粒子冲击钻井技术基础理论和试验研究.pdf

石 油 机 械 2011年 第39卷 增刊 CHINA PETROLEUM MACHINERY 试验研究 粒子冲击钻井技术基础理论及试验研究 蒋海军 况雨春 朱志镨 伍开松 王 勤 (1．中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院 2．西南石油大学机电工程学院 ) 摘要 粒子冲击钻井是以高速球形硬质钢粒子冲击破岩为主，以高速水力破岩和机械牙齿破 岩为辅的钻进硬地层的一种高效钻井工艺。该工艺是在钻井液中增加一定质量的钢粒子，利用粒 子的冲击破岩作用，提高在硬地层或者硬夹层的钻井效率。介绍了粒子冲击钻井技术涉及的理论 及试验研究，分析了硬地层的岩石动态本构关系，确定岩石模型的选择和建立。利用有限元软件 ANSYS／LS—DYNA建立物理模型模拟粒子破岩过程 ，对比试验数据和仿真结果，总结了粒子冲击 钻井破岩规律。粒子冲击钻井技术为解决硬地层钻井速度慢、钻井周期长和钻井成本高等难题提 供了新思路，为近期页岩气的勘察和开发提供一种新的钻井方法，该技术在非常规油气勘探和开 发中具有广阔的应用前景。 关键词 页岩气 冲击动力学 粒子冲击钻井 岩石本构关系 子冲击钻井改变了常规破岩的方法，采用体积破碎 0 引 言 方式，提高了能量的利用率。目前 ，我国正在大力 发展高效清洁能源——天然气，随着我国经济的高 我国大部分区块 由于早期对中浅部地层油气资 速发展，非常规能源页岩气的开发已经被重多资本 源的钻探开发，现在油 田普遍进入开采 的中后 推上前台。从我国最先开放的区块来看，首个勘测 (枯竭)期，而我国存在着丰富的深层油气资源， 井位于重庆地区。由于造山运动的作用，使此地区 尤其是深部致密岩层页岩气、砂岩气等资源。随着 山前构造带也存在着硬地层和硬夹层，所以提高粒 钻井深度的不断增加，钻井过程中地层温度和液柱 子钻井技术的水平，对非常规能源的前期勘察和后 压力逐渐变大，导致岩石强度、可钻性和硬度等发 期开发都具有重要意义。 生明显的改变，以及高研磨地层等因素导致常规钻 笔者以粒子冲击破岩技术的基础理论研究为 井技术效率大大降低。 主，通过冲击动力学、岩石破碎学和弹丸侵彻等方 为了解决在勘探和开发中所遇到的难题——硬 面的探讨，结合理论和试验数据的分析，阐述了粒 地层或硬夹层、高研磨地层，粒子冲击钻井技术应 子冲击破岩研究的重点和难点。 运而生，且经过室内和现场试验证实了其破碎硬地 层的高效性 ¨J。粒子冲击钻井技术在钻井过程中 1 粒子冲击钻井技术概况 为实现破岩，应使粒子以较高的频率和速度从喷嘴 喷出并冲击地层，达到破碎岩石的效果，并由钻井 粒子冲击钻井是以高速球形硬质钢粒子冲击破 液携带其返 回井 口，再将其捕获和分离再利用 。通 岩为主，联合高速水力破岩和机械牙齿破岩为辅的 过室内试验与现场试验 ，证实粒子冲击钻井能够较 一 种新的钻井破岩方法，可用于钻探某些特殊岩层 大程度地提高能量的利用率，其钻井速度是常规钻 段，特别是因抗压强度极高而造成钻速下降的硬地 井速度的2～4倍 ，在硬夹层钻进 1口井可节省 层。该钻井方式改变了切削地层的方法，提高了能 30％的钻井时间，节省上百万美元的钻井费用。粒 量的利用率。对于极硬的岩石，钢弹的破岩比功要 基金项 目：国家自然科学基金项 目 “亚弹速钢粒子冲击破岩机理研究”；国家科技重大专项 “低渗气藏特殊复杂地层高 效钻井关键技术”(2010ZX05022—005—006HZ)。