粒子冲击钻井技术基础理论及试验研究

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1、石油机械2011年第39卷增刊CHINAPETROLEUMMACHINERY试验研究粒子冲击钻井技术基础理论及试验研究蒋海军况雨春朱志镨伍开松王勤(1．中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院2．西南石油大学机电工程学院)摘要粒子冲击钻井是以高速球形硬质钢粒子冲击破岩为主，以高速水力破岩和机械牙齿破岩为辅的钻进硬地层的一种高效钻井工艺。该工艺是在钻井液中增加一定质量的钢粒子，利用粒子的冲击破岩作用，提高在硬地层或者硬夹层的钻井效率。介绍了粒子冲击钻井技术涉及的理论及试验研究，分析了硬地层的岩石动态本构关系，确定岩石模型的选择和建立。利用有限元软件AN

2、SYS／LS—DYNA建立物理模型模拟粒子破岩过程，对比试验数据和仿真结果，总结了粒子冲击钻井破岩规律。粒子冲击钻井技术为解决硬地层钻井速度慢、钻井周期长和钻井成本高等难题提供了新思路，为近期页岩气的勘察和开发提供一种新的钻井方法，该技术在非常规油气勘探和开发中具有广阔的应用前景。关键词页岩气冲击动力学粒子冲击钻井岩石本构关系子冲击钻井改变了常规破岩的方法，采用体积破碎0引言方式，提高了能量的利用率。目前，我国正在大力发展高效清洁能源——天然气，随着我国经济的高我国大部分区块由于早期对中浅部地层油气资速发展，非常规能源页岩气的开发已经被重多资本源的钻探

3、开发，现在油田普遍进入开采的中后推上前台。从我国最先开放的区块来看，首个勘测(枯竭)期，而我国存在着丰富的深层油气资源，井位于重庆地区。由于造山运动的作用，使此地区尤其是深部致密岩层页岩气、砂岩气等资源。随着山前构造带也存在着硬地层和硬夹层，所以提高粒钻井深度的不断增加，钻井过程中地层温度和液柱子钻井技术的水平，对非常规能源的前期勘察和后压力逐渐变大，导致岩石强度、可钻性和硬度等发期开发都具有重要意义。生明显的改变，以及高研磨地层等因素导致常规钻笔者以粒子冲击破岩技术的基础理论研究为井技术效率大大降低。主，通过冲击动力学、岩石破碎学和弹丸侵彻等方为了解

4、决在勘探和开发中所遇到的难题——硬面的探讨，结合理论和试验数据的分析，阐述了粒地层或硬夹层、高研磨地层，粒子冲击钻井技术应子冲击破岩研究的重点和难点。运而生，且经过室内和现场试验证实了其破碎硬地层的高效性¨J。粒子冲击钻井技术在钻井过程中1粒子冲击钻井技术概况为实现破岩，应使粒子以较高的频率和速度从喷嘴喷出并冲击地层，达到破碎岩石的效果，并由钻井粒子冲击钻井是以高速球形硬质钢粒子冲击破液携带其返回井口，再将其捕获和分离再利用。通岩为主，联合高速水力破岩和机械牙齿破岩为辅的过室内试验与现场试验，证实粒子冲击钻井能够较一种新的钻井破岩方法，可用于钻探某些特

5、殊岩层大程度地提高能量的利用率，其钻井速度是常规钻段，特别是因抗压强度极高而造成钻速下降的硬地井速度的2～4倍，在硬夹层钻进1口井可节省层。该钻井方式改变了切削地层的方法，提高了能30％的钻井时间，节省上百万美元的钻井费用。粒量的利用率。对于极硬的岩石，钢弹的破岩比功要基金项目：国家自然科学基金项目“亚弹速钢粒子冲击破岩机理研究”(50874095)；国家科技重大专项“低渗气藏特殊复杂地层高效钻井关键技术”(2010ZX05022—005—006HZ)。石油机械2011年第39卷增刊远远小于机械牙齿的破岩比功。与传统钻头相比，精确的预期井眼直径和井眼轨

6、迹，对防止井斜能产因为粒子冲击接触区域小，产生的局部瞬时脉冲应生显著的效果。与磨料喷射钻井相比，球形钢粒子力峰值极高，足以破碎和侵彻极坚硬的岩石。需要对地面设备、管道和钻头的水力结构的侵蚀破坏较的钻压和扭矩较常规钻井要小得多，大大减小了钻小。采用球形硬质钢粒子将改变固相颗粒对管道的柱和钻具的疲劳破坏(钻硬地层时常见的失效形摩擦形式。磨料喷射钻井以滑动摩擦为主，而粒子式)概率，钻头磨损非常小，减少了井下事故引冲击钻井以滚动摩擦为主，能有效地降低对设备冲发的起下钻作业次数，缩短了钻井周期，降低了钻蚀磨损的风险。井成本一。粒子冲击破岩机理研究的主要内容是研究

7、粒子对岩石的冲击破坏作用，根据粒子冲击钻井系统的流程，球状钢粒子经过加速后从喷嘴中射出，以一定速度冲击井底岩石表面。球形钢粒子与岩石表面的初始接触为点面接触，两者的接触区域非常小，所以在岩石上产生的瞬时冲击压缩力尤其大。在优图1粒子侵彻及井底模式示意图化的参数组合下，如粒子尺寸和冲击速度都合适的另外，磨料喷射的固相粒径较小，难以分离，情况下，这个瞬时压缩力会超过岩石的动态抗压强使钻井液的密度很难控制。而球形钢粒的尺度较度，导致粒子下方即初始接触点处的岩石受压发生大，易于从钻井液中分离和控制，可以根据需要控破碎，并在破碎处下部形成与冲击方向平行的中间制钻

8、井液的密度。裂纹。同时，在粒子与岩石接触的瞬间，从接触界面分别向粒子和岩石中传播一道压缩应力波