中往往会出现一些异常现象:例如在某些地层中，金刚石钻头的消耗量很大，钻头进尺很小;在其他地层中，钻头的钻速非常低，甚至钻头“卡瓦”没有钻透。有时钻头在一个矿区的钻进效率很高，但在另一个矿区的钻进效率很低。这些现象总结并解释了一个问题。金刚石钻井选用的钻头必须与岩性相适应，是提高金刚石钻井技术经济指标的关键环节之一。特别是孕镶金刚石钻头的结构参数是复杂的,所以钻石级,矩阵的性能(确保钻头自锐),嘴唇形状,内部和外部直径钢筋和航道设计时应综合考虑选择根据岩层钻孔的属性。2）确定金刚石钻进规程参数评价金刚石钻井规程的主要依据是机械钻速、总钻头进尺和单位进尺金刚石消耗量。①钻压WOB、钻速与金刚石消耗量的关系曲线如图1-7所示，可分为三个区域:ⅰ区为表面研磨破碎区，钻速极低；ⅱ区为疲劳断裂区，岩石只有通过反复裂纹扩展才能破碎；ⅲ区是一个体积破碎区，钻压越大，钻速越快，但单位进尺金刚石消耗量也迅速增加。图中显示，钻头重量过大会使金刚石消耗量急剧增加，导致钻速下降，因此建议在图中最佳区域进行钻头重量测量。图1-7钻压对钻速和金刚石耗量的影响a.金刚石钻头p钻头上的重量。WOB是根据岩石硬度和金刚石抗压强度确定的:WOBP应使每颗工作金刚石与岩石之间的接触应力大于岩石的抗压硬度，小于金刚石的强度。后者应作为上述公式中确定WOB的基本原则。因此，WOB的钻石钻头如下：P=mp其中m为钻头上加工的金刚石数(一般为总金刚石数的2/33/4);P为单个金刚石的许用压力(与粒度和等级有关)(N/金刚石);F为金刚石与岩石的接触面积(mm2)。b.浸渍金刚石钻头w上的钻压。浸渍钻头上的金刚石颗粒较多，切削刃量较小，可视为胴体唇部与整个岩石断面之间的接触。钻压对金刚石抗压强度的影响降低为次要因素，钻压主要根据岩石的性质来确定：W=Fq其中:f为钻头实际工作唇面积(mm2)；q是每单位下唇面积的推荐压力。中硬岩被视为4〜5N/mm2，硬岩或钻石被视为6〜7N/mm2.。c.在选择和应用WOB时，还应注意:岩石性质，即软岩层或破碎非均质岩层应选择下WOB；钻石，即当钻石质量好、数量大、粒度大时，应选择上WOB，否则应选择下WOB；当钻头类型的直径、壁厚和岩石接触面积较大时，应选择上WOB。注意新钻头和井底之间的磨合。在下钻阶段，应采用低钻头重量和低转速，使钻头唇口形状逐渐与井底和岩心根部重合；井底钻头上的实际重量、钻井弯曲、泵压脉动和岩性不均匀性导致钻具振动，因此井底实际瞬时动载荷可能是地面仪器指示的钻头重量的0.3倍。因此，对于深孔、斜孔和非均质岩层，应减小钻头重量。②转速根据金刚石钻进的机理，转速是影响金刚石钻头钻速的重要因素。在一定条件下，转速越快，穿透率越高。转速和金刚石磨损之间的关系是复杂的。在其他条件不变的情况下，钻头转速存在一个临界值，即一定转速下金刚石磨损最小。a.金刚石钻头的线速度。表面金刚石钻头使用的金刚石粒度较大，切削刃较大，允许切削量较大，因此转速应低于浸渍钻头。推荐线速度为12m/S..b.浸渍金刚石钻头的线速度。孕镶金刚石钻头的金刚石粒度很小，切削刃的输出很小，所以钻进效率主要靠高转速获得。推荐线速度为1.53米/秒。选择合理的转速时，还应考虑以下几点:(1)岩石性质，即当岩层破碎，软硬不均，孔壁不稳定时，应选择下限转速；钻孔，即钻孔结构简单、环隙小、孔深不大时，应尽量选择高转速，反之亦然；在实际工作中，由于钻机的能力和钻柱的质量，设备和钻具往往选择高转速。③冲洗液泵量除了排粉、冷却和护壁外，冲洗液还将起到润滑钻具和帮助浸渍钻头自锐的作用。通常，金刚石钻井液冲洗液的泵排量是根据液体向上流动的速度来确定的：Q=6vF其中:v为环空向上的流速，金刚石钻进要求v≥0.30.5m/s；f是钻孔的环形面积(cm2)。由于用镶面孕镶金刚石钻头钻进时，钻孔的环隙很小，冲洗液的流动阻力很大，所以金刚石钻进基本上是在泵排量小、泵压高的情况下进行的。泵排量过大不仅增加了工作泵压，容易腐蚀孔壁和岩心，还会过度抵消WOB，造成钻具振动。另外，泵压是反映井底工况的敏感参数之一，必须引起高度重视。例如钻进过程中，当钻速突然降低，泵压急剧升高时，可能是岩心堵塞或“钻井烧伤”的征兆；当泵压逐渐下降时，可能是钻杆出现裂纹并逐渐扩大。同时还应综合考虑下述内容。a.岩层的性质。钻进坚硬致密岩层时，单位时间产生的岩粉量较小，选择下限泵量；当钻进高磨蚀性岩层时，摩擦能力很高，这需要大量的泵冷却。但要合理选择，防止基体在高速液流中被岩粉颗粒侵蚀，导致金刚石颗粒过早脱落。b.钻头类型。浸渍钻头切削刃小，唇口间隙小，主要靠多个喷嘴循环，经常高速钻进。因此，应使用较大的泵来防止“烧钻”。表面安装的钻头具有大的输出边缘和良好的粉末排放和冷却条件，因此可以选择较小的泵容量。c.防止“燃烧钻”。防止金刚石钻头(尤其是浸渍金刚石钻头)烧损是生产中的一项重要工作。试验表明，冷却钻头所需的泵量不大，只有泵量能达到0。20.3L/min/cm钻头直径，可满足基质快速散热的需要。当转速为800r/min，钻头唇压为1OMPa时，每旋转一次胎体温度升高1.73℃。因此，如果在钻井过程中冲洗液停止循环12分钟，可能会造成“烧钻”的恶性事故。。3）金刚石钻进的临界规程除了传统的定性结论外，苏联学者通过分析钻井过程中的热物理过程，定量研究了钻井参数与基体温度、破岩功耗、钻速和基体磨损之间的关系，提出了正常和临界金刚石钻井程序的观点。正常程序下，钻头轮胎温度上升正常，功耗稳定，钻头磨损轻微；但在临界程序下，钻头轮胎的温升会急剧上升，功耗会急剧增加，钻头磨损严重，甚至会出现“烧钻”。①胎体温度与钻压P和转速n的关系用人造金刚石(粒度200400微米)孕镶钻头钻进花岗岩时，测得的基体温度与磷、氮的关系见表1-5。当WOB压力和转速达到一定值时，胴体温度从100±200℃急剧上升到600±700℃。此时，钻井程序已从正常程序变为关键程序。对于混凝土岩石，pn的临界值基本上是一个常数。表1-5中的粗线画出了正常程序和关键程序之间的界限。屠体温度与功耗和数值之间的关系如图1-8所示。表1-5钻头基体温度(℃)与轴向压力P和转速N的关系图1-8胎体温度和功耗与P•n值的关系示意图②功耗、机械钻速与钻进规程的关系钻井过程中的功率消耗和机械钻速也与关键规程直接相关。这一规律与胴体温度的上升趋势完全一致。即随着胎儿体温的升高进入临界状态，在相同PN临界值下，功耗和穿透率急剧增加。③胎体温度与冲洗液的关系试验表明，当钻井过程进入临界状态时，冲洗液的冷却效果有限，仅靠增加泵量是不可能防止温升和功率消耗的。从表1-6的数据可以看出，当泵量增加一倍时，轮胎体温和功耗都有所降低，但钻井过程无法从临界状态转化为正常程序。。表1-6冲洗液泵量对胎体温度和功率消耗的影响指标冲洗液泵量（L/min）152030胎体温度（℃）725640550钻进功率消耗（kW）5.675.225.13④钻头磨损与钻进规程的关系图1-9是钻头基体相对磨损与钻进规程(pn)的关系曲线。当正常程序转变为关键程序时，钻头磨损会突然急剧增加。曲线ⅱ的磨损比曲线ⅰ高3倍，这可能是由于生产条件下孔内动载荷引起的金刚石强度和基体硬度的降低。图1-9钻头磨耗与钻压及线速度乘积的关系示意图Ⅰ—实验室条件下；Ⅱ—生产条件下综上所述，可以得出两点结论。①对于金刚石钻进来说，每块岩石都有一个临界规律，它的PN值基本上是一个常数；WOBP和转速N两个参数之间有明显的相互作用，必须同时考虑它们的值。进入关键工序的主要表现是基体温度急剧上升，钻头磨损严重。虽然这个时候穿透率也很高，但是可能会导致“烧钻”。因此，需要确保钻井生产过程处于低于临界规格的状态。②钻凿过程中的胎体温度和钻头异常磨损是孔内重要的工作条件，但不便于测量。功耗是一个很关键的程序，很容易在表面检测到，所以可以通过测量钻削功率来判断钻削过程是否正常。（3）钢粒钻进工艺1）影响钢粒钻进效果的因素①钢粒规格对钻进效果及质量的影响钢颗粒粒径大，要求增加钢颗粒钻头壁厚，导致取芯过细，孔径增大，不利于取芯防斜。通常使用直径为3毫米的钢颗粒，钻头的壁厚是颗粒尺寸的34倍。②钻头硬度和水口形状的影响为了有效地驱动钢粒在孔底滚动破碎岩石，要求钻头与钢粒之间有水平接触力。这个连接力取决于钻头唇部的变形和摩擦。轧制时连接力应大于钢粒的阻力。钻头底唇的硬度应略低于钢粒的硬度，以带动钢粒滚动。钢粒钻头的喷嘴形状如图1-10所示。钢粒钻头喷嘴形状的选择原则是:具有良好的(导砂)性能，能在孔底保持稳定的水横截面；钻头磨损后，唇面的压砂面积略有变化，喷嘴易于加工。双斜面双弧形喷嘴有利于导砂顺畅。喷嘴高度缩短后，钻头唇口面积变化相对较小，轴向压力基本保持不变。图1-10钢粒钻头水口形状展开图单斜边水口；（b）单弧形水口；（c）双斜边水口；（d）双弧形水口；R为半径；D为直径2）钢粒钻进的规程选择钢粒钻孔需要在孔内放入一定量的钢粒。规则除P、N、Q外，还包括抛砂方法和抛砂量两个规则参数。①投砂方法及投砂量a.一次性抛沙法。往返开始前，将往返所需的钢粒一次性放入孔中。抛砂量取决于岩性的长度。注砂不足会导致机械钻速低、缩径和钻具堵塞。但注砂过多不利于孔底排粉和钢粒分离，也影响钻速和取心质量。一般情况下，钻ⅷⅹ级岩石一次抛砂量按下式估算：G=KD式中:d为钻头直径(cm);K=0。150.3(kg/cm)，岩石可钻性水平高，研磨性强。。b.结合投砂法。可钻性达ⅺ及以上的岩石应采用组合抛砂法。组合抛砂法是在返砂时间开始前，投入所需的50%和60%的钢粒，确认孔底钢粒已消耗殆尽时，再从钻杆中加入剩余的钢粒12次。对于可钻性达到ⅺ、ⅺ级或强研磨性的岩石，应采用组合抛砂法，可适当延长纯钻时间。②钻压的选择钢粒钻头的钻头重量决定了孔底破岩的方式。通常，钻头的总重量根据以下公式计算：式中:k为考虑喷嘴减小钻头唇边面积的系数，k=0.70.8;P为钻头唇部的单位压力(Pa);D和D是钻头的外径和内径(m)。实验室研究和生产实践表明，随着单位压力p的增加，钻速几乎呈线性增加，但当p达到一定值(pmax)时，这种线性关系不再存在。此时，钢颗粒可能被压碎或“嵌入”钻头唇中，从而导致钻速显著下降。影响尺寸的因素有:钢粒钻头唇形硬度、钢粒强度、岩石可钻性和钻头转速。岩石越坚硬，钢粒的相对强度和耐磨性越低，所要求的9个值越低;在钢粒钻孔中，钢粒在孔底滚动的脉动频率随着转速的增加而增加，有利于提高钻进速度，因此转速越快，脉动频率越低。③转速的选择由于孔底钢粒的滚动受到孔壁和岩心的限制，其速度滞后于钻头的线速度。钢粒钻进主要用于脆性岩石，破岩的时间效应不明显。钢颗粒可以在孔底自动分选和补充，因此可以采用更高的转速。过去，人们担心“高转速产生的离心力会将钢颗粒抛出钻头唇”。实践证明，只要钻头外环形空间内钢颗粒柱的高度不小于喷嘴的高度，且喷嘴能保证及时导砂，适当提高转速就不会出现这种情况。钢粒钻孔转速参考值见表1-7。选择转速时，应综合考虑钻头直径、钢颗粒强度、孔深和钻杆强度等因素。其中，钢颗粒的相对抗压强度