自吸式粒子射流钻井工具

李世昌

(东北石油大学 黑龙江 大庆 163318)

自吸式粒子射流钻井工具

李世昌

(东北石油大学 黑龙江 大庆 163318)

一、研究背景

随着我们国家浅层油气资源的不断枯竭，使得目前的油气勘探及开发的重心向着深部坚硬地层以及复杂地质条件下油气田的方向转移。在钻井过程中，深井地层硬度及钻井难度不断增大，因此如何提升硬地层的钻速成为公认的世界性难题之一。在深井、硬地层的钻进过程中，国内外油田都存在普遍性的钻速慢、钻具使用寿命短、钻井周期过长、钻井成本过高等一系列难题，影响着勘探及开发整体经济效益，由此深井、硬地层高效钻井新方法的研究成为油气钻探重要的研究方向，并对地层油气资源的高效获取具有重要的作用。

发展井底自吸式脉冲粒子射流钻井技术，即以石油钻探破碎地层生成的大量岩屑当作磨料粒子介质，利用吸入工具，直接将部分岩屑在井底引入钻柱内部，与钻井液混合后，经钻头喷嘴高速喷出，形成的岩屑粒子射流作用于井底地层，同时，为使射流作用效果更好，可通过适当的水力结构，调制岩屑粒子射流的脉动性能，改善钻头与井底附近岩石的受力状况，强化岩屑的启动和净化，以及利用岩屑粒子射流的冲击研磨协同作用，进行破岩、辅助破岩，钻井速度有效提高。

二、国内外研究现状

(一)国外研究现状。自2002年粒子冲击钻井技术首次提出后，以美国粒子冲击钻井PIDT(Particle Impact Drilling Technology)公司为首的科研人员，针对粒子射流冲击破岩技术，完成了以下内容的研究工作，如表2-1 中所示。

表2-1 国外粒子射流冲击钻井技术

ProDrill Services Inc.(PSI)于2003 年在落基山油田测试中心研制了粒子射流冲击钻井系统，2004年一月PIDT公司获得此项创新技术的知识产权，并开展了研究。2005年，在盐湖城Terra Tek的钻井完井实验室，PIDT公司首次试验了自己设计的两种新型的粒子射流冲击钻井PID钻头。模拟试验环境采用实际钻井工程中使用的钻压和扭矩，利用真实的泥浆形成的水力流场，泥浆中掺入尺寸为0.1英寸(约2.5mm)体积浓度为2-3%的钢粒子，进行了11次全尺寸模拟井下工况的试验。试验中粒子喷出速度大约为150m/s，喷出频率超过400万次/min。试验持续7天多，多次试验证明，常规钻头需要的钻压大约90kN～270kN的地层，粒子射流冲击钻井大约需要20kN～45kN钻压，大大降低了施加在钻头上的压力，有效地压缩了钻井的实际成本。同时该试验中选用了排量不同的两种PID钻头，试验证明，相对于小排量PID钻头，大排量钻头效果更为理想。然而，无论是大排量还是小排量PID钻头，仍然存在诸多地方需要改进和完善。

(二)国内研究现状。国内外创新破岩技术蓬勃发展，但粒子射流冲击钻井技术的巨大潜力，吸引了众多专家学者的重视，纷纷展开研究工作。归纳其研究成果主要集中在破岩机理、粒子注入系统、粒子回收处理系统、流场模拟等内容。

1.西南石油大学。2008 年，伍开松等人应用一维应力波基本理论和冲击动力学有限元分析软件IDFEM 研究了单个粒子冲击破岩的规律，提出粒子入射角度、直径和冲击速度对破岩效果的影响。2009 年利用 LS-DYNA 建立了双粒子冲击模型，提出取粒子直径为 0.8-1个基准，粒子间距为 0.25 个左右的基准直径、冲击速度大约在每秒 32000-40000 个基准直径时，效果最佳。

2011年中国工程物理研究院和西南石油大学，以四川花岗岩为靶体，使用直径为3mm-9.5mm 多种尺寸的粒子，利用空气炮展开破岩试验。利用井底模式扫描分析系统获取弹坑特性，提出粒子直径为5.5mm，冲击速度为 180m/s 破岩效果较为理想。2012年况雨春等人提出为方便携带出井底粒子，冲击后粒子嵌入岩石深度不宜超过粒子直径的50%。

2.中国石油大学(华东)。徐依吉等人将围压作用简化为岩石内部的预应力效应，利用 LS-DYNA 模拟粒子冲击破岩的三维模型，对比了岩石在有无围压作用下破岩效果的差别，提出最优粒子冲击速度为150m/s。

2012年3月，徐依吉等人提出粒子分级装置，理论上完成了可利用粒子与严重磨损粒子的分离问题。并于 2013 年 1 月，徐依吉提出粒子回收系统的整体装置三维实体模型。

2012年1月，中石油(华东)借鉴了 PDTI 公司的二代离子注入系统，采用两套注入系统交替注入粒子和排出粒子过程，通过自动控制中心控制粒子注入螺杆挤压泵，设计了新型粒子注入系统。

2013年1月中石油(华东)和川庆钻探钻采工程技术研究院，共同提出了双柱塞式粒子注入系统。

三、自吸式射流的工作原理

模拟压力场分布如图所示。分析图可以发现，压力场可分为4个区:上喷嘴出口低压1区，中心汽化低压2区，边界负压3区和碰撞高压4区。其中最关键的是 2 区，该区会形成一对压力和大小呈周期性变化的涡环，对轴心处的射流中心形成周期性阻尼，在出口处产生流速脉动，同时该负压区保证了环空流体的引入。1区是由于中心涡环在腔室下游形成负压区，导致上喷嘴出口流速急剧上升，同时射流的加速促进了低压涡环的形成。

图3.1 压力分布

四、面临问题

粒子射流过程中，粒子混合不够均匀、持续。可能造成如井眼损伤、侧钻、落鱼、跟管钻进等问题。钻头寿命短、稳定性差、设备投入大、系统复杂、管线磨蚀严重等问题。

只是对粒子直径、射流粒子密度、围压、泵压和喷嘴流道形状、喷射方向、喷嘴流道分布进行深入的研究，对振荡腔的结构有很少的研究。

五、研究目的与意义

(一)目的。在钻井过程中，深井地层硬度及钻井难度不断增大，因此如何提升硬地层的钻速成为公认的世界性难题之一。在深井、硬地层的钻进过程中，国内外油田都存在普遍性的钻速慢、钻具使用寿命短、钻井周期过长、钻井成本过高等一系列难题，影响着勘探及开发整体经济效益，由此深井、硬地层高效钻井新方法的研究成为油气钻探重要的研究方向，并对地层油气资源的高效获取具有重要的作用。

(二)意义。目前在研究粒子射流破碎物料的物理本质方面，一直进展缓慢，而且在应用粒子射流提高破岩效率和钻井速度方面，我们国家的研究还处于刚刚起步阶段。

因此深化对自吸式射流钻井的理论深入的研究，通过对振荡腔结构的研究与设计，从而改变流体的脉动状态、流速，粒子的分散程度、的密度，从而对其破岩速度、高效钻井有重要意义。

李世昌(1992-)，男，硕士研究生，东北石油大学，研究方向：油气井方向。