石油钻井中水力辅助机械破岩机理研究

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1、学兔兔www.xuetutu.com石油天然气学报(江汉石油学院学报)2009年6月第31卷第3期·88·JournalofOilandGasTechnology(J．JP1)Jun．2009Vo1．31No．3石油钻井中水力辅助机械破岩机理研究黄志强(湖北省油气钻采工程重点实验室，长江大学石油工程学院，湖北荆州434023)周磊(长江大学石油工程学院，湖北荆州434023)[摘要]分析了石油钻井中水力辅助机械破岩的机理，认为水力预破碎作用、水楔作用及射流对机械破碎坑附近薄弱岩石的冲蚀作用是水力辅助机械破

2、岩的3种主要方式；采用四JIl油气田岩样进行了纯机械破岩、纯水力破岩及水力与机械联合破岩的室内全尺寸台架试验，并对岩石磨片作了显微分析。结果进一步论证了对水力辅助机械破岩机理的理论分析是正确的；揭示了石油钻井中水力辅助机械破岩的机理，完善了喷射钻井理论，有利于推动钻井工艺技术的发展。[关键词]水力；机械；预破碎；水楔；冲蚀；试验；途径[中围分类号]TE242[文献标识码]A[文章编号]1000—9752(2009)03—0088—03法国石油研究院n]、西德矿业公司、苏联斯珂琴斯基矿业学院都对水力和机械联

3、合破岩的机理、工作装置等问题作了大量研究；Veenhuizen等用超高压井下泵所做的现场试验表明，对于页岩，超高压射流辅助破岩的速度约为常规破岩速度的1．45倍，花岗岩1．5O倍，而砂岩则高达2．0倍L2]。国内梁宗辉、徐依吉对水力与机械联合清洗问题开展了研究工作[3“]，李根生、沈忠厚等学者对石油钻井中水力与机械联合破岩也开展了理论与试验研究工作[5]。需要说明的是，这些研究工作虽然取得了一些研究成果，但对石油钻井中水力辅助机械破岩机理的认识还有待深入，对于提高水力辅助机械破岩效率的途径还需要进一步探讨

4、。1水力辅助机械破岩机理的理论研究应用弹性力学、渗流力学理论对水射流冲击岩石的过程分析可知，水力辅助机械破岩主要体现在以下几个方面。1．1水力预破碎作用射流冲击渗透性差的岩石时，一般产生4种作用力，即冲击压力、剪切应力、气蚀作用及冲击卸载时在岩石内造成的拉应力，正是在这些力的综合作用下岩石产生破碎的。在现有的机泵条件下，射流还难以有效地破碎坚硬的岩石，但对于浅部较软地层，这种作用是比较明显的。如果岩石的渗流性较好，则射流除了以上4种作用外，更重要的是其能在岩石空隙中渗透并在空隙周围介质中产生更大的拉伸应力

5、，由于岩石的抗拉强度相对较小，从而较容易地破碎岩石。在钻井实际中，由于钻头的旋转，岩面上被射流冲过的部分接着会受到牙齿的切削。射流对岩石的直接冲蚀，造成岩面上出现强度薄弱的部位，为进一步的牙齿机械破岩创造了有利条件，一方面可减小牙齿的切削力，另一方面增大了破岩体积。1．2水楔作用1)裂纹对岩石强度的影响经过钻头牙齿破碎后的岩石，在其表面附近产生了许多微裂纹，由于裂纹扩展比无裂隙岩石的破碎需要的应力要小得多，所以它的存在使岩石的强度大大降低。裂纹的扩展过程是不可逆的，裂纹面上含有水时其扩展的力学阻力就会降低

6、。所以，裂纹使岩石更容易被破碎。2)裂纹尖端的应力状态把裂纹简化为半椭圆型裂纹，如果任意变化椭圆的2个半轴的长度，则[收稿日期]2009一O3—22[作者简介]黄志强(1964一)，男，1984年江汉石油学院毕业，硕士，副教授，现主要从事油气井钻井完井技术研究工作。学兔兔www.xuetutu.com第31卷第3期黄志强等：石油钻井中水力辅助机械破岩机理研究·89·可模拟各种形状的裂纹。简化模型如图1所示，M(r，)是以焦点F为原点的极坐标系中裂纹尖端附近的一点[7]。根据弹性力学原理可计算出裂纹尖端附近

7、的最大拉应力为：一0．92P(c／r)~(1)表1裂纹尖端最大拉应力计算式中，P为流人裂纹内的液体压力，kg／cm。；c为半椭圆型裂纹的半焦距，mm；，一为M点的极径，mm。．不同渗流压力P下的最大拉应力un／kg·cm20kg／cm。30kg／cm040kg／cm为了具体地说明的大小，取各种裂纹尺寸c／r和渗流压力P，按式(1)计算⋯结果见表1。由实算可知，现有的机泵条件使得井底获得3O～4O大气压的射流冲击力是不难的。经验表明，由于裂纹结构的特点，决定其~／r常常远大于4。可见，裂纹尖端附近的拉应力是

8、比较大的，足以引起开裂，造成岩石破碎。3)裂纹的传播当裂纹在拉应力作用下扩展时，最初的扩展是稳定的，即随着应力的增加而逐渐延伸，应力减小后裂纹就不再变形。随着拉‘7⋯应力的进一步升高，裂纹的扩展越来越大，具有C裂纹的岩石抵抗载荷的能力越来越小，当达到某一临界状态时，裂纹的扩展不再取决于液体的冲—⋯击压力而成为不稳定扩展过程，即使应力保持稳定，裂纹也会迅速地扩展。当裂纹向自由面扩展时，就会产生崩裂；若裂纹向其他裂纹处扩展，则引起