自吸式粒子射流鉆井工具

李世昌

(東北石油大學(xué) 黑龍江 大慶 163318)

自吸式粒子射流鉆井工具

李世昌

(東北石油大學(xué) 黑龍江 大慶 163318)

一、研究背景

隨著我們國(guó)家淺層油氣資源的不斷枯竭，使得目前的油氣勘探及開(kāi)發(fā)的重心向著深部堅(jiān)硬地層以及復(fù)雜地質(zhì)條件下油氣田的方向轉(zhuǎn)移。在鉆井過(guò)程中，深井地層硬度及鉆井難度不斷增大，因此如何提升硬地層的鉆速成為公認(rèn)的世界性難題之一。在深井、硬地層的鉆進(jìn)過(guò)程中，國(guó)內(nèi)外油田都存在普遍性的鉆速慢、鉆具使用壽命短、鉆井周期過(guò)長(zhǎng)、鉆井成本過(guò)高等一系列難題，影響著勘探及開(kāi)發(fā)整體經(jīng)濟(jì)效益，由此深井、硬地層高效鉆井新方法的研究成為油氣鉆探重要的研究方向，并對(duì)地層油氣資源的高效獲取具有重要的作用。

發(fā)展井底自吸式脈沖粒子射流鉆井技術(shù)，即以石油鉆探破碎地層生成的大量巖屑當(dāng)作磨料粒子介質(zhì)，利用吸入工具，直接將部分巖屑在井底引入鉆柱內(nèi)部，與鉆井液混合后，經(jīng)鉆頭噴嘴高速噴出，形成的巖屑粒子射流作用于井底地層，同時(shí)，為使射流作用效果更好，可通過(guò)適當(dāng)?shù)乃Y(jié)構(gòu)，調(diào)制巖屑粒子射流的脈動(dòng)性能，改善鉆頭與井底附近巖石的受力狀況，強(qiáng)化巖屑的啟動(dòng)和凈化，以及利用巖屑粒子射流的沖擊研磨協(xié)同作用，進(jìn)行破巖、輔助破巖，鉆井速度有效提高。

二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

(一)國(guó)外研究現(xiàn)狀。自2002年粒子沖擊鉆井技術(shù)首次提出后，以美國(guó)粒子沖擊鉆井PIDT(Particle Impact Drilling Technology)公司為首的科研人員，針對(duì)粒子射流沖擊破巖技術(shù)，完成了以下內(nèi)容的研究工作，如表2-1 中所示。

表2-1 國(guó)外粒子射流沖擊鉆井技術(shù)

ProDrill Services Inc.(PSI)于2003 年在落基山油田測(cè)試中心研制了粒子射流沖擊鉆井系統(tǒng)，2004年一月PIDT公司獲得此項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并開(kāi)展了研究。2005年，在鹽湖城Terra Tek的鉆井完井實(shí)驗(yàn)室，PIDT公司首次試驗(yàn)了自己設(shè)計(jì)的兩種新型的粒子射流沖擊鉆井PID鉆頭。模擬試驗(yàn)環(huán)境采用實(shí)際鉆井工程中使用的鉆壓和扭矩，利用真實(shí)的泥漿形成的水力流場(chǎng)，泥漿中摻入尺寸為0.1英寸(約2.5mm)體積濃度為2-3%的鋼粒子，進(jìn)行了11次全尺寸模擬井下工況的試驗(yàn)。試驗(yàn)中粒子噴出速度大約為150m/s，噴出頻率超過(guò)400萬(wàn)次/min。試驗(yàn)持續(xù)7天多，多次試驗(yàn)證明，常規(guī)鉆頭需要的鉆壓大約90kN～270kN的地層，粒子射流沖擊鉆井大約需要20kN～45kN鉆壓，大大降低了施加在鉆頭上的壓力，有效地壓縮了鉆井的實(shí)際成本。同時(shí)該試驗(yàn)中選用了排量不同的兩種PID鉆頭，試驗(yàn)證明，相對(duì)于小排量PID鉆頭，大排量鉆頭效果更為理想。然而，無(wú)論是大排量還是小排量PID鉆頭，仍然存在諸多地方需要改進(jìn)和完善。

(二)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀。國(guó)內(nèi)外創(chuàng)新破巖技術(shù)蓬勃發(fā)展，但粒子射流沖擊鉆井技術(shù)的巨大潛力，吸引了眾多專(zhuān)家學(xué)者的重視，紛紛展開(kāi)研究工作。歸納其研究成果主要集中在破巖機(jī)理、粒子注入系統(tǒng)、粒子回收處理系統(tǒng)、流場(chǎng)模擬等內(nèi)容。

1.西南石油大學(xué)。2008 年，伍開(kāi)松等人應(yīng)用一維應(yīng)力波基本理論和沖擊動(dòng)力學(xué)有限元分析軟件IDFEM 研究了單個(gè)粒子沖擊破巖的規(guī)律，提出粒子入射角度、直徑和沖擊速度對(duì)破巖效果的影響。2009 年利用 LS-DYNA 建立了雙粒子沖擊模型，提出取粒子直徑為 0.8-1個(gè)基準(zhǔn)，粒子間距為 0.25 個(gè)左右的基準(zhǔn)直徑、沖擊速度大約在每秒 32000-40000 個(gè)基準(zhǔn)直徑時(shí)，效果最佳。

2011年中國(guó)工程物理研究院和西南石油大學(xué)，以四川花崗巖為靶體，使用直徑為3mm-9.5mm 多種尺寸的粒子，利用空氣炮展開(kāi)破巖試驗(yàn)。利用井底模式掃描分析系統(tǒng)獲取彈坑特性，提出粒子直徑為5.5mm，沖擊速度為 180m/s 破巖效果較為理想。2012年況雨春等人提出為方便攜帶出井底粒子，沖擊后粒子嵌入巖石深度不宜超過(guò)粒子直徑的50%。

2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)。徐依吉等人將圍壓作用簡(jiǎn)化為巖石內(nèi)部的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，利用 LS-DYNA 模擬粒子沖擊破巖的三維模型，對(duì)比了巖石在有無(wú)圍壓作用下破巖效果的差別，提出最優(yōu)粒子沖擊速度為150m/s。

2012年3月，徐依吉等人提出粒子分級(jí)裝置，理論上完成了可利用粒子與嚴(yán)重磨損粒子的分離問(wèn)題。并于 2013 年 1 月，徐依吉提出粒子回收系統(tǒng)的整體裝置三維實(shí)體模型。

2012年1月，中石油(華東)借鑒了 PDTI 公司的二代離子注入系統(tǒng)，采用兩套注入系統(tǒng)交替注入粒子和排出粒子過(guò)程，通過(guò)自動(dòng)控制中心控制粒子注入螺桿擠壓泵，設(shè)計(jì)了新型粒子注入系統(tǒng)。

2013年1月中石油(華東)和川慶鉆探鉆采工程技術(shù)研究院，共同提出了雙柱塞式粒子注入系統(tǒng)。

三、自吸式射流的工作原理

模擬壓力場(chǎng)分布如圖所示。分析圖可以發(fā)現(xiàn)，壓力場(chǎng)可分為4個(gè)區(qū):上噴嘴出口低壓1區(qū)，中心汽化低壓2區(qū)，邊界負(fù)壓3區(qū)和碰撞高壓4區(qū)。其中最關(guān)鍵的是 2 區(qū)，該區(qū)會(huì)形成一對(duì)壓力和大小呈周期性變化的渦環(huán)，對(duì)軸心處的射流中心形成周期性阻尼，在出口處產(chǎn)生流速脈動(dòng)，同時(shí)該負(fù)壓區(qū)保證了環(huán)空流體的引入。1區(qū)是由于中心渦環(huán)在腔室下游形成負(fù)壓區(qū)，導(dǎo)致上噴嘴出口流速急劇上升，同時(shí)射流的加速促進(jìn)了低壓渦環(huán)的形成。

圖3.1 壓力分布

四、面臨問(wèn)題

粒子射流過(guò)程中，粒子混合不夠均勻、持續(xù)?？赡茉斐扇缇蹞p傷、側(cè)鉆、落魚(yú)、跟管鉆進(jìn)等問(wèn)題。鉆頭壽命短、穩(wěn)定性差、設(shè)備投入大、系統(tǒng)復(fù)雜、管線磨蝕嚴(yán)重等問(wèn)題。

只是對(duì)粒子直徑、射流粒子密度、圍壓、泵壓和噴嘴流道形狀、噴射方向、噴嘴流道分布進(jìn)行深入的研究，對(duì)振蕩腔的結(jié)構(gòu)有很少的研究。

五、研究目的與意義

(一)目的。在鉆井過(guò)程中，深井地層硬度及鉆井難度不斷增大，因此如何提升硬地層的鉆速成為公認(rèn)的世界性難題之一。在深井、硬地層的鉆進(jìn)過(guò)程中，國(guó)內(nèi)外油田都存在普遍性的鉆速慢、鉆具使用壽命短、鉆井周期過(guò)長(zhǎng)、鉆井成本過(guò)高等一系列難題，影響著勘探及開(kāi)發(fā)整體經(jīng)濟(jì)效益，由此深井、硬地層高效鉆井新方法的研究成為油氣鉆探重要的研究方向，并對(duì)地層油氣資源的高效獲取具有重要的作用。

(二)意義。目前在研究粒子射流破碎物料的物理本質(zhì)方面，一直進(jìn)展緩慢，而且在應(yīng)用粒子射流提高破巖效率和鉆井速度方面，我們國(guó)家的研究還處于剛剛起步階段。

因此深化對(duì)自吸式射流鉆井的理論深入的研究，通過(guò)對(duì)振蕩腔結(jié)構(gòu)的研究與設(shè)計(jì)，從而改變流體的脈動(dòng)狀態(tài)、流速，粒子的分散程度、的密度，從而對(duì)其破巖速度、高效鉆井有重要意義。

李世昌(1992-)，男，碩士研究生，東北石油大學(xué)，研究方向：油氣井方向。