竇亮彬，沈忠厚，李根生，付加勝，王海柱

(油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京 102249)

井下增壓超高壓射流鉆井技術(shù)研究進(jìn)展

竇亮彬，沈忠厚，李根生，付加勝，王海柱

(油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京 102249)

隨著淺層油氣資源勘探開(kāi)發(fā)程度越來(lái)越高，深層油氣資源成為中國(guó)油氣資源戰(zhàn)略接替的重要領(lǐng)域。而深井、超深井鉆井勘探過(guò)程面臨鉆速慢，成本高等亟待解決的問(wèn)題。應(yīng)用超高壓噴射鉆井技術(shù)來(lái)提高深井超深井鉆井速度是一種行之有效的方法，而實(shí)現(xiàn)超高壓射流最主要的工具是井下增壓器。通過(guò)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)調(diào)研，主要介紹了國(guó)內(nèi)外井下增壓器工藝和增壓機(jī)理以及超高壓射流輔助破巖機(jī)理的研究進(jìn)展，指出了前人研究的不足或尚未完善之處，在此基礎(chǔ)上指出了井下增壓器及其超高壓射流輔助鉆井破巖機(jī)理的研究方向。

深井鉆井;井下增壓器;超高壓射流;破巖機(jī)理;研究進(jìn)展;存在問(wèn)題

引言

深井、超深井鉆井技術(shù)是一個(gè)國(guó)家鉆井技術(shù)發(fā)展水平的標(biāo)志。隨著世界能源需求的增加和石油工業(yè)的發(fā)展，復(fù)雜地質(zhì)條件下深井、超深井鉆井技術(shù)成為中國(guó)新世紀(jì)實(shí)施油氣資源戰(zhàn)略、提高勘探開(kāi)發(fā)效益的重要技術(shù)支持手段。

提高深井鉆井速度、縮短鉆井周期、降低鉆井成本成為石油鉆井迫切需要研究和解決的重大課題。依靠鉆頭機(jī)械破巖是常規(guī)鉆井的主要破巖方式，而水射流作為1種高效破巖方式未能充分利用，在常規(guī)鉆井中其主要起巖屑清洗、冷卻和潤(rùn)滑鉆頭的作用。但隨著深井、超深井鉆井井?dāng)?shù)的增加，單純依靠鉆頭機(jī)械破巖鉆速低，已嚴(yán)重影響油田勘探開(kāi)發(fā)效益。為此，世界各國(guó)的石油專(zhuān)家不斷地探索研究新的鉆井方法。研究和試驗(yàn)表明，應(yīng)用超高壓噴射鉆井技術(shù)來(lái)提高鉆井速度是一種行之有效的方法［1］。

超高壓噴射鉆井技術(shù)的關(guān)鍵是鉆井液的增壓方式及超高壓鉆井液輸送方式。地面增壓(包括全增壓和部分增壓)和井下增壓是目前鉆井液增壓的2種主要應(yīng)用方式。地面增壓方式由于其不安全因素增多和鉆井成本過(guò)高，盡管提高速度明顯，但沒(méi)有得到推廣應(yīng)用。為此，井下增壓裝置成為國(guó)內(nèi)外各大石油公司、科研院校及科研機(jī)構(gòu)主要研究方向，在借鑒雙管系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了多種井下增壓裝置。通過(guò)利用鉆井液的自身能量或其他能量，將鉆井液進(jìn)行加壓達(dá)到超高壓噴射鉆井目的。井下增壓超高壓射流鉆井技術(shù)具有下列優(yōu)勢(shì):①不需要額外的地面設(shè)備;②易于將常規(guī)鉆井方式轉(zhuǎn)向超高壓射流鉆井方式，經(jīng)濟(jì)性較好，安全可靠，展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景，代表了超高壓射流增壓方式研究的發(fā)展趨勢(shì)。

1 增壓器研究進(jìn)展

1.1 地面全增壓和部分增壓試驗(yàn)研究與進(jìn)展

1.1.1 國(guó)外研究進(jìn)展

20世紀(jì)70年代初期，Maurer等人在美國(guó)開(kāi)展了深井、超深井高壓水射流鉆井的可行性研究與試驗(yàn)［2］。5口深井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，利用地面增壓器把壓力提高到68～105 MPa，可提高機(jī)械鉆速2～3倍。

20世紀(jì)70年代中期，美國(guó)?？松緟f(xié)同其他公司，共同研制開(kāi)發(fā)了1套專(zhuān)門(mén)的高壓鉆頭試驗(yàn)設(shè)備，泵壓最高可達(dá)98 MPa。1口生產(chǎn)井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，機(jī)械鉆速比鄰井提高2～3倍［3］。

20世紀(jì)70年代末期，美國(guó)瑞德公司在美國(guó)東德克薩斯軟地層開(kāi)展了超高壓噴射鉆井井下試驗(yàn)。共試驗(yàn)了30只牙輪鉆頭，工作泵壓為69～138 MPa，機(jī)械鉆速平均比同類(lèi)鉆頭提高30%～50%。

1988年，F(xiàn)lowDril公司和Grace鉆井公司研制開(kāi)發(fā)了雙管射流鉆井輔助系統(tǒng)［4］。地面增壓可達(dá)245 MPa，流體速度達(dá)500 m/s以上，超高壓流體經(jīng)過(guò)鉆柱內(nèi)同心導(dǎo)管傳遞，通過(guò)高壓噴嘴高速?zèng)_擊破碎巖石;而其他鉆井液仍從普通噴嘴流出。該系統(tǒng)獨(dú)特之處在于雙通道鉆柱:鉆柱內(nèi)同心超高壓合金管傳送超高壓鉆井液，同心管與鉆柱間環(huán)隙傳送常規(guī)鉆井液 (圖1)。22口井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)累計(jì)進(jìn)尺為7 432 m，機(jī)械鉆速提高1.4～3.2倍。

圖1 超高壓雙管射流輔助鉆井系統(tǒng)

1.1.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)于20世紀(jì)60年代開(kāi)展高壓噴射鉆井技術(shù)研究，1964年原北京石油學(xué)院鉆井室對(duì)噴嘴和淹沒(méi)射流特性進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究。1973年開(kāi)展利用高壓循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行噴射鉆井工藝技術(shù)研究。1975年開(kāi)展了首次噴射鉆井綜合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用。與常規(guī)鉆井相比，高壓噴射鉆井機(jī)械鉆速提高了1倍，鉆井成本下降1/3。

中國(guó)自1978年以來(lái)通過(guò)地面增壓實(shí)現(xiàn)高壓噴射鉆井技術(shù)大致經(jīng)過(guò)3個(gè)階段:泵壓分別為10～12 MPa，14～15 MPa，18～20 MPa?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，隨著泵壓增大，相應(yīng)的機(jī)械鉆速大幅度提高。目前中國(guó)地面泵最高泵壓已達(dá)到40 MPa。

地面增壓(包括全增壓和部分增壓)方式需要利用地面設(shè)備產(chǎn)生高壓鉆井液，并將其輸送到井底。地面系統(tǒng)壓力的提高，對(duì)其性能要求也提高，安裝、拆卸、維護(hù)保養(yǎng)等方面成本也相應(yīng)增加，同時(shí)隨著系統(tǒng)壓力增大會(huì)使不安全因素增多，發(fā)生鉆井事故概率增大。因此盡管地面增壓方式在提高鉆速方面效果顯著，但其系統(tǒng)高壓力限制了其廣泛應(yīng)用。

1.2 井下增壓試驗(yàn)研究與進(jìn)展

井下增壓器(又稱(chēng)井下增壓泵)安裝在鉆頭與鉆鋌之間。鉆井液以常規(guī)排量通過(guò)鉆桿送至井下增壓器，井下增壓器將大約10%的鉆井液加壓至100 MPa以上，這部分超高壓鉆井液通過(guò)鉆頭的專(zhuān)用流道到達(dá)鉆頭的高壓噴嘴，而未加壓的鉆井液流向普通噴嘴。

1.2.1 國(guó)外研究進(jìn)展

1.2.1.1 第1代井下增壓泵

1993年，美國(guó)FlowDril公司和天然氣研究院(GRI)共同研制了井下超高壓泵，開(kāi)展了用射流輔助破巖的研究計(jì)劃［5］，第1臺(tái)試驗(yàn)樣機(jī)于1994年研制成功，是1種往復(fù)式增壓器，靠水力驅(qū)動(dòng)。增壓器將較小部分的鉆井液進(jìn)行增壓后通過(guò)超高壓噴嘴，實(shí)現(xiàn)超高壓射流輔助鉆井。5口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，井下泵工作時(shí)間在1.0～40.5 h，提高機(jī)械鉆速1.0～2.5倍。

1.2.1.2 第2代井下增壓泵

圖2 FlowDril井下泵設(shè)計(jì)示意圖

1994年末，美國(guó)能源部(DOE)、FlowDril公司和天然氣研究院(GRI)共同研制開(kāi)發(fā)了第2代井下增壓泵樣機(jī)［6］(圖2)。增壓器的增壓比約為14∶1，井底增壓泵將約7%的井底流體壓力增加到207 MPa，通過(guò)鉆頭加長(zhǎng)噴嘴輔助鉆頭機(jī)械破巖。11口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，使用超高壓井下增壓泵射流輔助鉆井的機(jī)械鉆速提高幅度在45%～100%。第2代井下泵樣機(jī)在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)工作時(shí)間達(dá)到40 h，但在現(xiàn)場(chǎng)井下運(yùn)行時(shí)間只有9～17 h。

1.2.1.3 高壓連續(xù)管鉆井系統(tǒng)

2001年，Maurer Engineering Inc.公司進(jìn)行了高壓射流鉆井系統(tǒng)的研發(fā)及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)［7］。該系統(tǒng)可由連續(xù)管將底部鉆具組合送入井內(nèi)，也可使用改進(jìn)的常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆井方法(圖3)。井下增壓泵特殊設(shè)計(jì)主要有:金剛石止推軸承、鈦伸縮軸和限流器。

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，射流切割鉆井技術(shù)在不同的地層類(lèi)型下提速幅度達(dá)1.0～2.0倍。在大量的不同地層包括砂巖、頁(yè)巖、砂質(zhì)頁(yè)巖和石灰?guī)r等巖性地層開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明機(jī)械鉆速提高1.3～6.0倍。

圖3 雙流道連續(xù)管鉆井系統(tǒng)

1.2.1.4 帶井下增壓器的新型連續(xù)管射流鉆井系統(tǒng)

研制成功的帶井下增壓器和氣體分離器的旋轉(zhuǎn)射流磨銑工具(GS－RJMT)系統(tǒng)［8］，利用連續(xù)管和28 MPa地面泵壓及一個(gè)完整的噴射鉆井井底鉆具組合可以磨銑水泥和噴射鉆進(jìn)大多數(shù)油氣產(chǎn)層。該系統(tǒng)改進(jìn)之處包括用于分離流體中氮?dú)獾男D(zhuǎn)分離器和利用分離后的水來(lái)增加射流工具水力壓力的井下增壓器。增壓器可以通過(guò)氣錨對(duì)兩相流產(chǎn)生作用，從兩相流中分離出來(lái)的氣可以為增壓器提供動(dòng)力，經(jīng)過(guò)增壓器增壓后的高壓水供給射流噴嘴，原理見(jiàn)圖4。雙通道旋轉(zhuǎn)射流工具使射流周?chē)錆M氮?dú)?，形成氣體保護(hù)射流，增加噴射距離。

圖4 雙作用增壓泵工作原理示意圖

地面水垢磨銑實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用該系統(tǒng)在不同壓差和進(jìn)給速度下磨銑40 cm的厚水垢，平均磨銑速度為0.6 m/min。實(shí)驗(yàn)井內(nèi)的水泥磨銑實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效磨銑水泥，磨銑速度最高達(dá)0.2 m/min，但噴嘴容易被堵塞，增壓器也存在泄漏問(wèn)題。

1.2.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

1.2.2.1 旁通式井下增壓器

國(guó)內(nèi)井下增壓器研究起步較晚，中石油勘探開(kāi)發(fā)研究院于1994年首先開(kāi)展井下增壓器研究，第1代全尺寸樣機(jī)于1996年底研制成功，并開(kāi)展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，輸出壓力高達(dá)150 MPa，增壓器工作時(shí)間超過(guò)100 h，但沒(méi)能達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件。隨后研究改進(jìn)，新樣機(jī)單級(jí)增壓比高達(dá)13∶1;當(dāng)增壓失效時(shí)，仍可按常規(guī)鉆井方式繼續(xù)進(jìn)行鉆進(jìn)。第2代全尺寸樣機(jī)進(jìn)行了超高壓室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，并于2002年在中原油田900 m深試驗(yàn)井完成了可靠性試驗(yàn)測(cè)試，取得了令人滿意的工作壽命。

經(jīng)再一次改進(jìn)后的樣機(jī)于2004年11月在中原油田文407井和胡129井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，工具總的工作壽命達(dá)到了41 h［9］，現(xiàn)正在制造第3代工業(yè)試驗(yàn)機(jī)。

1.2.2.2 螺桿式井下增壓器

中國(guó)石油大學(xué)(華東)徐依吉［10］等設(shè)計(jì)了以螺桿泵為動(dòng)力的井下增壓器，將螺桿泵的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)井下增壓(圖5)。

增壓裝置分為動(dòng)力單元、動(dòng)力轉(zhuǎn)換單元和增壓?jiǎn)卧?個(gè)功能單元。動(dòng)力單元核心部件是螺桿鉆具，螺桿馬達(dá)將鉆井液水力能量以扭矩形式輸出，經(jīng)過(guò)動(dòng)力軸，再經(jīng)過(guò)動(dòng)力轉(zhuǎn)換體的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換，將動(dòng)力軸軸線方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為沿動(dòng)力轉(zhuǎn)換體軸向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)柱塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)部分鉆井液增壓的目的。

圖5 離心式井下增壓裝置結(jié)構(gòu)示意圖

該增壓器能將部分鉆井液的壓力增至60～80 MPa，輸出0.8～1.0 L/s高壓鉆井液，從而有效地提高鉆井速度。該增壓器流道相對(duì)簡(jiǎn)單、密封較好，增壓器壽命也有所提高，但尚未開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1.2.2.3 分隔式井下增壓器

2001年艾池等運(yùn)用流體液壓傳遞原理，設(shè)計(jì)了分隔式井下增壓器［11］。2個(gè)超高壓泵缸體分別置于增壓器兩端，超高壓泵缸體與缸筒之間的環(huán)空為動(dòng)力液隔膜腔室。超高壓泵缸前端的增壓液腔中的隔膜分隔鉆井液和超高壓泵缸內(nèi)的超高壓工作液。設(shè)計(jì)的增壓器是對(duì)稱(chēng)的。分隔式井下增壓器利用隔膜的軟活塞特性，以地面泵排出的鉆井液為動(dòng)力推動(dòng)軟活塞，軟活塞將能量傳遞給動(dòng)力活塞，使其做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)增壓活塞做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，超高壓泵將其中的工作液的壓力提高到設(shè)計(jì)壓力。軟活塞再將這一壓力等效地傳給鉆井液，獲得超高壓的鉆井液再被引入到鉆頭上的高壓噴嘴，實(shí)現(xiàn)高速射流破石;而大部分鉆井液則通過(guò)增壓器的扇形流道經(jīng)普通噴嘴流出。

1.2.2.4 水力增壓式井下增壓器

西南石油學(xué)院設(shè)計(jì)了利用環(huán)空流體水力能量實(shí)現(xiàn)增壓的井下增壓器［12］。把環(huán)空水力能量作為外加激勵(lì)源，達(dá)到自增流量與它激雙重作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)井下增壓。

該裝置在脈沖射流噴嘴研究的基礎(chǔ)上，于腔室靠近上噴嘴處開(kāi)多個(gè)等徑圓孔。當(dāng)具有一定壓力流體由上噴嘴進(jìn)入共振腔后，在上游由于卷吸作用加上環(huán)流流體激勵(lì)作用，小部分流體碰撞后，在振蕩腔內(nèi)上游形成局部負(fù)壓，環(huán)空流體被卷吸到共振腔室，從而實(shí)現(xiàn)井下增壓。

井下水力增壓主要依靠3種作用方式:振蕩腔內(nèi)負(fù)壓區(qū)形成作用、振蕩腔內(nèi)射流卷吸作用以及環(huán)空流體壓力它激作用。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)卷吸作用可增加流量10%～25%;在共振腔室結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置較為合理的情況下，射流最大沖擊力比自激振蕩提高2倍。

1.2.2.5 離心式井下增壓裝置

孫偉等［13］提出離心式井下增壓裝置的設(shè)計(jì)方案，由動(dòng)力單元(渦輪動(dòng)力機(jī))、固液分離單元、增壓?jiǎn)卧?離心泵)和流道短節(jié)單元組成，通過(guò)鉆井液驅(qū)動(dòng)渦輪動(dòng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)固液分離裝置和離心泵高速旋轉(zhuǎn)，使部分鉆井液增壓，達(dá)到提高射流壓力和速度的目的。裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

在勝利油田大王莊油田大8－8－1井進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，離心式井下增壓裝置可使井底鉆井液增壓至30 MPa。

1.2.2.6 射流式增壓器

中國(guó)石油大學(xué)(北京)汪志明等［14］在2005年完成了第1代射流式井下增壓器設(shè)計(jì)(圖6)。對(duì)該裝置進(jìn)行的地面模擬測(cè)試和整機(jī)試驗(yàn)研究結(jié)果表明，增壓出口壓力的變化與輸入排量和節(jié)流壓降直接關(guān)聯(lián)，且立管壓力波動(dòng)也反映出設(shè)計(jì)的工具壓耗與實(shí)際試驗(yàn)壓耗相吻合。為適應(yīng)鉆井工藝的要求，必須增大增壓比，實(shí)現(xiàn)在低節(jié)流壓降條件下達(dá)到高增壓出口壓力。該試驗(yàn)初步驗(yàn)證了新型射流式井下增壓裝置設(shè)計(jì)的可行性，整體設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期要求。

圖6 射流式井下增壓裝置結(jié)構(gòu)

第1代增壓器樣機(jī)研制成功并進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)后，在中原油田馬79井及白66井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。結(jié)果表明，使用減振增壓裝置井段比未使用該裝置的鄰井相同井段鉆速提高了124%，現(xiàn)在已經(jīng)改進(jìn)研制了第2代增壓器。

1.2.2.7 鉆柱減振增壓器

管志川等利用鉆進(jìn)過(guò)程中鉆柱振動(dòng)作為能量來(lái)源研制了1種新型井下增壓器。該裝置利用鉆柱縱向振動(dòng)帶動(dòng)柱塞泵柱塞上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將鉆井過(guò)程中振動(dòng)這種有害運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為有利的柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)鉆井液壓縮實(shí)現(xiàn)井下增壓，裝置集鉆柱減振和鉆井液增壓功能于一體**魏文忠.底部鉆柱振動(dòng)特性及減振增壓裝置設(shè)計(jì)研究［D］.東營(yíng):中國(guó)石油大學(xué)(華東)，2007:67－80.。

小部分常規(guī)鉆井液從鉆柱流入減振增壓裝置，經(jīng)過(guò)柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)增壓使之成為壓力高達(dá)95～120 MPa左右的高壓流體，經(jīng)過(guò)鉆頭高壓噴嘴噴出，實(shí)現(xiàn)超高壓射流鉆井。2007年在勝利油田樁古10－58井中生界地層進(jìn)行了首次井下試驗(yàn)，機(jī)械鉆速提高了8.25倍。2010年在勝利油田羅69井東營(yíng)組—沙四段地層進(jìn)行了第2次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，平均機(jī)械鉆速提高1.86倍。

2 超高壓水射流輔助破巖機(jī)理

超高壓噴射一般指壓力在100 MPa以上，借助射流沖擊原理實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石的壓縮切割破碎。沖擊與微裂縫擴(kuò)展是其主要破碎機(jī)制。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水射流破巖機(jī)理方面仍存在分歧，提出了不同觀點(diǎn)，比較常見(jiàn)的觀點(diǎn)主要包括:準(zhǔn)靜態(tài)彈性破碎理論、應(yīng)力波破碎理論、氣蝕(空化)破碎理論、水射流脈沖負(fù)荷引起疲勞破壞理論、水楔破碎理論、裂紋擴(kuò)展破碎理論和損傷破碎理論等。比較公認(rèn)的高壓水射流破巖機(jī)理有沖蝕破碎、水楔脹裂和雙作用破碎。

2.1 沖蝕破碎機(jī)理

1978年，美國(guó)Hashish指出在碰撞區(qū)內(nèi)當(dāng)高壓水射流的壓力大于材料的極限強(qiáng)度時(shí)即能穿透該材料進(jìn)行破碎。1983年，Tutluoglu等研究了豎直布置在刀具前沿的超前水射流，認(rèn)為水射流破碎刀尖附近處壓實(shí)域的去除是由于切削力降低所致，而切削力降低是因?yàn)榈都馀允軌簬r石被水射流沖蝕所致。文獻(xiàn)［15］認(rèn)為，水射流破碎巖石是利用巖石的可滲透性，利用液壓力將顆粒從巖體進(jìn)行剝離，從而進(jìn)行沖蝕破碎。Field和Ronzer研究了水射流沖蝕效應(yīng)，指出水射流高速?lài)娚洚a(chǎn)生的壓力波的沖擊作用是對(duì)巖石等脆性物體產(chǎn)生破壞的主要作用。

2.2 水楔脹裂機(jī)理

文獻(xiàn)［16］在靠近刀頭前巖樣進(jìn)行射流沖擊研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)射流壓力大于50 MPa時(shí)，刀頭以較小的作用力在巖樣上產(chǎn)生裂紋，而水射流作用力射入裂紋并使之?dāng)U展，從而降低切削破碎力進(jìn)而破巖。文獻(xiàn)［17］開(kāi)展了高壓水射流破巖試驗(yàn)，認(rèn)為裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展是巖石破碎的主要原因。試驗(yàn)表明，通過(guò)機(jī)械刀具產(chǎn)生裂紋，而水射流通過(guò)液壓水楔脹裂作用進(jìn)行破巖。段雄等采用非線性動(dòng)力系統(tǒng)理論對(duì)水射流破巖過(guò)程進(jìn)行了分析，認(rèn)為使切削力減小是水楔作用的結(jié)果。水楔脹裂機(jī)理觀點(diǎn)實(shí)際上是認(rèn)為水射流輔助破碎巖石類(lèi)似于液壓壓裂過(guò)程［16－18］。

2.3 雙作用破碎機(jī)理

2.3.1 沖蝕破碎－水楔脹裂機(jī)理

Kolle等開(kāi)展了超高壓射流輔助牙輪鉆頭的室內(nèi)破巖實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為超高壓射流強(qiáng)化清洗作用和水楔擴(kuò)展裂縫作用是提高破巖效率的最主要機(jī)理，同時(shí)認(rèn)為切口具有解除巖石束縛的作用，以便于吃入裂縫的牙輪鉆頭牙齒擴(kuò)展到切縫，提高破巖效率。

2.3.2 拉伸－水楔破巖機(jī)理

拉伸－水楔破巖機(jī)理把水射流沖擊力等效為作用于巖石平面上的集中力。當(dāng)拉應(yīng)力與剪應(yīng)力分別大于巖石的抗拉載荷和抗剪載荷時(shí)，巖石會(huì)產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而水射流進(jìn)入裂縫通過(guò)液壓水楔脹裂作用破碎巖石，形成圓柱狀沖擊坑或漏斗坑［19］。但該理論只對(duì)射流沖擊破巖時(shí)應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了定性分析，未詳細(xì)定量分析其規(guī)律，也未論述射流沖擊作用下裂縫產(chǎn)生位置及擴(kuò)展方向。

2.3.3 密實(shí)核－劈拉破巖機(jī)理

密實(shí)核－劈拉破巖機(jī)理模型運(yùn)用赫茲接觸理論將脈沖水射流沖擊力等效為具有一定速度的剛體作用于巖石半無(wú)限彈性體上，當(dāng)拉應(yīng)力與剪應(yīng)力分別大于巖石的抗拉載荷和抗剪載荷時(shí)，巖石會(huì)產(chǎn)生裂縫。隨著水射流持續(xù)沖擊或沖擊壓力增加，裂縫擴(kuò)展并匯接到?jīng)_擊接觸面，形成球形密實(shí)核，當(dāng)密實(shí)核能量?jī)?chǔ)藏到一定程度后，能量膨脹釋放，對(duì)巖石產(chǎn)生切向拉應(yīng)力，當(dāng)其拉應(yīng)力超過(guò)巖石抗拉載荷，巖石產(chǎn)生徑向裂隙。此時(shí)處于高壓狀態(tài)的密實(shí)核，核中巖粉將以粉流形式楔入徑向裂隙，并沿最小阻力方向劈開(kāi)巖石，從而實(shí)現(xiàn)巖石破碎［19］。此理論忽略射流與巖石相互耦合，以及巖石動(dòng)態(tài)和靜態(tài)力學(xué)差異性，因而該理論較為粗糙。

2.3.4 水力切割－沖擊破碎機(jī)理

試驗(yàn)表明［3，20］，巖石抗內(nèi)壓和抗張強(qiáng)度小于其抗外壓強(qiáng)度，因此當(dāng)水力壓力大于巖石的開(kāi)裂壓力時(shí)，在水力作用下巖石發(fā)生水力壓裂和水力破碎。同時(shí)試驗(yàn)表明，在100～200 MPa壓力下，水力破巖主要以水力切割為主，實(shí)現(xiàn)水力切割破碎。超高壓水射流切割試驗(yàn)表明，超高壓射流作用機(jī)理為水力切割和高頻點(diǎn)流的沖擊破碎。

2.3.5 應(yīng)力波作用－射流準(zhǔn)靜態(tài)壓力

通過(guò)對(duì)高壓水射流破巖鉆孔的試驗(yàn)結(jié)果、巖石內(nèi)孔隙流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及水射流破巖過(guò)程中的能量分布變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，對(duì)高壓水射流破巖鉆孔過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明［21］，高壓水射流破巖鉆孔分為2個(gè)過(guò)程:初期以應(yīng)力波作用為主，對(duì)巖石主體進(jìn)行損傷破壞;后期以射流準(zhǔn)靜態(tài)壓力作用為主，對(duì)巖石已產(chǎn)生的微裂縫等損傷利用射流的準(zhǔn)靜態(tài)壓力使之?dāng)U展，并匯聚形成宏觀破壞，從而擴(kuò)大巖石孔眼直徑。此理論認(rèn)為射流和巖石界面耦合相互作用，射流沖擊力在巖石內(nèi)部產(chǎn)生引力波，加上射流準(zhǔn)靜態(tài)壓力共同作用對(duì)巖石進(jìn)行破碎，其中應(yīng)力波作用占主導(dǎo)地位。

2.3.6 拉伸－剪切破壞機(jī)理

20世紀(jì)80年代中期，石油大學(xué)對(duì)超高壓射流的動(dòng)力學(xué)特性和切割破巖機(jī)理進(jìn)行了較系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。數(shù)模分析結(jié)果表明，超高壓水射流破碎巖石機(jī)理主要有2種:一是拉伸破壞，以脆性穿透巖石晶粒斷裂為主，水壓作用也有助于裂紋延伸，從而剝落巖塊;二是剪切破壞，主要是脆性剪切錯(cuò)動(dòng)，形成切槽，作用機(jī)理類(lèi)似于切割破碎。

2.4 水力切割理論等其他機(jī)理模型

關(guān)于水力切割理論方面，目前比較認(rèn)可的有Crow模型和Rehbinder模型。

Crow切割理論模型對(duì)巖石晶粒大小、滲透率、孔隙度、剪切應(yīng)力、內(nèi)摩擦系數(shù)和庫(kù)侖摩擦系數(shù)等各種因素影響都進(jìn)行了分析，對(duì)巖石特性考慮比較全面，而這些系數(shù)的確定需要通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究相結(jié)合［22］。其機(jī)理模型理論推導(dǎo)假設(shè)前提為射流與巖石顆粒之間存在氣蝕現(xiàn)象。

Rehbinder切割理論模型假設(shè)巖石具有可滲透性，水射流可以穿透巖石晶?？障叮箮r石受到液體內(nèi)部壓力，當(dāng)內(nèi)部靜水壓力大于巖石晶粒間內(nèi)聚力時(shí)，巖石破裂脫落。理論和試驗(yàn)結(jié)果表明，切割槽深是射流直徑、射流壓力與破巖門(mén)限壓力比值、沖擊時(shí)間和巖石滲透率的函數(shù)［23］。其中最主要因素為巖石的沖蝕阻抗與巖石滲透率之間關(guān)系。

3 存在問(wèn)題分析

雖然國(guó)內(nèi)外針對(duì)超高壓射流和井下增壓裝置應(yīng)用于鉆井技術(shù)已經(jīng)做了很多研究，并取得了一定的應(yīng)用成果，但是也存在一些問(wèn)題，歸納起來(lái)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外井下增壓器的研究較多，也有一定的發(fā)展，但都處于試驗(yàn)階段，沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用，井下增壓器在井下的使用壽命太短限制了其應(yīng)用。

(2)井下增壓器的水力參數(shù)優(yōu)選、動(dòng)密封技術(shù)、鉆頭水動(dòng)力學(xué)特性等方面尚需全面綜合研究。

(3)由文獻(xiàn)調(diào)研可知，超高壓射流鉆井能提高機(jī)械鉆速，其破巖機(jī)理雖研究較多，也提出各種破巖機(jī)理理論，但對(duì)其破巖機(jī)理仍缺乏清晰明確的認(rèn)識(shí)，有待于進(jìn)一步的研究。目前關(guān)于巖石破碎的研究主要停留在靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)上面，未充分考慮破巖過(guò)程動(dòng)態(tài)影響，也未充分考慮鉆深井過(guò)程中所遇到的高圍壓影響，故前人對(duì)鉆井過(guò)程中破巖機(jī)理的研究還存在局限性。

(4)井下增壓超高壓射流鉆井技術(shù)另一個(gè)重要硬件是超高壓射流鉆頭，這方面也有許多的研究，但噴嘴大小、布置位置等還有待進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)論與建議

(1)國(guó)內(nèi)外通過(guò)多年研究，在井下增壓技術(shù)、增壓機(jī)理和增壓器設(shè)備方面研究已取得較多研究成果，但井下增壓器壽命問(wèn)題一直未突破，需要研制1種能在井下可靠工作，壽命滿足鉆井需要的井下增壓器，其重點(diǎn)和難點(diǎn)是換向機(jī)構(gòu)、高壓密封等關(guān)鍵部件。

(2)前人對(duì)超高壓射流破巖機(jī)理有較多研究，但主要局限在靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)方面，下一步研究需從動(dòng)態(tài)角度和流固耦合方面加強(qiáng)對(duì)巖石破碎過(guò)程的系統(tǒng)分析，提高對(duì)超高壓射流破巖機(jī)理的認(rèn)識(shí)。

(3)深井、超深井鉆進(jìn)過(guò)程中破巖由于井底壓力較大，與地面常規(guī)破巖試驗(yàn)機(jī)理有很大不同，要充分考慮高圍壓對(duì)破巖機(jī)理和破巖效率影響。

(4)加強(qiáng)射流作用下井底巖石應(yīng)力場(chǎng)研究，以深化破巖機(jī)理研究，特別是室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究:逐點(diǎn)測(cè)量井底巖石內(nèi)部孔隙壓力和骨架應(yīng)力，并通過(guò)改變井底壓差和三向地應(yīng)力差值進(jìn)行更具體的定量化研究。

(5)需對(duì)水力與機(jī)械聯(lián)合作用在超高壓射流破巖機(jī)理中的作用進(jìn)行研究，針對(duì)機(jī)械載荷和射流載荷共同作用時(shí)的井底應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，建立更加完善的超高壓破巖模型，為實(shí)際鉆井條件下破巖機(jī)理研究提供理論基礎(chǔ)。

(6)超高壓射流鉆頭是實(shí)現(xiàn)超高壓射流的重要部件，需在井底流場(chǎng)模擬和噴嘴試驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)一步篩選優(yōu)化，特別是噴嘴大小、布置位置等參數(shù)。

(7)井下增壓器將常規(guī)機(jī)械破巖鉆井方式轉(zhuǎn)化為高壓超高壓射流噴射鉆井方式，并且安全可靠，相對(duì)其他提高鉆速方式，經(jīng)濟(jì)性也較好，代表了目前超高壓射流鉆井方式研究的發(fā)展趨勢(shì)。

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Research progress on ultra－h(huán)igh pressure jet drilling by down－h(huán)ole pressure boost

DOU Liang－bin，SHEN Zhong－h(huán)ou，LI Gen－sheng，F(xiàn)U Jia－sheng，WANG Hai－zhu
(State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting，China University of Petroleum，Beijing 102249，China)

Oil and gas exploration and development is gradually shifting from shallow to deep formations，while the drilling of deep and ultra－deep wells confronts with problems of slow drilling rate and high cost.Research and experiment indicate that ultra－h(huán)igh pressure jet drilling is an effective technology to improve drilling rate for deep and ultra－deep wells，and down－h(huán)ole booster is the key equipment for realizing ultra－h(huán)igh pressure water jet.Investigation of domestic and foreign literatures has revealed down－h(huán)ole booster technique and pressure boosting mechanism，as well as the research progress in ultra－h(huán)igh pressure water jet assisted rock breaking mechanism;points out the disadvantages of previous researches，and suggests the direction of further research.

deep well drilling;down－h(huán)ole booster;ultra－h(huán)igh pressure water jet;rock breaking mechanism;research progress; existing problem

TE21;TE248

A

1006－6535(2012)03－0001－07

10.3969/j.issn.1006－6535.2012.03.001

20111109;改回日期:20120220

國(guó)家“973”重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目“深井復(fù)雜地層安全高效鉆井基礎(chǔ)研究”(2010CB226700)

竇亮彬(1986－)，男，2008年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)為中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣井工程專(zhuān)業(yè)在讀博士研究生，研究方向?yàn)橛蜌饩黧w力學(xué)與工程。

編輯劉兆芝