粒子冲击钻井系统研究初探

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1、石油机械CHINAPETROLEUMMACHINERY2010年第38卷第5期●专题研究粒子冲击钻井系统研究初探陈熹谬张杨温荣林(北京化工大学机电工程学院)摘要介绍了粒子冲击钻井系统的原理及优势，并对美国ParticleDrillingTechnologies，Inc．粒子冲击钻井系统的相关技术和现场试验情况做了论述，结合国内的研究成果，阐述了粒子冲击钻井系统的3大组成部分：粒子冲击钻井钻头、粒子注入系统和粒子回收处理系统的组成及其相应的工艺流程。粒子冲击钻井系统及相关项目的研究，为国内深井、超深井钻井速度的进一步提高提供了一种全新的思路和办法。关键词粒子冲击钻井钻

2、头注入系统处理系统钻井工艺中提高在坚硬地层中的机械钻速，摆东得克萨斯州成功地进行了粒子冲击钻井系统与钻脱其带来的钻头使用寿命短、作业成本高、周期长机配置并连接_2J，已先后完成了5口井的现场试以及井斜等问题一直是钻井技术人员所追求的。随验。2007年4月设计并建立了一套全新的粒子注着国内深井、超深井数量的增加，这一问题的解决入方法。变得更为迫切。粒子冲击钻井正是为了实现上述追2008年，该公司利用粒子冲击钻井系统进行求而开发的一种新型钻井技术。该技术配套的粒子了5口井的现场试验，其中1次是在北美地区硬度冲击钻井系统就是依赖钻井液的水力能量与其携带最高、研磨性最强的T

3、ravisPeak地层进行的。在的圆形坚硬钢颗粒的联合作用来快速破碎岩层。与深度为335．28m的地下，粒子冲击钻井系统钻穿常规钻井技术不同，这一过程不是靠钻压和扭矩实厚度为36．58m的硬质岩层仅用了8h，而常规钻现机械破岩，而是通过粒子注入系统在钻井泵与立井则需要24h才能完成，粒子钻井所用时间是常管之间将粒子加入钻井液中，使其沿钻柱下行，并规钻井的％J，试验井的机械钻速达到了邻井常在专门设计加工的具有特制切削刃钻头的喷嘴处得规钻井的2～4倍。试验结果表明，粒子冲击钻井以加速，以极高的速度冲击地层，产生高应力，使系统一方面能够有效提高深层研磨性极高的极硬地得岩层

4、破碎。岩层破碎之后，钢颗粒和钻屑通过钻层的机械钻速，另一方面可以解决空气钻井无法适井液循环到地面，之后通过粒子回收装置将钢颗粒应的那些坚硬地层的快速钻进问题。因此，有必要分离出来，以便再次注入循环的钻井液中。国外的对此项钻井新技术进行研究，为该技术最终应用于试验表明，粒子钻井装置较传统钻井技术的钻进速国内深井、超深井钻井奠定良好的基础。度快3～5倍，大大缩短了操作时间，节省了人力、燃料、租金以及其他钻井消耗I4j。2我国粒子冲击钻井系统研究状况1国外粒子冲击钻井系统研究现状粒子冲击钻井系统在我国是首次研发。目前由中国石化集团胜利石油管理局钻井工艺研究院与北粒子冲击钻

5、井系统由美国PanicleDrilling京化工大学等单位组成的项目组正在进行合作攻Technologies，Inc．2003年开始独立研发，2005年关。按功能划分，粒子冲击钻井系统可分为3大部开始在他们的实验室和斯伦贝谢的实验室先后进行分：粒子冲击钻井钻头、粒子注人系统和粒子回收了12次全尺寸试验，2006年5月在美国犹他州和处理系统。$北京化工大学与中国石化集团胜利石油管理局钻井工艺研究院合作项目“粒子冲击钻井注入和回收系统技术研究”(H2009158)。2010年第38卷第5期陈熹缪等：粒子冲击钻井系统研究初探2．1粒子冲击钻井钻头一个水平放置的螺旋推进机中

6、。粒子冲击钻井钻头在井下的作用是将圆形颗粒加速到足以冲击其挖掘所在岩层。钻头的喷嘴以及1钻头的几何形状被设计成可以形成特定的切削模式，如图1所示J。钻井液中的粒子在钻头中经特别设计的喷嘴而加速，使它们以大于4×10。次／min的粒度冲击硬质岩层l6J。经过无数粒子的冲击上仓室作用，岩层形成一个由于深处的应力而保留下来的4岩环。这时，仅需钻头上存在一定角度的平面对岩下仓室环持续施加234．43～694．28N的压力，就能在岩环中产生扩张应力，使它破碎为弹子大小的碎岩。6这些碎岩与粒子、其他碎屑由钻头前部很大的返屑槽进入环空，与循环钻井液一同返出井眼。图2粒子注入系统1

7、一注入塔架；2一加料漏斗；3-阀1；4一阀2；5一链轮／盘输送机；6一螺旋推进机；7一粒子开启注入阀；8一钻井液阀；9一减压阀。开始时，“呈一直线”的2个压力仓室和推进机中都充满粒子后，压力仓室上部阀1关闭，钻井液阀开启并通过钻井泵输出压力来加压，基于在钻井的水力需要，一般加压到25MPa左右。注入开始，“子弹群”通过螺旋推进机以0．95L／s的速度实现机械输送，并被加入到28．39L／s的钻井液流中，之后带有粒子的钻井液经立管和钻柱到达钻头，整个液流由3％的粒子和97％的钻井液组成。当粒子顶面下降到上仓室以下时，阀2关闭，将上、下2个压力仓室隔开，减压阀开启，