摘 要

摘　要：粒子沖擊鉆井技術(shù)作為高效破巖的前沿技術(shù)，有望成為一項(xiàng)解決高研磨性地層鉆井速度慢的新型破巖技術(shù)，先導(dǎo)性試驗(yàn)評(píng)價(jià)是理論研究成果進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用階段之前不可或缺的重要

摘　要：粒子沖擊鉆井技術(shù)作為高效破巖的前沿技術(shù)，有望成為一項(xiàng)解決高研磨性地層鉆井速度慢的新型破巖技術(shù)，先導(dǎo)性試驗(yàn)評(píng)價(jià)是理論研究成果進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用階段之前不可或缺的重要環(huán)節(jié)。為此，開(kāi)展了粒子射流沖擊破碎大理巖的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，在粒子射流速度大于100m／s，沖擊頻率約為500萬(wàn)次／min的實(shí)驗(yàn)條件下，粒子射流的破巖體積是水射流破巖體積的3～4倍。進(jìn)而設(shè)計(jì)了粒子鉆井的工藝流程，研制出與之配套的粒子注入系統(tǒng)、粒子沖擊鉆頭及粒子回收系統(tǒng)，其中關(guān)鍵設(shè)備高壓粒子罐工作壓力為30MPa，磁選機(jī)的處理量介于70～120m³／h，渣漿泵排量為65m³／h，滿足了粒子鉆進(jìn)的安全均勻注入與粒子高效的回收。在四川盆地龍崗氣田022-H7井的上三疊統(tǒng)須家河組高研磨性的砂巖地層中成功地開(kāi)展了第1次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)井段比該井上部井段的機(jī)械鉆速提高了92.7％，表明該技術(shù)在提高鉆井速度方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：硬地層  破巖模擬  室內(nèi)實(shí)驗(yàn)  結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)  現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)  加長(zhǎng)噴嘴  磁選機(jī)  粒子沖擊  鉆頭

A theoretical study and field test of the particle impact drilling technology

Abstract：The advanced particle impact drilling(PID)technology is expected to become a new rock breaking technology to enhance the rate of penetration(ROP)in high abrasive strata．Pilot test evaluation is very important for putting the theoretical result into in dustrial application．For this purpose，we carried out a series of laboratory experiments for particle jet impacting and breaking marbles with a particle jet velocity of 100 m／s and a breaking frequency of about 5 million times per minute．The resulis showed that the rock breaking volume by a particle jet is 3 to 4 times that by a water jet under the identical conditions．On this basis，we designed the PID technical process and developed the ancillary facilities，including a particle injection system，an impacting bit，and a particle recycle system．The key devices of this technology include a high pressure particle storage tank with a working Pressure of 30MPa,A magnetic separator with a handling capacity of 70-120m³／h，and a slurry pump with a delivery capacity of 65 m3／h．With those devices，particles can be safely injected and recycled efficiently in the drilling process．The new designed system was successfullv applied in a field test in the high abrasive sandstone beds in the Upper Triassic Xuj iahe Fm in Well LG 022-H7 in ttle Sichuan Basin，in which the ROP was increased by 92.7％at test interval compared with．the upper intervals，enhancing the ROP greatly in a drilling process．

Keywords：hard formation，rock breaking simulation，laboratory experiment，structure design，field test，lengthened nozzle，magnetic separator，particle impacting bit

隨著油氣需求量的增加和開(kāi)采強(qiáng)度的不斷加大，淺部油氣資源日益減少，深部石油資源勘探將是我國(guó)未來(lái)油氣工作的重點(diǎn)之一。針對(duì)深井硬地層中存在的地層研磨性高、易井斜、鉆井速度慢、成本高的問(wèn)題，根據(jù)射彈沖擊的理論，提出了粒子沖擊高效破巖的鉆井方法^[1-3]。該技術(shù)是在常規(guī)鉆井的基礎(chǔ)上，在地面鉆井管匯中增加了一套粒子注入系統(tǒng)，將鋼質(zhì)粒子添加進(jìn)入高壓鉆井地面管匯的鉆井液中，經(jīng)鉆井液攜帶從粒子沖擊鉆頭噴嘴高速射出、沖擊巖石，實(shí)現(xiàn)了鉆井的高效破巖，提高了鉆井的機(jī)械鉆速。沖擊井底巖石后的粒子由鉆井液的攜帶到達(dá)井口，再通過(guò)粒子回收系統(tǒng)將粒子和巖屑分開(kāi)，回收后的粒子可以重復(fù)利用^[4-6]。粒子鉆井系統(tǒng)主要包括3大部分，粒子注入系統(tǒng)，粒子回收系統(tǒng)和粒子沖擊鉆頭，該項(xiàng)研究開(kāi)展了粒子沖擊破巖的模擬與實(shí)驗(yàn)，分析了粒子沖擊破巖的過(guò)程，研制出了粒子沖擊鉆井系統(tǒng)，在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了成功試驗(yàn)。

1　粒子沖擊破巖的模擬與實(shí)驗(yàn)

1．1　粒子沖擊破巖分析

粒子沖擊破碎巖石是一個(gè)連續(xù)的，累計(jì)的結(jié)果。當(dāng)高速的粒子沖擊到巖石的表面后，首先從巖石表面有缺陷的地方發(fā)生巖石的破碎，赫茲裂紋開(kāi)始產(chǎn)生。當(dāng)粒子沖擊的接觸應(yīng)力逐漸地增加到某一個(gè)值(和材料的強(qiáng)度有關(guān))，接觸表面下方附近的巖石會(huì)產(chǎn)生彈塑性變形，隨著粒子的繼續(xù)侵入，接觸應(yīng)力繼續(xù)增加，當(dāng)粒子沖擊在巖石內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力大于巖石的抗拉和抗剪強(qiáng)度后，裂紋開(kāi)始產(chǎn)生(圖1)，隨著裂紋的逐漸擴(kuò)展，巖石開(kāi)始出現(xiàn)大體積的破碎^[7]。

 

粒子沖擊破巖過(guò)程非常復(fù)雜，影響到粒子沖擊破巖的參數(shù)主要有3個(gè)：粒子的性質(zhì)，包括粒子的形狀、尺寸、硬度等；巖石的性質(zhì)，包括巖石的硬度、韌性等；環(huán)境參數(shù)，包括沖擊速度、沖擊角度、淹沒(méi)非淹沒(méi)等^[8-9]。該文進(jìn)行的粒子沖擊破巖研究，采用的是淹沒(méi)條件下鋼質(zhì)球形粒子沖擊硬度較大的脆性巖石，鋼質(zhì)粒子的硬度要比巖石的硬度大很多。粒子沖擊能夠高效破巖的原因有：硬地層巖石接觸面積小，粒子沖擊作用的時(shí)間短、接觸的應(yīng)力大，而且沖擊的頻率高。粒子鉆井過(guò)程中，粒子以100m／s以上的速度沖擊巖石，粒子含量為2％時(shí)，粒子沖擊的頻率約為500萬(wàn)次／min。

1．2　粒子沖擊破巖數(shù)值模擬

粒子沖擊破巖的過(guò)程可用通過(guò)數(shù)值模擬的方法來(lái)得到^[10]，應(yīng)用LS-DYNA有限元的分析方法，模擬粒子沖擊破碎巖石的過(guò)程，巖石的控制方法為拉格朗日法，巖石的單元結(jié)構(gòu)為六節(jié)點(diǎn)八面體。粒子和巖石的接觸方式為面面接觸。為了能夠更加準(zhǔn)確地模擬脆性巖石在硬質(zhì)顆粒高速?zèng)_擊下的材料的損傷過(guò)程，應(yīng)用的巖石時(shí)HJC模型，粒子采用的剛性的Rigid模型(圖2)。

 

模擬條件：粒子的直徑為1mm，粒子的入射速度為150m／s，當(dāng)粒子沖擊到巖石的表面后，隨著粒子的不斷侵入，巖石開(kāi)始發(fā)生彈塑性變形，粒子繼續(xù)侵入時(shí)，粒子和巖石的接觸應(yīng)力不斷增大。模擬的結(jié)果顯示粒子沖擊過(guò)程中產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力為57MPa，而硬巖石的抗拉強(qiáng)度約為15MPa，產(chǎn)生的最大剪應(yīng)力為125MPa，而硬巖石的抗剪強(qiáng)度約為20MPa，產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力為315MPa，而硬巖石的抗壓強(qiáng)度約為170MPa。這樣巖石受到的拉壓和剪應(yīng)力，都遠(yuǎn)大于巖石的強(qiáng)度極限。因此巖石會(huì)發(fā)生破碎。

1．3　粒子沖擊破巖室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

為了能夠驗(yàn)證粒子沖擊破巖的效果，并且為鉆頭設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供依據(jù)^[11]，開(kāi)展了粒子沖擊破巖的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)高壓泵的最大壓力為200MPa，最大排量為100L／min。粒子射流噴距調(diào)節(jié)范同0～50cm，粒子入射角度在0°～80°，巖石為大理石。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，首先從高壓泵迸出的高壓流體，通過(guò)高壓管線后，粒子和高速流體混合，從噴嘴噴出沖擊破碎巖石。

實(shí)驗(yàn)巖性為大理石，鋼粒的直徑為1mm，實(shí)驗(yàn)壓力為0～50MPa。利用水射流的和粒子射流分別沖擊破碎巖石后，在相同的射流壓力下，粒子射流破巖的破巖體積為水射流破巖體積的3～4倍(圖3)，而且粒子射流破巖的門限壓力要小于水射流門限壓力的2～3倍。

 

2　粒子注入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制

粒子沖擊鉆井注入系統(tǒng)的功能就是將粒子注入泥漿泵泵出的高壓鉆井液中，實(shí)現(xiàn)粒子在鉆井液中的均勻分布。粒子沖擊鉆井注入系統(tǒng)主要有2項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)^[12]：①粒子的高壓注入。通過(guò)設(shè)計(jì)30MPa的高壓粒子罐，實(shí)現(xiàn)鉆井地面高壓粒子的注入。②粒子的均勻穩(wěn)定注入。利用高壓螺桿泵，保證了粒子注入速度的穩(wěn)定。

2．1　高壓粒子罐研制

高壓粒子注入罐是粒子注入系統(tǒng)的關(guān)鍵，耐壓值為30MPa，為高壓容器。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，在保證功能的前提下，更要保證高壓粒子罐的工作安全。其設(shè)計(jì)過(guò)程如下。

1)確定工作壓力，最高工作壓力30MPa，設(shè)計(jì)壓力31.5MPa。

2)確定工作體積，設(shè)計(jì)容量為2m³，并設(shè)計(jì)筒體內(nèi)徑為1000mm；鉆井液中粒子的含量為1％時(shí)，高壓罐中的粒子工作達(dá)到2h。

3)材料的選用，使用Q345b鋼板，抗拉強(qiáng)度為490～675MPa，屈服強(qiáng)度大于345MPa。

4)高壓罐體壁厚的確定，應(yīng)用高壓容器中徑計(jì)算公式：

 

式中pc為設(shè)計(jì)壓力，MPa；Di為簡(jiǎn)體設(shè)計(jì)壁厚，mm；[s]¢為設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa；西為焊縫系數(shù)，無(wú)量綱。將已知參數(shù)代入公式(1)中，計(jì)算的壁厚(d)為104.3mm，實(shí)際使用壁厚120mm>104.3mm，滿足強(qiáng)度要求。

5)高壓罐半球形封頭壁厚公式：

 

將已知參數(shù)代入式(2)中，計(jì)算半封體的壁厚為52.6mm，實(shí)際使用壁厚120mm>52.6mm，滿足強(qiáng)度要求。

2．2　高壓螺桿泵的研制

高壓螺桿泵的功能就是在高壓下保證粒子的均勻和穩(wěn)定注入。首先粒子的注入要穩(wěn)定而日．要保證一定的注入速率，高壓螺桿泵首先密封要好，而且在保證達(dá)到設(shè)計(jì)注入速度的前提下，滿足強(qiáng)度要求。

根據(jù)固體輸送理論，高壓粒子輸送的運(yùn)動(dòng)分析依據(jù)以下基本假設(shè)：

①加入的物料在固體輸送區(qū)已經(jīng)形成壓實(shí)的固體塞，充滿于整個(gè)螺槽，固體塞密度不變；②固體塞所受壓力僅沿著螺槽方向有變化；③忽略螺葉頂端與機(jī)筒內(nèi)壁的間隙；④螺槽為等距等深的矩形螺槽；⑤重力影響不計(jì)；⑥粒子的壓力在螺槽流道內(nèi)等壓。

根據(jù)固體輸送理論，當(dāng)螺桿旋轉(zhuǎn)機(jī)筒靜止時(shí)，其同體輸送段的體積流速為：

 

式中Q為體積流速，mm³／min；Db為螺桿直徑，mm；n為螺桿轉(zhuǎn)速，r／min；H1為螺槽深度，mm；q為輸送角，rad；fb為螺旋升角，rad；`W為平均螺槽寬度，mm；e為螺棱寬度，mm。

根據(jù)輸送量要求，初步設(shè)定螺桿外徑為250mm，螺槽深度為25mm，輸送角為0.567rad，螺旋升角為0.349rad，平均螺槽寬度為60mm，螺棱寬度為20mm，粒子流量Q為0.9L／s，螺桿的長(zhǎng)徑比取5，螺桿長(zhǎng)度為1250mm。由公式(3)計(jì)算得到螺桿轉(zhuǎn)速為85r／min，取螺桿轉(zhuǎn)速為90r／min。

3　粒子回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制

粒子回收系統(tǒng)的功能就是將從井口返出來(lái)的粒子和巖屑分開(kāi)，實(shí)現(xiàn)粒子的存儲(chǔ)和循環(huán)利用。主要包括磁選機(jī)、脫磁器、振動(dòng)篩、渣漿泵、泥漿罐和粒子儲(chǔ)罐。粒子回收系統(tǒng)的2個(gè)主要關(guān)鍵技術(shù)為：①粒子和巖屑的分離，利用磁選機(jī)，通過(guò)磁性分離的原理進(jìn)行粒子和巖屑的分離；②粒子和巖屑的攜帶，利用渣漿泵結(jié)合射流混漿漏斗進(jìn)行粒子和巖屑的攜帶。

3．1　磁選機(jī)的研制

粒子鉆井設(shè)備包括2個(gè)渣漿泵，每個(gè)渣漿泵的排量為60m³／h。2個(gè)渣漿泵輸送的液體要經(jīng)過(guò)磁選機(jī)的處理。所以磁選機(jī)處理液體的排量為120m³／h，回收粒子的量為1.8m³／h。

磁選機(jī)設(shè)計(jì)需要選擇一個(gè)最佳的磁選機(jī)轉(zhuǎn)速。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)流體進(jìn)入磁選機(jī)的體積流量為2L／s，磁選機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速250r／min時(shí)，磁選機(jī)接料口可以得到干凈的粒子，此時(shí)磁選機(jī)的回收效率為99.58％。根據(jù)公式：

c＝2pR    　　　　　(4)

式中c為滾筒轉(zhuǎn)速，r／min；R滾筒半徑，m。

代入數(shù)據(jù)得滾筒半徑為0.145m，則滾筒的直徑為290mm，磁鼓的線速度為228.6m／min。設(shè)汁的磁選機(jī)滾筒直徑為900mm，滾筒最大轉(zhuǎn)速為40r／min。磁選機(jī)的性能參數(shù)如表1所示。

 

3．2　渣漿泵的研制

本次設(shè)計(jì)的粒子輸送方式，采用流體介質(zhì)輸送。由于流體中含有1～3mm的鋼粒。因此選用渣漿泵作為輸送粒子的動(dòng)力來(lái)源。已知渣漿泵能夠輸送的固液混合物最大重量濃度：灰漿45％，礦漿60％，能夠輸送粒子的最大重量濃度為30％。

在將粒子輸送到高壓罐的過(guò)程中，需要盡量的縮短上料的時(shí)間。已知高壓罐的容積為2m³，通過(guò)如下公式：

 

式中rp為粒子的堆積密度，g／cm³；Vp為粒子注入流量，m³／h；rn為流體的密度，g／cm³；Q為流體的流量，m³／h；C為重量濃度，無(wú)量綱。

將rp＝4.8g／cm³、Vp＝6m³／h、rn＝1.1g／cm³、C＝30％代入公式(5)得到：Q＝61m³／h。實(shí)際使用的渣漿泵的排量為65m³／h。性能參數(shù)如表2所示。

 

4　粒子沖擊鉆頭的設(shè)計(jì)與研制

粒子沖擊鉆頭在沒(méi)計(jì)的過(guò)程中，要依靠高速噴出的粒子來(lái)高效破碎巖石，而且要避免粒子對(duì)于鉆頭基體的磨損。研制的適用于四川盆地上三疊統(tǒng)須家河地層的粒子沖擊鉆頭，為Æ215.9mm加長(zhǎng)噴嘴牙輪鉆頭，通過(guò)采用加長(zhǎng)耐磨噴嘴，提高了粒子沖擊破巖的效率。而且內(nèi)腔室進(jìn)行了調(diào)整且加強(qiáng)關(guān)鍵部位的表面處理，以達(dá)到優(yōu)化流道，加強(qiáng)耐磨性的目的^［13］。

加強(qiáng)鉆頭內(nèi)流道的耐磨性，同時(shí)改善粒子在內(nèi)流道里的流動(dòng)情況，可以從兩方面入手：①改變內(nèi)流道形狀，減輕空蝕磨損；②對(duì)磨損嚴(yán)重的地方進(jìn)行表面處理，加強(qiáng)耐磨性。粒子沖擊鉆頭噴嘴采用的主要是電鍍金剛石方法。粒子沖擊加長(zhǎng)噴嘴牙輪鉆頭采用了雙噴嘴組合，第三個(gè)噴嘴則用盲眼噴嘴堵上。盲眼噴嘴根據(jù)牙輪鉆頭上噴嘴的尺寸，用卡簧固定安裝在鉆頭上。研制出的粒子沖擊加長(zhǎng)噴嘴牙輪鉆頭(圖4)。

 

5　粒子鉆井系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

5．1　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

5．1．1井眼與地層條件

鉆井目的層為四川盆地龍崗氣田的須家河組，井眼直徑為215.9mm，直井段。試驗(yàn)井深為起始井深2843m；鉆井液密度為1.81g／cm³；泵壓為19.7MPa；排量為26L／s；鉆壓為l80～200kN；扭矩為5～5.5kN；鉆頭為Æ215.9mm加長(zhǎng)噴嘴牙輪鉆頭。

5．1．2試驗(yàn)流程

粒子鉆井時(shí)，確保閥門4、5、6、7保持關(guān)閉狀態(tài)，然后打開(kāi)高壓閥門組的閥門2，待穩(wěn)定運(yùn)行10min以后，打開(kāi)閥門5給高壓罐慢慢加壓，待壓力穩(wěn)定以后，再打開(kāi)閥門4和3，穩(wěn)定10min，最后關(guān)閉閥門1，此時(shí)注入系統(tǒng)與整個(gè)鉆井系統(tǒng)串聯(lián)，擁有一個(gè)共同的壓力系統(tǒng)。當(dāng)需要加粒子時(shí)，打開(kāi)高壓粒子輸送機(jī)，調(diào)節(jié)高壓粒子輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速即可以設(shè)計(jì)的粒子量注入高壓管線中，加入粒子的鉆井液經(jīng)過(guò)高壓閥門組進(jìn)入到立管、水龍帶、水龍頭、鉆桿、鉆鋌、PID鉆頭，實(shí)現(xiàn)粒子沖擊鉆井^［14］。粒子和巖屑通過(guò)鉆井液的攜帶到達(dá)井口，然后通過(guò)導(dǎo)流槽進(jìn)入振動(dòng)篩，實(shí)現(xiàn)鉆井液和巖屑、粒子的分離，分離出的巖屑和粒子進(jìn)入到射流混漿漏斗。射流混漿漏斗中的巖屑和粒子用砂泵即可輸送到回收系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)粒子的分離，分離出的粒子首先進(jìn)入到粒子儲(chǔ)罐進(jìn)行儲(chǔ)存，粒子鉆井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)流程圖，如圖5所示。

 

5．2　試驗(yàn)結(jié)果

研制的國(guó)內(nèi)首套粒子鉆井設(shè)備，首次在龍崗022-H7井須家河組進(jìn)行了功能性試驗(yàn)，注入粒子的濃度1％～2％，注入壓力20MPa，各項(xiàng)功能達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，試驗(yàn)井段比上部井段鉆井速度提高了92.7％(圖6)。

 

6　結(jié)論

1)高速的粒子沖擊到巖石的表面后，接觸應(yīng)力繼續(xù)增加時(shí)，會(huì)在接觸面附近的巖石內(nèi)部產(chǎn)生剪切應(yīng)力和拉伸應(yīng)力，當(dāng)粒子沖擊產(chǎn)生的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力大于巖石的抗拉和抗剪強(qiáng)度后，破碎的裂紋開(kāi)始產(chǎn)生。粒子以100m／s以上的速度沖擊巖石，粒子含量為2％時(shí)，粒子沖擊的頻率每分鐘達(dá)500萬(wàn)次。

2)粒子的粒徑為1mm、沖擊速度150m／s時(shí)，粒子與巖石接觸區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)力遠(yuǎn)大于巖石的強(qiáng)度極限而發(fā)生破壞，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明粒子射流的破巖體積是水射流破巖體積的3～4倍。

3)高壓粒子注入罐的耐壓值為30MPa，材料Q345b。粒子輸送機(jī)的耐壓值為30MPa，轉(zhuǎn)速為50～90r／min。磁選機(jī)的功率為5.5kW，處理量為70～120m³／h，滾筒直徑為900mm，滾筒最大轉(zhuǎn)速為40r／rain，渣漿泵排量為65m³／h。

4)研制的適用于四川須家河組的粒子沖擊加長(zhǎng)平噴嘴牙輪鉆頭，通過(guò)采用加長(zhǎng)耐磨噴嘴，提高了粒子沖擊破巖的效率。

5)研制的粒子鉆井設(shè)備首次在龍崗022-H7井須家河組進(jìn)行了功能性試驗(yàn)，注入粒子的濃度1％～2％，注入壓力20MPa，各項(xiàng)功能達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，試驗(yàn)井段比上部井段鉆井速度提高了92.7％。

 

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本文作者：趙健  韓烈祥  徐依吉  靳紀(jì)軍  劉芬

摘　　要：中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院

    中國(guó)石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院

    中國(guó)石化勝利油田分公司孤島采油廠