旋轉鑽井是指使鑽頭在一定的軸向壓力（鑽壓）下旋轉，將岩石切削或碾壓成碎屑，並通過循環鑽井流體將岩石碎屑帶到地面的一種鑽井方法。與衝擊鑽井法相比可大幅度提高鑽井效率及適應各種複雜的井下地層情況，已替代衝擊鑽井法成為主流鑽井方法。
基本介紹
- 中文名：旋轉鑽井
- 外文名：rotary drilling
- 發展時間：1863年
- 特點：鑽頭旋轉切削岩石
- 套用：水井等鑽井工程
- 學科：礦業術語
簡述,原理,形式,套用,
簡述
旋轉鑽井是在地殼岩層中鑽探井眼的一種方法。該方法是一種比較新型的鑽井方式，是法國土木工程師Rudolf Leschot在1863年最先發明的鑽井方式。首次使用淡水作為循環流體鑽探水井。當首次把空氣壓縮機套用於鑽水井時，人們對這種方法還是一知半解，但是，在20世紀20年代，攜帶型壓縮機開始套用在鑽探石油和天然氣井時，這種方法才被人們所認知。1935年，在德克薩斯州採用管道里的天然氣成功進行天然氣井的氣體鑽井，並且採用了反循環鑽井方式。
為保證鑽頭在岩石中的順利鑽進，需要運用鑽頭的軸向力和扭矩，並且要讓循環流體及時地清理鑽頭在鑽岩石的過程中產生的岩屑。如果鑽頭不施加軸向載荷而其他兩個方面正常工作，則鑽頭不會向前推進。同樣，如果鑽頭不施加扭矩而其他兩個方面正常工作，則鑽頭不會向前推進。然而，如果停止流體循環而其他兩個方面正常工作，則鑽具容易損壞。上述簡短的論述是為了說明鑽井整個循環系統的重要性。
各種鑽機均可用於旋轉鑽井，可以是小型的單鑽桿鑽機，也可以是較大型的雙鑽桿或三鑽桿鑽機。大多數的陸地鑽機都是具有摺疊井架的可移動式鑽機。一台單鑽桿鑽機的縱向空間僅僅能排放單根鑽桿，雙鑽桿鑽機的縱向空間可排放兩單根連起來的鑽柱，三鑽桿鑽機的縱向空間可排放3個單根連起來的鑽柱。
原理
旋轉鑽井是石油鑽井所使用的技術。鑽頭被固定在一根鑽桿的終端。裸眼鑽井常使用帶三個牙輪的鑽頭。需要鑽穿的岩層越硬，鑽頭牙輪的齒就越短，也更加堅硬。對於一些超硬的岩層或用於取心的井，人們就會使用鑲有金剛石的鑽頭。鑽頭所需的動力一般由地面設備提供，一部分來自安裝在鑽塔頂部的動力鑽具，另一部分來自安置在鑽具底部的轉盤。在少數情況下,鑽頭也可以由安置在鑽頭上方一個孔內的渦輪直接旋轉帶動鑽進，這項技術叫做渦輪鑽井。為了減少鑽桿的摩擦及給鑽頭潤滑並冷卻，人們採用高壓泵將鑽井液從鑽桿內輸往鑽頭。這種鑽井液也起到平衡鑽頭穿過的地層內所含液體產生的壓力的作用，這樣就可以避免鑽井中失控發生井噴的危險性。鑽井液攜帶著岩屑（被鑽頭破碎的岩石碎屑）從鑽桿外部與井壁之間的空間返到地面。
形式
自20世紀初旋轉鑽井法用於石油鑽井的100餘年來，旋轉鑽井方法不斷發展，形成了以下三種鑽井方式:
(1)轉盤鑽井方式。通過地面轉盤驅動鑽柱及鑽頭旋轉進行鑽井。
(2)頂部驅動鑽井方式。用頂部驅動鑽並農置代替轉盤帶動鑽柱及鑽頭旋轉進行鑽井。20世紀80年代開發出頂部驅動鑽井裝置後，得到了非常好的發展頂部驅動鑽井裝置的優點是：在鑽進過程中用接立根來代替接單根，減少了鑽進過程中的接單桿時間；在起下鑽過程中可很快地和井下鑽具連線及循環鑽井流體，減少了轉盤鑽井方式需從鼠洞中提出水龍頭及方鑽桿的操作；可進行倒劃眼操作，從面提高了預防及處理井下複雜情況及事故的能力。
(3)井下動力鑽具鑽井方式。在鑽頭上方接井下動力鑽具（渦輪鑽具、螺桿鑽具等），通過高壓鑽井液驅動井下動力鑽具轉子帶動鑽頭旋轉（整個鑽柱及動力鑽具外殼可以不轉）進行鑽井。特點是：①可以提高鑽頭轉速，從而提高機械鑽速。轉盤或頂部驅動鑽井方式因受鑽柱強度的制約，轉速一般在60~120r/min，最高不超過180rmin，而井下動力鑽具轉速一般在200~400r/min之間。②鑽柱可不轉動，受力情況大為改善，減少了鑽具的磨損及折斷事故。③井下動力鑽具外殼可不轉，可製成帶小角度彎角的彎外殼（或在其上端接彎接頭），提供了控制鑽頭鑽進方向的手段，從而在鑽井工程中開闢了定向鑽井這一新的廣闊的技術領域。當外殼的彎角小於1°時，還可用轉盤或頂部驅動鑽井裝置帶動鑽柱旋轉，以減少鑽柱與井壁的摩阻及進一步提高鑽井效率。
套用
旋轉鑽井被用於鑽各種各樣的井眼，大多數水井和環境監測井都採用旋轉鑽井。
在採礦業中，旋轉鑽井可用於鑽岩礦井和試驗井，這樣，有助於鑽進較深的大尺寸垂直井。為了鋪設那些從河流、公路和其他天然或人工障礙下通過的水、油、氣和其他的液體管道，曾用旋轉鑽井技術來鑽此類的孔洞。尤其是，旋轉鑽井被用來在城鎮或工業區等人口與建築密集的地區鋪設光學纖維和通信管線而鑽孔。旋轉鑽井最複雜的套用是鑽深井，其主要目的是為了發現原油、天然氣和地熱蒸汽、地熱水等自然資源。要發現這些流體資源，鑽井深度至少需要3000ft(900m)，甚至高達20000ft(6000m)。
旋轉鑽井具有很強的適用性，旋轉鑽井適用於火成岩、變質岩和沉積岩的鑽探。然而，為發現原油和天然氣，深井鑽探的地層大部分為沉積岩。若尋找地熱蒸汽和地熱水，鑽探的地層則包括上述三種岩性。旋轉鑽井需要採用切削岩石或破碎岩石的鑽頭。
