[科普中国]-旋转钻井

旋转钻井是指使钻头在一定的轴向压力（钻压）下旋转，将岩石切削或碾压成碎屑，并通过循环钻井流体将岩石碎屑带到地面的一种钻井方法。与冲击钻井法相比可大幅度提高钻井效率及适应各种复杂的井下地层情况，已替代冲击钻井法成为主流钻井方法。1

简述旋转钻井是在地壳岩层中钻探井眼的一种方法。该方法是一种比较新型的钻井方式，是法国土木工程师Rudolf Leschot在1863年最先发明的钻井方式。首次使用淡水作为循环流体钻探水井。当首次把空气压缩机应用于钻水井时，人们对这种方法还是一知半解，但是，在20世纪20年代，便携式压缩机开始应用在钻探石油和天然气井时，这种方法才被人们所认知。1935年，在得克萨斯州采用管道里的天然气成功进行天然气井的气体钻井，并且采用了反循环钻井方式。

为保证钻头在岩石中的顺利钻进，需要运用钻头的轴向力和扭矩，并且要让循环流体及时地清理钻头在钻岩石的过程中产生的岩屑。如果钻头不施加轴向载荷而其他两个方面正常工作，则钻头不会向前推进。同样，如果钻头不施加扭矩而其他两个方面正常工作，则钻头不会向前推进。然而，如果停止流体循环而其他两个方面正常工作，则钻具容易损坏。上述简短的论述是为了说明钻井整个循环系统的重要性。

各种钻机均可用于旋转钻井，可以是小型的单钻杆钻机，也可以是较大型的双钻杆或三钻杆钻机。大多数的陆地钻机都是具有折叠井架的可移动式钻机。一台单钻杆钻机的纵向空间仅仅能排放单根钻杆，双钻杆钻机的纵向空间可排放两单根连起来的钻柱，三钻杆钻机的纵向空间可排放3个单根连起来的钻柱。2

原理旋转钻井是石油钻井所使用的技术。钻头被固定在一根钻杆的终端。裸眼钻井常使用带三个牙轮的钻头。需要钻穿的岩层越硬，钻头牙轮的齿就越短，也更加坚硬。对于一些超硬的岩层或用于取心的井，人们就会使用镶有金刚石的钻头。钻头所需的动力一般由地面设备提供，一部分来自安装在钻塔顶部的动力钻具，另一部分来自安置在钻具底部的转盘。在少数情况下,钻头也可以由安置在钻头上方一个孔内的涡轮直接旋转带动钻进，这项技术叫做涡轮钻井。为了减少钻杆的摩擦及给钻头润滑并冷却，人们采用高压泵将钻井液从钻杆内输往钻头。这种钻井液也起到平衡钻头穿过的地层内所含液体产生的压力的作用，这样就可以避免钻井中失控发生井喷的危险性。钻井液携带着岩屑（被钻头破碎的岩石碎屑）从钻杆外部与井壁之间的空间返到地面。3

形式自20世纪初旋转钻井法用于石油钻井的100余年来，旋转钻井方法不断发展，形成了以下三种钻井方式:

(1)转盘钻井方式。通过地面转盘驱动钻柱及钻头旋转进行钻井。

(2)顶部驱动钻井方式。用顶部驱动钻并农置代替转盘带动钻柱及钻头旋转进行钻井。20世纪80年代开发出顶部驱动钻井装置后，得到了非常好的发展顶部驱动钻井装置的优点是：在钻进过程中用接立根来代替接单根，减少了钻进过程中的接单杆时间；在起下钻过程中可很快地和井下钻具连接及循环钻井流体，减少了转盘钻井方式需从鼠洞中提出水龙头及方钻杆的操作；可进行倒划眼操作，从面提高了预防及处理井下复杂情况及事故的能力。

(3)井下动力钻具钻井方式。在钻头上方接井下动力钻具（涡轮钻具、螺杆钻具等），通过高压钻井液驱动井下动力钻具转子带动钻头旋转（整个钻柱及动力钻具外壳可以不转）进行钻井。特点是：①可以提高钻头转速，从而提高机械钻速。转盘或顶部驱动钻井方式因受钻柱强度的制约，转速一般在60~120r/min，最高不超过180rmin，而井下动力钻具转速一般在200~400r/min之间。②钻柱可不转动，受力情况大为改善，减少了钻具的磨损及折断事故。③井下动力钻具外壳可不转，可制成带小角度弯角的弯外壳（或在其上端接弯接头），提供了控制钻头钻进方向的手段，从而在钻井工程中开辟了定向钻井这一新的广阔的技术领域。当外壳的弯角小于1°时，还可用转盘或顶部驱动钻井装置带动钻柱旋转，以减少钻柱与井壁的摩阻及进一步提高钻井效率。1

应用旋转钻井被用于钻各种各样的井眼，大多数水井和环境监测井都采用旋转钻井。

在采矿业中，旋转钻井可用于钻岩矿井和试验井，这样，有助于钻进较深的大尺寸垂直井。为了铺设那些从河流、公路和其他天然或人工障碍下通过的水、油、气和其他的液体管道，曾用旋转钻井技术来钻此类的孔洞。尤其是，旋转钻井被用来在城镇或工业区等人口与建筑密集的地区铺设光学纤维和通信管线而钻孔。旋转钻井最复杂的应用是钻深井，其主要目的是为了发现原油、天然气和地热蒸汽、地热水等自然资源。要发现这些流体资源，钻井深度至少需要3000ft(900m)，甚至高达20000ft(6000m)。

旋转钻井具有很强的适用性，旋转钻井适用于火成岩、变质岩和沉积岩的钻探。然而，为发现原油和天然气，深井钻探的地层大部分为沉积岩。若寻找地热蒸汽和地热水，钻探的地层则包括上述三种岩性。旋转钻井需要采用切削岩石或破碎岩石的钻头。2

本词条内容贡献者为:

王宁 - 副教授 - 西南大学