冰粒射流应用于石油钻井的可行性研究（大学生创新创业训练项目申请书）

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1、—、基本情况目称项名冰粒射流应用于石油钻井的可行性研究所属学科钻井工程（石油工程）起止年月主持人姓名性别男民族汉出生年月学号联系电话指导教师联系电话主持人曾经参与科研的情况无指导教师承担科研课题情况2011年-2013年：山东省自然科学基金“海洋石油平台高压水射流辅助沉桩机理研究”指导教师对本项目的支持情况提供实验场地确保项R顺利进行项冃组主要成员姓名学号所在学院专业班级联系电话邮箱二、项目研究的目的和主要研究内容目的：研究在石油钻井中以冰粒代替传统磨料即冰粒髙压水射流钻井的可行性内容：1.研究冰粒在-6（rc下对岩石的破坏能力2.研究不同形状冰粒的破岩能力差异3•分析比较纯水射流

2、、传统磨料射流和冰粒射流的破岩能力4•讨论冰粒射流在石油钻井中的应用前景（深水钻井、极地钻探等）三、国、内外研究现状和发展动态美国国家科学研究基金会实施了一项旨在探求一种新型、高效破岩方法的研究，对25种可能的新方法进行破岩效率研究。经过10多年，耗资5000万美元，最终研究结果表明：最有潜力、效率最高、且易于实现的新破岩钻孔方法当属高压水射流钻孔法，其明显优势在于能量传输方便和破岩效率高。美国W•C•Maurer博士的实验表明：在103MPaT,高压水射流钻井速度是普通回转钻头的2-4倍。冰粒射流技术的研究早在20世纪80年代就已经开始，由于该技术的“三无”特点（无磨料废弃物、无

3、加工残留物、对清洗表面无力学损伤）使其被誉为真正绿色的加工方法。目前冰粒射流在表面清理、表面脱漆、除锈等方面有着广泛的应用。在石油工业上，冰粒射流也已经开始应用于油气运输管线的切割、除锈、清洗等。然而冰粒射流目前还未被用于石油钻井，只在清洗、除垢等方面有应用。冰粒射流是一种新型的射流形式，它综合了纯水射流无污染和冰粒射流切割能力强的优点，是一种介于纯水射流和磨料射流之间，但具有磨料射流无法比拟的无污染特点。如果能够通过研究得出冰粒射流用于钻井的可行性，那么对保护油气藏，提高油气产能来说意义是深远的。目前，磨料射流的技术已经成功地应用于生产实践，但是磨料水射流有其自身不可避免的缺点。

4、首先，磨料的消耗量大，对于磨料的处理和回收提出了较高的要求。其次磨粒对喷嘴的磨损也是相当大的。同时磨料粒子冲击地层和油气层时，会发生质量损耗，污染地层。冰粒射流的流动特性和破岩原理与传统的磨料射流大体相同。但是冰粒射流具有磨料射流不具有的“绿色”优势。因此，可以充分利用磨料射流的理论依据并借助现有的水射流设备展开冰粒射流的实验。由于冰粒不同于普通的磨料颗粒，即冰粒只能在特定的温度条件下稳定存在，所以冰粒的基本物理特性直接关系到冰射流的动力特性以及冰粒射流的稳定性。这些特性主要包括：冰粒的硬度与温度的关系、冰粒之间黏结力与温度的关系。冰粒的莫氏硬度随冰粒的温度下降先是增大（约-65°

5、C时达到最大），而后减小,至iJ-85°C时又开始增大，大约-939,硬度不再随温度改变而变化，接近于一个常数（图1）。冰粒间的黏结力是导致冰粒黏结成块的主要因素。为了克服冰粒在制取及输送过程中的结块问题，必须掌握冰粒间黏结力的特性。由图2可以看出，随着冰粒温度的降低，其相互间的黏结力会迅速减小，冰粒的温度降到-3（TC以下时,黏结力几乎为Oo因此，如以冰粒取代磨料，将可减少对地层和环境污染,-30-25-20-15-10-50温度/r图2冰粒的黏结力具有广阔的应用前景，而且冰粒资源较充足，成本低，经济上可行。-50-100-150冰的温度/・c图1冰粒的硬度有学者采用后混引射法进

6、行了冰粒射流工艺能力的初步研究。实验用冰粒代替原有的磨料，用破冰法制冰粒，用液氮进行二次制冷，即用30Mpa水射流引射冰粒，形成冰粒射流。通过原理性实验发现随着温度的降低冰粒硬度越大，其粒度也越好控制。实验还对比了纯水射流、冰粒射流、磨料射流的加工效果，说明冰粒射流是一种介于纯水射流和磨料射流之间的射流方法。根据高压水射流的实际应用可知，将冰粒射流用于钻井是完全可行的。在现代石油工业中，陆地以外的油气田开发引起了各国的高度重视。因此深水钻井和极地钻井技术得到了快速发展。由于海底和极地的低温环境，冰粒射流在这方面应用有着巨大优势。综上所述：鉴于冰粒射流的诸多优点以及巨大的潜力有必要研

7、究冰粒射流在石油钻井方面的应用价值并掌握其应用前景。因此可以通过实验的方法研究冰粒射流对岩石的破坏能力以讨论其在石油钻井上应用的可行性，并为以后冰粒射流破岩机理研究进行必要性指导。四、项目的创新点和特色1.建立室内模拟冰粒射流破岩的模型实验台，该实验台可模拟冰粒射流破岩过程。2.探究冰粒射流应用于石油钻井的可行性。五、技术路线、拟解决的问题及预期成果、提交方式技术路线：1•利用原有的水射流喷射钻井实验设备，根据已知的设备参数和伯努利方程得出喷嘴处流体速度等参数；2.利