粒子冲击钻井系统设计及室内试验研究.docx

石油机械

—18—CHINAPETROLEUMMACHINERY2011年第39卷第12期

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?钻井新技术?

粒子冲击钻井系统设计及室内试验研究

孙浩玉1,2温林荣2

(1.中国石油大学(华东)机电工程学院2.胜利石油管理局钻井工艺研究院)

摘要粒子冲击钻井是一种可方便用于常规钻机的钻井新技术，特别适用于那些由于具有极高的抗压强度而导致机械钻速降低的地方。根据国内现有钻井设备与技术条件，结合川东北南方海相“难钻”地层岩性特性，开展了粒子冲击钻井系统研究与设计工作，在粒子冲击钻井专用工具、粒子注入及回收系统设计和破岩机理等方面取得了重要进展，初步形成一套粒子冲击钻井技术方案。室内样机试验表明，设计的粒子冲击钻井系统方案可行，为该技术的进一步研究及应用打下了基础，也为国内硬地层钻井速度的进一步提高提供了一种全新的思路和办法。

关键词粒子冲击钻井系统设计试验研究

0引言

粒子冲击钻井是一种可方便用于常规钻机的钻井新技术，特别适用于那些由于具有极高的抗压强度而导致机械钻速降低的地层。

随着全球范围内钻井技术的不断发展，受各国石油公司竭力发现新储层迫切性的驱使，国外深井和超深井数量与日俱增。近几年来，国内深井和超深井的数量也逐年增加。深井和超深井施工难度主要包括缺乏邻井资料、不可预见因素太多、地层压力多变、高温高压、高密度高粘度高固相含量、井身结构复杂、需钻穿异常复杂的地质构造、钻机载荷和钻具载荷增大、水力参数选择严重受限，因此作业投资大、风险高，往往会使钻井复杂化或事故频发，导致施工周期延长和成本严重超支，甚至出现井眼报废。其中机械钻速过低是制约深井、超深井实现优快钻井的主要因素之一。由于深部地层一般埋藏年代久远、埋藏深度大和压实作用强，通常情况下地层具有强度高、可钻性差和研磨性强等特点。尽管空气钻井可以极大地提高此类地层的机械钻速，但由于存在井下燃爆、钻具事故高和泥环卡钻等潜在危险，而且在地层出水、出气达到一定程度时，便只能转换为其他欠平衡钻井方式或改为常

规钻井，也就是说，空气钻井不能单独解决所有坚硬地层的“难钻”问题。最近国外出现的粒子冲击钻井技术可以弥补这一不足。据有关资料报道，该粒子冲击钻井技术已进行了5口井的现场试验，试验井的机械钻速达到了邻井常规钻井的2~4倍，这无疑对进一步提高深井和超深井的钻井速度，降低钻井成本，缩短钻井液对不稳定层的浸泡时间，减少钻柱对技术套管的磨损，弥补空气钻井的缺陷，都具有十分重要的意义1。

胜利油田在国家863计划项目及中石化集团公司的共同支持下，根据国内现有钻井设备与技术条件，结合川东北南方海相“难钻”地层岩性特点，开展了粒子冲击钻井系统研究与设计工作，在粒子冲击钻井专用工具、粒子注入及回收系统设计和破岩机理等方面取得了重要进展2],为该技术进一步研究及应用打下了一定的基础。

1粒子钻井系统的设计

粒子钻井技术依靠水力能量和钻井液携带的圆形坚硬钢颗粒的联合作用快速破碎岩层。与常规钻井技术不同，这一过程不靠钻压和扭矩实现机械破岩，钢颗粒的加人点位于钻井泵与立管之间，因而不影响钻井泵的正常操作，这些粒子沿钻柱下行并

*基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)项目“超深井钻井技术”的子课题“超深井新型高效破岩工具及配套技术研究”(2006AA06A109-3)。

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在专门设计加工的具有固定切削刀翼钻头的喷嘴处得以加速，然后以极高的速度冲击地层。之后，钢颗粒和钻屑由钻井液循环到地面，并采用粒子俘获装置将钢颗粒分离出来以便再次注入循环的钻井液中。与常规钻井技术相比，粒子钻井系统的特殊性主要体现在粒子的加入、钻头和粒子的回收3个方面。下面就这3个方面所做工作进行简要介绍。

1.1PID钻头设计

PID钻头主要由螺纹接头、钻头体、保径齿、冲击齿、喷嘴和辅助齿等组成，结构如图1所示。

图1PID钻头结构图

1—螺纹接头；2—钻头体；3—保径齿；4-辅助齿；5—喷嘴；6—冲击齿。

PID钻头工作状态的受力是由喷嘴的反推力、冲击齿冲击力和辅助齿受的反扭矩共同作用形成，因此要对PID钻头的结构参数和齿的布局进行合理设计。

1.1.1钻头体在井底的位置参数设计

钻头外径按215.9mm(8%in)设计，因此上端连接螺纹REG4%2in已经确定，标准螺纹长106mm。设计PID钻头在地层中的状态如图2所示