自吸式粒子射流鉆井工具

李世昌

(東北石油大學 黑龍江 大慶 163318)

自吸式粒子射流鉆井工具

李世昌

(東北石油大學 黑龍江 大慶 163318)

一、研究背景

隨著我們國家淺層油氣資源的不斷枯竭，使得目前的油氣勘探及開發的重心向著深部堅硬地層以及復雜地質條件下油氣田的方向轉移。在鉆井過程中，深井地層硬度及鉆井難度不斷增大，因此如何提升硬地層的鉆速成為公認的世界性難題之一。在深井、硬地層的鉆進過程中，國內外油田都存在普遍性的鉆速慢、鉆具使用壽命短、鉆井周期過長、鉆井成本過高等一系列難題，影響著勘探及開發整體經濟效益，由此深井、硬地層高效鉆井新方法的研究成為油氣鉆探重要的研究方向，并對地層油氣資源的高效獲取具有重要的作用。

發展井底自吸式脈沖粒子射流鉆井技術，即以石油鉆探破碎地層生成的大量巖屑當作磨料粒子介質，利用吸入工具，直接將部分巖屑在井底引入鉆柱內部，與鉆井液混合后，經鉆頭噴嘴高速噴出，形成的巖屑粒子射流作用于井底地層，同時，為使射流作用效果更好，可通過適當的水力結構，調制巖屑粒子射流的脈動性能，改善鉆頭與井底附近巖石的受力狀況，強化巖屑的啟動和凈化，以及利用巖屑粒子射流的沖擊研磨協同作用，進行破巖、輔助破巖，鉆井速度有效提高。

二、國內外研究現狀

(一)國外研究現狀。自2002年粒子沖擊鉆井技術首次提出后，以美國粒子沖擊鉆井PIDT(Particle Impact Drilling Technology)公司為首的科研人員，針對粒子射流沖擊破巖技術，完成了以下內容的研究工作，如表2-1 中所示。

表2-1 國外粒子射流沖擊鉆井技術

ProDrill Services Inc.(PSI)于2003 年在落基山油田測試中心研制了粒子射流沖擊鉆井系統，2004年一月PIDT公司獲得此項創新技術的知識產權，并開展了研究。2005年，在鹽湖城Terra Tek的鉆井完井實驗室，PIDT公司首次試驗了自己設計的兩種新型的粒子射流沖擊鉆井PID鉆頭。模擬試驗環境采用實際鉆井工程中使用的鉆壓和扭矩，利用真實的泥漿形成的水力流場，泥漿中摻入尺寸為0.1英寸(約2.5mm)體積濃度為2-3%的鋼粒子，進行了11次全尺寸模擬井下工況的試驗。試驗中粒子噴出速度大約為150m/s，噴出頻率超過400萬次/min。試驗持續7天多，多次試驗證明，常規鉆頭需要的鉆壓大約90kN～270kN的地層，粒子射流沖擊鉆井大約需要20kN～45kN鉆壓，大大降低了施加在鉆頭上的壓力，有效地壓縮了鉆井的實際成本。同時該試驗中選用了排量不同的兩種PID鉆頭，試驗證明，相對于小排量PID鉆頭，大排量鉆頭效果更為理想。然而，無論是大排量還是小排量PID鉆頭，仍然存在諸多地方需要改進和完善。

(二)國內研究現狀。國內外創新破巖技術蓬勃發展，但粒子射流沖擊鉆井技術的巨大潛力，吸引了眾多專家學者的重視，紛紛展開研究工作。歸納其研究成果主要集中在破巖機理、粒子注入系統、粒子回收處理系統、流場模擬等內容。

1.西南石油大學。2008 年，伍開松等人應用一維應力波基本理論和沖擊動力學有限元分析軟件IDFEM 研究了單個粒子沖擊破巖的規律，提出粒子入射角度、直徑和沖擊速度對破巖效果的影響。2009 年利用 LS-DYNA 建立了雙粒子沖擊模型，提出取粒子直徑為 0.8-1個基準，粒子間距為 0.25 個左右的基準直徑、沖擊速度大約在每秒 32000-40000 個基準直徑時，效果最佳。

2011年中國工程物理研究院和西南石油大學，以四川花崗巖為靶體，使用直徑為3mm-9.5mm 多種尺寸的粒子，利用空氣炮展開破巖試驗。利用井底模式掃描分析系統獲取彈坑特性，提出粒子直徑為5.5mm，沖擊速度為 180m/s 破巖效果較為理想。2012年況雨春等人提出為方便攜帶出井底粒子，沖擊后粒子嵌入巖石深度不宜超過粒子直徑的50%。

2.中國石油大學(華東)。徐依吉等人將圍壓作用簡化為巖石內部的預應力效應，利用 LS-DYNA 模擬粒子沖擊破巖的三維模型，對比了巖石在有無圍壓作用下破巖效果的差別，提出最優粒子沖擊速度為150m/s。

2012年3月，徐依吉等人提出粒子分級裝置，理論上完成了可利用粒子與嚴重磨損粒子的分離問題。并于 2013 年 1 月，徐依吉提出粒子回收系統的整體裝置三維實體模型。

2012年1月，中石油(華東)借鑒了 PDTI 公司的二代離子注入系統，采用兩套注入系統交替注入粒子和排出粒子過程，通過自動控制中心控制粒子注入螺桿擠壓泵，設計了新型粒子注入系統。

2013年1月中石油(華東)和川慶鉆探鉆采工程技術研究院，共同提出了雙柱塞式粒子注入系統。

三、自吸式射流的工作原理

模擬壓力場分布如圖所示。分析圖可以發現，壓力場可分為4個區:上噴嘴出口低壓1區，中心汽化低壓2區，邊界負壓3區和碰撞高壓4區。其中最關鍵的是 2 區，該區會形成一對壓力和大小呈周期性變化的渦環，對軸心處的射流中心形成周期性阻尼，在出口處產生流速脈動，同時該負壓區保證了環空流體的引入。1區是由于中心渦環在腔室下游形成負壓區，導致上噴嘴出口流速急劇上升，同時射流的加速促進了低壓渦環的形成。

圖3.1 壓力分布

四、面臨問題

粒子射流過程中，粒子混合不夠均勻、持續。可能造成如井眼損傷、側鉆、落魚、跟管鉆進等問題。鉆頭壽命短、穩定性差、設備投入大、系統復雜、管線磨蝕嚴重等問題。

只是對粒子直徑、射流粒子密度、圍壓、泵壓和噴嘴流道形狀、噴射方向、噴嘴流道分布進行深入的研究，對振蕩腔的結構有很少的研究。

五、研究目的與意義

(一)目的。在鉆井過程中，深井地層硬度及鉆井難度不斷增大，因此如何提升硬地層的鉆速成為公認的世界性難題之一。在深井、硬地層的鉆進過程中，國內外油田都存在普遍性的鉆速慢、鉆具使用壽命短、鉆井周期過長、鉆井成本過高等一系列難題，影響著勘探及開發整體經濟效益，由此深井、硬地層高效鉆井新方法的研究成為油氣鉆探重要的研究方向，并對地層油氣資源的高效獲取具有重要的作用。

(二)意義。目前在研究粒子射流破碎物料的物理本質方面，一直進展緩慢，而且在應用粒子射流提高破巖效率和鉆井速度方面，我們國家的研究還處于剛剛起步階段。

因此深化對自吸式射流鉆井的理論深入的研究，通過對振蕩腔結構的研究與設計，從而改變流體的脈動狀態、流速，粒子的分散程度、的密度，從而對其破巖速度、高效鉆井有重要意義。

李世昌(1992-)，男，碩士研究生，東北石油大學，研究方向：油氣井方向。