王瑞和, 王方祥, 周衛(wèi)東, 徐依吉, 王明波, 仲冠宇

(中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580)

粒子破巖鉆進(jìn)技術(shù)研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢

王瑞和, 王方祥, 周衛(wèi)東, 徐依吉, 王明波, 仲冠宇

(中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580)

粒子破巖鉆進(jìn)技術(shù)在提高深井硬地層和強(qiáng)研磨性地層鉆進(jìn)速度和效益方面具有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＴ趯鴥?nèi)外的研究現(xiàn)狀進(jìn)行廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上,結(jié)合研究實(shí)際,對粒子破巖鉆進(jìn)的技術(shù)路線、粒子注入系統(tǒng)、回收系統(tǒng)以及適合于粒子沖擊破巖的井下破巖工具等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行分析。結(jié)果表明:連續(xù)、穩(wěn)定地將高硬度和高研磨性的粒子注入到高壓鉆井液中,并使其在鉆井液中均勻分布,而且能有效回收是該技術(shù)的基礎(chǔ);個性化的PID鉆頭設(shè)計(jì)和水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)是該技術(shù)研究的重點(diǎn);提高系統(tǒng)使用壽命和工作穩(wěn)定性是加快技術(shù)推廣應(yīng)用的突破口;粒子射流對巖石的沖擊動載作用和應(yīng)力波損傷軟化作用機(jī)制以及射流-機(jī)械聯(lián)合破巖機(jī)制研究是該技術(shù)研究的前沿。

粒子破巖鉆進(jìn)技術(shù); 地面系統(tǒng); 井下破巖工具; 破巖機(jī)制; 使用壽命

隨著淺層油氣資源逐漸枯竭,勘探開發(fā)重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向深部硬地層和復(fù)雜地層[1]。隨著深井與超深井鉆井?dāng)?shù)目逐年增多,“向深層要油”與鉆遇深部硬地層和強(qiáng)研磨性地層時面臨鉆速慢、周期長、成本高的矛盾日益突出,嚴(yán)重制約著深層油氣資源勘探開發(fā)的速度和效益[2-4]。粒子破巖鉆進(jìn)技術(shù)[5-6]的出現(xiàn)為突破這一技術(shù)瓶頸帶來了希望。該技術(shù)通過粒子注入系統(tǒng)將高硬度、高研磨性的粒子按照合適的比例注入到鉆井液中,粒子經(jīng)鉆柱到達(dá)粒子沖擊鉆頭(particle impact drilling bit,PID鉆頭),隨鉆井液由噴嘴高速噴出,高頻沖擊地層破碎巖石,之后隨巖屑被鉆井液攜帶返至地面,通過粒子回收系統(tǒng)回收、分離、循環(huán)利用[7-9]。與傳統(tǒng)破巖技術(shù)相比,該技術(shù)用于硬地層具有提速增效的優(yōu)勢,一是粒子射流的破巖門限壓力低,破巖速度快,單位時間內(nèi)粒子射流的破巖體積是水射流的4倍多;二是采用體積破碎方式,破巖比功小,能量利用率高;三是所需鉆壓和扭矩較常規(guī)鉆井小,減少了鉆柱的疲勞破壞和鉆頭磨損,縮短了鉆井周期[10-11],據(jù)預(yù)測,使用該技術(shù)在硬地層鉆一口井可節(jié)省約1/3的鉆井時間[12]。但目前對該技術(shù)的研究仍處于起步階段,僅美國一家公司進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。筆者結(jié)合近年來的研究工作實(shí)踐,在對國內(nèi)外的研究進(jìn)行廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上,對該技術(shù)研究進(jìn)展和未來發(fā)展趨勢進(jìn)行總結(jié)和分析,以期為今后的研究提供指導(dǎo)和借鑒。

1 粒子破巖鉆進(jìn)技術(shù)的發(fā)展

美國工程師Curlett H B、Sharp D P和Gregory M A受射彈沖擊破巖思想的啟發(fā),于2002年提出“粒子沖擊破巖鉆進(jìn)”的鉆井新思路,之后成立粒子沖擊鉆井公司(particle drilling technology Inc,PDTI),并于2005年在鹽湖城鉆完井實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了粒子破巖鉆進(jìn)的地面全尺寸模擬試驗(yàn),改進(jìn)并完善了地面系統(tǒng)和井下破巖工具。2006年之后,PDTI公司陸續(xù)在猶他州、德克薩斯州東部進(jìn)行了多次現(xiàn)場鉆井試驗(yàn),使地面系統(tǒng)和破巖工具逐步成熟。直到2012年,第三代粒子沖擊鉆井系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗(yàn)極大地加快了該技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的步伐?，F(xiàn)場試驗(yàn)表明,在相同條件下,粒子破巖鉆進(jìn)可提高機(jī)械鉆速2～4倍。另外,PDTI公司研究了低剪切鉆井液對粒子懸浮的性能[13],并對該技術(shù)在隨鉆擴(kuò)孔、取心、射孔等工藝上的應(yīng)用進(jìn)行了探索[14]。

中國的粒子破巖鉆進(jìn)技術(shù)還處在理論研究、單元試驗(yàn)和設(shè)備試制階段。中國石油大學(xué)(華東)、西南石油大學(xué)、中國石油川慶鉆探工程公司等高校和企業(yè)針對該項(xiàng)技術(shù)先后展開了系統(tǒng)的研究,取得了一些進(jìn)展。中國石油大學(xué)(華東)已研發(fā)出國內(nèi)首套完整意義上的粒子沖擊鉆井系統(tǒng),并與中國石油川慶鉆探工程公司聯(lián)合,于2013年在西南油氣田龍崗022-H7井須家河組成功地進(jìn)行了國內(nèi)首次現(xiàn)場試驗(yàn),在須家河這個鉆井“硬骨頭”層位實(shí)現(xiàn)了快速鉆進(jìn),驗(yàn)證了粒子破巖鉆進(jìn)技術(shù)鉆井工藝的可行性,達(dá)到了粒子沖擊鉆井系統(tǒng)功能性試驗(yàn)的目的。

2 粒子沖擊鉆井地面系統(tǒng)

粒子沖擊鉆井地面系統(tǒng)主要包括粒子注入、粒子回收兩大部分,其功能是將粒子注入高壓鉆井液并在井口返出的鉆井液中回收完好粒子,實(shí)現(xiàn)粒子循環(huán)利用?；镜脑O(shè)計(jì)布置是分別將注入系統(tǒng)和回收系統(tǒng)撬裝到運(yùn)載車,便于設(shè)備的運(yùn)輸、安裝和使用。

2.1 粒子注入系統(tǒng)

粒子注入系統(tǒng)是粒子破巖鉆進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的前提,如何連續(xù)、穩(wěn)定地將粒子注入高壓鉆井液是國內(nèi)外十分關(guān)注的研究課題。

目前,國外的粒子注入系統(tǒng)已相對成熟,由第一代發(fā)展到第三代,其核心在于粒子以何種方式、通過何種裝置注入鉆井液[15-17]。第一代壓差引射式粒子注入系統(tǒng)(圖1(a)),當(dāng)鉆井液從粒子料斗下快速流過時,利用射流泵原理,造成料斗上下產(chǎn)生壓差,并通過壓差控制注入的粒子量。但由于壓差穩(wěn)定性難以控制,使粒子注入不均勻,且不能連續(xù)注入粒子。

第二代為塔式粒子注入系統(tǒng)(圖1(b)),針對第一代系統(tǒng)的問題進(jìn)行改進(jìn):①采用螺桿擠壓的方式將粒子以一定的速率壓入高壓主管匯中;②粒子與鉆井液兩級混合;③兩根粒子注入管確保粒子連續(xù)注入。但注入管采用細(xì)長管,設(shè)備較高,不便于運(yùn)輸,且該系統(tǒng)控制閥門較多,使粒子注入流程復(fù)雜,自動化控制程度較低,在現(xiàn)場應(yīng)用中受到了限制。

為克服前二代注入系統(tǒng)的缺陷,PDTI公司設(shè)計(jì)出第三代全自動罐式粒子連續(xù)注入系統(tǒng)(圖1(c))。該系統(tǒng)采用模塊化、集成化設(shè)計(jì)思想,結(jié)合以上兩代系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),做了以下改進(jìn):①采用螺旋輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)粒子注入的均勻性和穩(wěn)定性;②將兩根粒子注入細(xì)長管改為三套高壓粒子注入罐;③設(shè)置監(jiān)控中心,集成粒子注入系統(tǒng)。

國內(nèi)對粒子注入系統(tǒng)的研究已形成水力注入式和機(jī)械注入式兩類注入方式。水力注入借鑒了前混式磨料射流發(fā)生系統(tǒng)中磨料的注入方式,如圖2(a)所示,基本原理與國外第一代粒子注入系統(tǒng)相似。

圖1 國外三代粒子注入系統(tǒng)Fig.1 Three generations of particle injection system abroad

機(jī)械注入主要采用螺旋輸送或旋葉輸送方式將粒子注入。螺旋輸送系統(tǒng)基本原理如圖2(b)所示,在正常工作時,由動力單元傳動至減速箱帶動螺旋軸轉(zhuǎn)動,帶動螺旋葉片旋轉(zhuǎn),由旋轉(zhuǎn)的螺旋葉片把粒子推至出料口,這與國外第三代粒子注入系統(tǒng)的注入方式類似。但螺旋輸送機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,不便于裝卸,且密封易發(fā)熱失效,影響工作的可靠性。為此,設(shè)計(jì)出采用葉輪旋轉(zhuǎn)刮進(jìn)的旋葉式輸送機(jī)[18],如圖2(c)所示。工作時,電機(jī)或液壓馬達(dá)通過傳動裝置帶動葉輪轉(zhuǎn)動,同時粒子在自重條件下從粒子罐中均勻落入葉輪料槽,當(dāng)轉(zhuǎn)至出料口時粒子在自重條件下排出,粒子的濃度可通過調(diào)節(jié)葉片轉(zhuǎn)速控制。

圖2 不同粒子注入方式原理圖Fig.2 Principle sketch map of different particle injection methods

中國石油川慶鉆探工程公司與中國石油大學(xué)(華東)合作,提出一種雙柱塞式粒子連續(xù)注入系統(tǒng)(圖3)。該系統(tǒng)的兩套注入缸通過高壓連接閥交替連接主管匯,柱塞桿在注入缸內(nèi)交替往復(fù)直線運(yùn)動,實(shí)現(xiàn)粒子的吸入和推出,即當(dāng)一個注入缸連通主管匯,并注入粒子時,另一個注入缸與主管匯斷開,其中的柱塞桿向后運(yùn)動,吸入儲罐中的粒子。與其他系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)無需高壓罐和輸送機(jī)等一系列高壓配套設(shè)備,大幅降低對注入系統(tǒng)的承壓要求,提高了作業(yè)安全性,且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,給運(yùn)輸和安裝帶來極大方便,具有較高的應(yīng)用前景。目前正對該系統(tǒng)進(jìn)行功能性驗(yàn)證。

圖3 雙柱塞式粒子連續(xù)注入系統(tǒng)Fig.3 Double plunger particle continuous injection system

2.2 粒子回收系統(tǒng)

粒子回收系統(tǒng)是集粒子回收、分離、儲存于一體的集成化系統(tǒng)。如何有效回收返出鉆井液中的完好粒子是該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。

國外的粒子回收系統(tǒng)通過振動篩、磁性分離器和環(huán)形分離器等設(shè)備,實(shí)現(xiàn)鉆井液、粒子和巖屑的分離以及對好壞粒子進(jìn)行分選,分選出的完好粒子經(jīng)洗凈、烘干后進(jìn)入轉(zhuǎn)動的滾筒,并在需要時將其再次送至粒子注入系統(tǒng),循環(huán)利用。

在國內(nèi)首次粒子沖擊鉆井現(xiàn)場試驗(yàn)中,使用的是靜止雙罐式粒子回收系統(tǒng)(圖4),以兩個立式容器作為粒子的存儲裝置。井口返出的含粒子鉆井液經(jīng)振動篩、磁選機(jī)和分選裝置后,將可再次利用的粒子分離并輸送至立式儲罐儲存。該系統(tǒng)雖能達(dá)到粒子回收、分離、儲存的基本功能,但存在幾個問題:①由于采用靜止立式儲罐,粒子易在罐中黏結(jié)成塊;②系統(tǒng)不能同時進(jìn)行粒子回收和輸出;③無法精確控制粒子的輸出量。

為解決上述問題,中國石油大學(xué)(華東)高壓水射流研究中心研制出旋轉(zhuǎn)儲罐式粒子回收系統(tǒng)[19](圖5),旋轉(zhuǎn)儲罐是該系統(tǒng)的核心部件,通過特別設(shè)計(jì)的內(nèi)外筒結(jié)構(gòu)和篩桶部件,使外筒正轉(zhuǎn)時攪拌粒子,防止黏結(jié)成塊,反轉(zhuǎn)時輸出粒子,實(shí)現(xiàn)粒子的邊進(jìn)邊出,滿足粒子回收與輸送的連續(xù)工作要求。通過整個回收系統(tǒng)的功能性和工作穩(wěn)定性試驗(yàn),該系統(tǒng)回收粒子的效率在95%以上,持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)100 h,未出現(xiàn)明顯故障,完全能夠滿足現(xiàn)場的應(yīng)用要求。

圖4 靜止雙罐式粒子回收系統(tǒng)Fig.4 Static dual-tank particle recovery system

圖5 旋轉(zhuǎn)儲罐式粒子回收系統(tǒng)Fig.5 Rotating tank particle process system

2.3 地面系統(tǒng)的使用壽命

地面系統(tǒng)的使用壽命是影響粒子破巖鉆進(jìn)技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。2006年9月,PDTI公司在Uinta盆地開展的現(xiàn)場試驗(yàn)中,高壓作業(yè)使鉆井液閥失效,部分設(shè)備損壞,試驗(yàn)被迫中止。2007年1月,PDTI公司在猶他州進(jìn)行的一次現(xiàn)場試驗(yàn)中,由于地面一段管線的彎曲處被粒子擊穿，造成一個止回閥失效,導(dǎo)致試驗(yàn)終止。經(jīng)過對閥門和密封的改進(jìn)及材料的優(yōu)選,直到2011年,地面系統(tǒng)的壽命才得到較大改善。中國在2013年的首次現(xiàn)場試驗(yàn)中,由于螺旋輸送機(jī)的聯(lián)軸器破裂,整個粒子循環(huán)過程終止,粒子沉積導(dǎo)致螺旋輸送機(jī)部分堵塞,影響了該技術(shù)性能的發(fā)揮。

由于粒子沖擊鉆井地面系統(tǒng)的工作介質(zhì)是含粒子鉆井液,對密封、鉆井液閥等的使用壽命提出更高的要求。中國石油大學(xué)(華東)高壓水射流研究中心采用車氏密封并設(shè)計(jì)循環(huán)冷卻結(jié)構(gòu)解決旋葉式輸送機(jī)的密封失效問題,樣機(jī)在50 r/min、25 MPa條件下穩(wěn)定運(yùn)行280 min,未發(fā)現(xiàn)明顯滲漏,機(jī)筒溫度維持在36 ℃左右,冷卻效果良好[18]。北京化工大學(xué)通過特殊設(shè)計(jì)閥板的閥孔及閥座的閥孔交界處的倒角結(jié)構(gòu),使鉆井液閥具有防夾卡粒子的功能,應(yīng)用瞬態(tài)動力學(xué)仿真分析發(fā)現(xiàn),閥門在關(guān)閉時,處于閥板和閥座間的粒子被自動擠出,可延長閥門的使用壽命[20]。

3 粒子破巖鉆進(jìn)提速機(jī)制

粒子破巖鉆進(jìn)技術(shù)改變了常規(guī)鉆井切削井底巖石的方法,在粒子射流直接破巖或聯(lián)合牙齒破巖的作用下,提高硬地層的機(jī)械鉆速。對粒子破巖鉆進(jìn)提速機(jī)制的研究主要集中在粒子沖擊動載作用、應(yīng)力波損傷軟化作用和射流-機(jī)械聯(lián)合破巖作用。

3.1 粒子沖擊動載作用

粒子射流沖擊到巖石表面,在沖擊載荷作用下形成巖石破碎坑。眾學(xué)者均采用非線性動力有限元方法模擬研究粒子破巖過程,從能量轉(zhuǎn)換和受力的角度探討沖擊動載作用下巖石破碎的機(jī)制。

從能量的角度分析,若粒子和巖石組成一個能量系統(tǒng),粒子的動能即為碰撞前的總能。碰撞后,系統(tǒng)的總能轉(zhuǎn)化為巖石的內(nèi)能(促使裂紋生成、擴(kuò)展和匯聚)、粒子回彈的動能、巖屑的動能以及少量的能量損耗。其中,巖屑的動能以及能量損耗均可忽略?？梢岳脦r石對能量的吸收率(巖石的內(nèi)能占系統(tǒng)總能的百分比)反映碰撞效率,研究發(fā)現(xiàn),能量吸收率并不隨粒子沖擊速度增大而無限升高,而是存在一個能量吸收率較高的速度區(qū)間,這是因?yàn)閹r石無法大量吸收粒子沖擊過程中所耗散的塑性變形功,導(dǎo)致粒子回彈速度較快,具有較高的回彈動能[21-23]。

從受力的角度分析,粒子沖擊井底巖石所產(chǎn)生的應(yīng)力與切削齒產(chǎn)生的應(yīng)力的差別就如同用冰釬和錘子破冰產(chǎn)生的應(yīng)力差別。如果用同樣的力,因冰釬的接觸面積小,會產(chǎn)生更高的瞬時沖擊接觸應(yīng)力[24]。此接觸應(yīng)力使巖石瞬間形成壓縮破碎和初始裂紋,強(qiáng)大沖擊波所引發(fā)的環(huán)向拉應(yīng)力及應(yīng)力波反射拉應(yīng)力使裂紋擴(kuò)展和二次裂紋形成,裂紋匯交貫穿形成破碎塊度,使巖石成塊或成片運(yùn)動,形成沖蝕漏斗[25-29]。

3.2 應(yīng)力波損傷軟化作用

粒子撞擊巖石的瞬間,粒子的部分動能以應(yīng)力波的形式在巖石中傳播,沖擊應(yīng)力波透射入巖石內(nèi)部,當(dāng)遠(yuǎn)離粒子撞擊點(diǎn)后,沖擊應(yīng)力波衰減迅速,由于能量密度的降低,在巖石內(nèi)部產(chǎn)生的微裂隙雖不至于引起巖石的完全破裂,但增加了巖石的損傷程度,導(dǎo)致巖石的強(qiáng)度、孔隙度等物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化,改善了巖石的可鉆性。

對粒子沖擊應(yīng)力波損傷軟化作用的研究仍處于定性描述的階段。當(dāng)遠(yuǎn)離粒子撞擊點(diǎn)后,應(yīng)力波會引起巖石的部分損傷[25],但關(guān)于巖石的損傷程度如何、應(yīng)力波如何影響微裂隙的產(chǎn)生等問題,尚未深入研究。目前對應(yīng)力波作用導(dǎo)致巖石內(nèi)部微裂隙的產(chǎn)生、發(fā)育、貫通過程的研究主要集中于地震、巖體爆破等領(lǐng)域。在理論研究中,損傷模型理論的出現(xiàn)為巖石破碎的研究提供了新的理論工具和思維方法,通過建立巖石損傷演化模型,研究應(yīng)力波在損傷軟化巖石過程中的傳播規(guī)律、主要特點(diǎn)及巖石損傷演化狀況[30];在試驗(yàn)研究方面,主要利用霍普金森(SHPB)沖擊系統(tǒng),對不同波長、波幅、頻率等應(yīng)力波作用下巖石類孔隙介質(zhì)的動力學(xué)響應(yīng)、應(yīng)力傳遞模式和變形破壞機(jī)制進(jìn)行了研究[31-32];在數(shù)值模擬方面,主要采用RFPA3D、FLAC3D等模擬微裂隙的擴(kuò)展貫通過程,得到三維裂隙的產(chǎn)生、表面裂隙的斷裂及強(qiáng)度特性、擴(kuò)展及貫通規(guī)律[33-34]。

3.3 射流-機(jī)械聯(lián)合破巖作用

射流-機(jī)械聯(lián)合破巖的過程是充分利用粒子射流和牙齒的各自優(yōu)勢,在多作用耦合下實(shí)現(xiàn)共同破巖的過程。粒子射流的沖擊在井底形成連續(xù)破碎坑或巖石環(huán),使井底巖石裸露,裸露自由面越多,破碎巖石所需單位體積破碎功越小,且?guī)r脊與周圍巖石連接力小,加之粒子沖擊應(yīng)力波的損傷軟化作用,便于牙齒的機(jī)械破巖。粒子的沖擊和牙齒的機(jī)械力作用,在巖石中形成微裂紋,高壓水?dāng)D入這些微裂紋,產(chǎn)生水楔作用,從而降低巖石破碎強(qiáng)度。

由于高壓水射流技術(shù)在采礦與石油等行業(yè)中的廣泛應(yīng)用,射流-機(jī)械聯(lián)合破巖的研究多指高壓水射流輔助刀具破巖,側(cè)重于井底水力能量的分配,以達(dá)到最優(yōu)的井底凈化效果,提高機(jī)械鉆速,而對粒子射流-牙齒聯(lián)合破巖的研究甚少。概括射流-機(jī)械聯(lián)合破巖的研究成果,水楔脹裂理論模式、沖蝕破碎理論模式、聯(lián)合破碎理論模式獲得較多認(rèn)可[35]。聯(lián)合破碎理論模式認(rèn)為,機(jī)械刀具和水射流二者達(dá)到一種耦合的效果時,既可降低射流壓力提高破巖速度,又可降低切屑齒受力,從而減少齒的磨損。

4 井下破巖工具

鉆頭是破碎巖石的主要工具,其設(shè)計(jì)及選用直接影響鉆井速度、鉆井質(zhì)量和鉆井成本。關(guān)于PID鉆頭的破巖方式,PDTI公司經(jīng)過一系列的試驗(yàn)研究與對比,認(rèn)為“領(lǐng)眼+擴(kuò)孔”的破巖方式有利于提高粒子射流破巖效率[36-37],并據(jù)此設(shè)計(jì)了如圖6所示的PID鉆頭。該種鉆頭完全依靠粒子沖擊和水力能量破碎井底巖石,通過中心噴嘴的布置,能夠在井底中間部位沖擊出一個“領(lǐng)眼”,從圍巖中釋放原始地應(yīng)力,領(lǐng)眼壁面和底部巖石暴露,原來呈壓縮狀態(tài)的巖石分別沿徑向和向上釋放壓縮能量并逐漸膨脹,使巖石承受拉伸作用,初始裂紋在拉應(yīng)力的作用下匯聚、貫通,即因卸載引起巖石拉伸破壞。同時,第一側(cè)噴嘴噴出高速粒子射流,沖擊領(lǐng)眼孔壁,對領(lǐng)眼擴(kuò)孔,增加領(lǐng)眼的影響范圍,第二側(cè)噴嘴負(fù)責(zé)沖擊井壁巖石,保證形成足夠大的井眼,以便通過保徑齒修整井壁。

但“領(lǐng)眼+擴(kuò)孔”的破巖方式實(shí)施較為困難:由于完全依靠粒子沖擊和水力能量破巖,要求射流速度大于150 m/s,需要較大的鉆頭壓降,給地面設(shè)備泵的性能及管線和閥門的使用壽命帶來巨大挑戰(zhàn);采用“吊打”的方式鉆進(jìn),即使通過室內(nèi)試驗(yàn)獲得最優(yōu)噴距,在鉆進(jìn)中送鉆控制存在較大困難。

綜合考慮中國實(shí)際鉆井條件和地層巖性,中國石油大學(xué)(華東)高壓水射流研究中心根據(jù)“粒子沖擊+機(jī)械擠壓”的破巖方式,提出如圖7所示的PID鉆頭概念模型。該種鉆頭以高速粒子沖擊破巖為主,機(jī)械牙齒擠壓破巖和水力破巖為輔。兩個側(cè)翼噴嘴和中心噴嘴以一定角度布置在側(cè)翼底部和鉆頭中心體上,通過特殊布局,粒子射流沖擊破碎井底巖石形成巖石環(huán)脊,暴露巖石自由面,鉆頭中心體上的硬質(zhì)合金齒在低鉆壓和低扭矩的作用下以擠壓、剪切的方式破碎井底巖石,實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)。以體積破碎方式形成的大巖屑和粒子由較大的排屑槽進(jìn)入環(huán)空,隨鉆井液返至地面。

圖6 國外PID鉆頭及巖石破壞形態(tài)Fig.6 Foreign PID bits and rock failure modes

圖7 國內(nèi)PID鉆頭及巖石破壞形態(tài)Fig.7 Domestic PID bits and rock failure modes

通過計(jì)算流體力學(xué)方法(CFD)數(shù)值模擬研究井底流場特性是輔助鉆頭設(shè)計(jì)的一個重要方法[38-40]。與PDC鉆頭相比,由于在井底的作用方式不同,PDC鉆頭井底流場關(guān)注的重點(diǎn)是井底的清洗和切削齒的冷卻,而PID鉆頭主要依靠粒子沖擊破巖,噴嘴在鉆頭上的徑向布置、角度和組合方式顯得尤為重要,流場應(yīng)盡可能覆蓋整個井底,具有較高的射流能量利用率、良好的粒子和巖屑上返能力,同時減少了粒子對鉆頭本體的沖蝕。綜合考慮粒子在井底的滯留時間、對井底和刀翼的沖蝕速率等因素,利用離散相模型[41]對直徑165.1 mm的PID鉆頭的井底流場進(jìn)行數(shù)值模擬,并采用加長噴嘴結(jié)構(gòu)以減少粒子和流體的沿程能量損失。在西南油氣田龍崗022-H7井須家河組進(jìn)行的粒子破巖鉆進(jìn)技術(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)中,使用的以215.9 mm HJT537GK牙輪鉆頭為原型的加長噴嘴PID鉆頭,如圖8所示。

圖8 加長噴嘴粒子沖擊鉆頭Fig.8 PID bit with extended jet nozzle

基于粒子破巖鉆進(jìn)技術(shù)的研究和應(yīng)用,探索性的提出了一種新型的井底直接調(diào)制式脈沖粒子射流鉆井方法[42-43]。該方法把鉆井過程中產(chǎn)生的巖屑作為主要粒子來源,以在井口間斷投入鋼質(zhì)粒子為輔助措施,調(diào)制成脈沖粒子射流,利用粒子射流與水力脈動的協(xié)同作用,提高破巖鉆進(jìn)速度。通過數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn),設(shè)計(jì)了一套井底脈沖粒子射流調(diào)制工具,經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際試驗(yàn),取得了明顯的提速效果。

5 粒子破巖鉆進(jìn)技術(shù)研究與發(fā)展趨勢

國內(nèi)外的研究和工程實(shí)踐均表明粒子破巖鉆進(jìn)技術(shù)在硬地層和強(qiáng)研磨性地層高效破巖鉆進(jìn)具有巨大的發(fā)展?jié)摿?但要使其成為一項(xiàng)高效、可靠的工程技術(shù),還必須進(jìn)一步加強(qiáng)以下研究:

(1)粒子射流破巖機(jī)制。由于粒子射流破巖體系的復(fù)雜性和試驗(yàn)方法、解析手段的局限性,使粒子射流的破巖機(jī)制難以客觀揭示,目前未能形成被普遍認(rèn)可的理論模型。對單粒子或雙粒子破巖的三維非線性沖擊動力學(xué)問題的研究,與粒子流持續(xù)沖擊巖石的過程存在一定差異,其成果僅限于描述破碎現(xiàn)象的表面過程,而沒有涉及破碎過程的本質(zhì),對粒子射流破巖的實(shí)際應(yīng)用和物理機(jī)制的探索難以形成有效指導(dǎo)。在粒子破巖鉆進(jìn)提速理論的研究中,須首先揭示粒子射流沖擊下巖石、粒子和高壓流體之間的耦合作用機(jī)制,為此須進(jìn)一步加強(qiáng)符合深井高溫、高圍壓條件下的粒子射流沖擊破巖的數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究。在此基礎(chǔ)上,開展粒子射流與牙齒機(jī)械聯(lián)合破巖的理論分析與試驗(yàn)研究,為PID鉆頭的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。粒子射流對巖石的沖擊動載作用和應(yīng)力波損傷軟化作用機(jī)制以及射流-機(jī)械聯(lián)合破巖機(jī)制研究是粒子破巖鉆進(jìn)技術(shù)研究的前沿。

(2)個性化的PID鉆頭設(shè)計(jì)。針對不同的地層,雖提出了PID鉆頭的概念模式,但缺乏對鉆頭噴嘴布置方式、鉆頭切削模式等實(shí)質(zhì)性問題的深入研究,導(dǎo)致PID鉆頭的結(jié)構(gòu)未能定型。鉆頭的設(shè)計(jì)應(yīng)注重鉆井條件和地層的適用性,地層的巖性和軟硬程度不同,對鉆頭的要求及破巖機(jī)制也應(yīng)不同,僅憑單一作用機(jī)制無法設(shè)計(jì)出適用于所有地層的PID鉆頭。為此,須根據(jù)所鉆地層巖性開展多噴嘴組合射流破巖的試驗(yàn),結(jié)合井底流場的數(shù)值模擬和試驗(yàn)測試,確定不同噴嘴位置、角度和組合方式下巖石的破壞形態(tài)。依據(jù)巖石破壞形態(tài)和射流-機(jī)械聯(lián)合破巖理論成果,確定鉆頭牙齒的布置方式、PID鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)和水力學(xué)參數(shù)。

(3)粒子注入機(jī)制及系統(tǒng)。目前對粒子注入系統(tǒng)的研究重點(diǎn)都放在了相關(guān)注入設(shè)備的研制,只要保證粒子能夠連續(xù)、穩(wěn)定地注入到鉆井液主管匯中即可,而忽略了均勻分布的粒子混漿的調(diào)制。根據(jù)磨料射流的研究成果,磨料若能均勻分布到鉆井液中,則能夠顯著提高水力能量利用率,提高射流的破巖效率[44]。相對于磨料射流,粒子射流具有固相“大粒徑、低濃度”的特點(diǎn),針對粒子射流的液固兩相的相互作用機(jī)制、兩相射流中固相的分布特征等基本理論問題至今尚無系統(tǒng)研究。如何建立正確的粒子分散程度的評判標(biāo)準(zhǔn)、探索粒子的分布規(guī)律和影響粒子均勻分布的因素以及如何提高粒子在鉆井液中的均勻分布程度是該領(lǐng)域未來的攻關(guān)方向。

(4)水力參數(shù)設(shè)計(jì)方法。粒子沖擊參數(shù)優(yōu)選是關(guān)系粒子射流破巖效果的技術(shù)核心。根據(jù)所鉆地質(zhì)類型,及時調(diào)整粒子沖擊速度、粒子濃度、粒子直徑等參數(shù),可達(dá)到較高的破巖效率。由于單、雙粒子破巖的深度或體積有限,測量誤差較大,且數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性值得商榷,使以此為依據(jù)優(yōu)選的粒子沖擊參數(shù)的取值存在較大爭論。目前的粒子射流破巖試驗(yàn)采用的后混合供料方式與粒子破巖鉆進(jìn)技術(shù)采用的前混合供料方式存在本質(zhì)的差別,前者水力能量利用率遠(yuǎn)不如后者[45],影響了粒子沖擊參數(shù)優(yōu)選的準(zhǔn)確性和可靠性。如何設(shè)計(jì)并開展地面全尺寸模擬井下工況的試驗(yàn),以確定合理的粒子沖擊參數(shù)的最優(yōu)匹配關(guān)系,并形成系統(tǒng)的粒子破巖鉆進(jìn)技術(shù)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,這將成為今后研究的重點(diǎn)。

(5)系統(tǒng)的長壽命及可靠性。目前,粒子破巖鉆進(jìn)技術(shù)面臨的最大困難是整個工作系統(tǒng)使用壽命較短、工作可靠性較差,這是制約該技術(shù)推廣應(yīng)用的瓶頸問題。正是由于高壓、高含砂的工作介質(zhì),使整個系統(tǒng)面臨密封失效及鉆頭、噴嘴、配套鉆井液閥、管線易于磨損等方面無法回避的問題,影響了系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和有效性,同時也帶來了諸多安全問題。通過揭示粒子漿體沖刷作用下材料的磨損機(jī)制優(yōu)選硬件設(shè)備的材質(zhì)及表面處理工藝,優(yōu)化設(shè)計(jì)鉆井液閥結(jié)構(gòu)并優(yōu)選密封結(jié)構(gòu),提升系統(tǒng)整體配套性能,以形成一套運(yùn)行平穩(wěn)可靠、運(yùn)營成本低、具有較低故障率及較高工作效率的工作系統(tǒng),是加快該技術(shù)推廣應(yīng)用步伐的突破口。

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(編輯 李志芬)

Particle impact drilling technology: the state of the art and perspective development

WANG Ruihe, WANG Fangxiang, ZHOU Weidong, XU Yiji, WANG Mingbo, ZHONG Guanyu

(SchoolofPetroleumEngineeringinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)

The application of particle impact drilling (PID) technology in hard and strong abrasive rock formations has a great potential for increasing drilling speed and efficiency. In this paper, the state of the art of the PID technology was described and its prospective development was analyzed based on an intensive literature survey in the area over the world and the authors active research work. The recent progress of the PID technology and its key aspects were summarized systematically, including the particle injection and recovery systems and tools used for down-hole rock-breaking. Continuous and stable injection of hard and abrasive particles into drilling fluid is essential to the PID application, and the homogenous distribution of the particles in drilling fluid and their recovery on the surface are also important for the efficiency of the technology. Individualized design of the PID bit and optimum selection of the hydraulic paramenters are the key points of the current research. Improvement of the service life of the PID system and its stability is fundenmental for the application of the technology, which needs further research and breakthrough. On the mechanism study of the PID, it has been focused on the effects of dynamic loading and stress wave damage and softening of the particle jet on rocks and the combined jet-mechanical rock breaking mechanism, which are still the research fronts of the future study.

particle impact drilling technology; surface systems; down-hole rock-breaking tool; rock breaking mechanism; working life

2015-12-11

中石油科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目(2015F-1801)；山東省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(ZR2010EZ004)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(14CX06084A)

王瑞和(1957- )，男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橛蜌饩こ?。E-mail: wangrh@upc.edu.cn。

1673-5005(2016)06-0071-09

10.3969/j.issn.1673-5005.2016.06.009

TE 21

A

王瑞和,王方祥,周衛(wèi)東,等.粒子破巖鉆進(jìn)技術(shù)研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,40(6):71-79.

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