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石油机械
—8—CHINAPETROLEUMMACHINERY2010年第38卷第5期
—8—
?专题研究?
粒子冲击钻井系统研究初探
陈熹璆张杨温荣林
(北京化工大学机电工程学院)
摘要介绍了粒子冲击钻井系统的原理及优势,并对美国ParticleDrillingTechnologies,Inc.粒子冲击钻井系统的相关技术和现场试验情况做了论述,结合国内的研究成果,阐述了粒子冲击钻井系统的3大组成部分:粒子冲击钻井钻头、粒子注入系统和粒子回收处理系统的组成及其相应的工艺流程。粒子冲击钻井系统及相关项目的研究,为国内深井、超深井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钻头注入系统处理系统
钻井工艺中提高在坚硬地层中的机械钻速,摆脱其带来的钻头使用寿命短、作业成本高、周期长以及井斜等问题一直是钻井技术人员所追求的。随着国内深井、超深井数量的增加,这一问题的解决变得更为迫切。粒子冲击钻井正是为了实现上述追求而开发的一种新型钻井技术。该技术配套的粒子冲击钻井系统就是依赖钻井液的水力能量与其携带的圆形坚硬钢颗粒的联合作用来快速破碎岩层。与常规钻井技术不同,这一过程不是靠钻压和扭矩实现机械破岩,而是通过粒子注入系统在钻井泵与立管之间将粒子加入钻井液中,使其沿钻柱下行,并在专门设计加工的具有特制切削刃钻头的喷嘴处得以加速,以极高的速度冲击地层,产生高应力,使得岩层破碎。岩层破碎之后,钢颗粒和钻屑通过钻井液循环到地面,之后通过粒子回收装置将钢颗粒分离出来,以便再次注入循环的钻井液中。国外的试验表明,粒子钻井装置较传统钻井技术的钻进速度快3~5倍,大大缩短了操作时间,节省了人力、燃料、租金以及其他钻井消耗-4]。
1国外粒子冲击钻井系统研究现状
粒子冲击钻井系统由美国ParticleDrillingTechnologies,Inc.2003年开始独立研发,2005年开始在他们的实验室和斯伦贝谢的实验室先后进行了12次全尺寸试验,2006年5月在美国犹他州和
东得克萨斯州成功地进行了粒子冲击钻井系统与钻机配置并连接[21,已先后完成了5口井的现场试验。2007年4月设计并建立了一套全新的粒子注入方法。
2008年,该公司利用粒子冲击钻井系统进行了5口井的现场试验,其中1次是在北美地区硬度最高、研磨性最强的TravisPeak地层进行的。在深度为335.28m的地下,粒子冲击钻井系统钻穿厚度为36.58m的硬质岩层仅用了8h,而常规钻井则需要24h才能完成,粒子钻井所用时间是常规钻井的?S,试验井的机械钻速达到了邻井常规钻井的2~4倍。试验结果表明,粒子冲击钻井系统一方面能够有效提高深层研磨性极高的极硬地层的机械钻速,另一方面可以解决空气钻井无法适应的那些坚硬地层的快速钻进问题。因此,有必要对此项钻井新技术进行研究,为该技术最终应用于国内深井、超深井钻井奠定良好的基础。
2我国粒子冲击钻井系统研究状况
粒子冲击钻井系统在我国是首次研发。目前由中国石化集团胜利石油管理局钻井工艺研究院与北京化工大学等单位组成的项目组正在进行合作攻关。按功能划分,粒子冲击钻井系统可分为3大部分:粒子冲击钻井钻头、粒子注入系统和粒子回收处理系统。
*北京化工大学与中国石化集团胜利石油管理局钻井工艺研究院合作项目“粒子冲击钻井注入和回收系统技术研究”(H2009158)。
2010年第38卷第5期陈熹璆等:粒子冲击钻井系统研究初探—9—
2.1粒子冲击钻井钻头
粒子冲击钻井钻头在井下的作用是将圆形颗粒加速到足以冲击其挖掘所在岩层。钻头的喷嘴以及钻头的几何形状被设计成可以形成特定的切削模式,如图1所示[5]。钻井液中的粒子在钻头中经特别设计的喷嘴而加速,使它们以大于4×10?次/min的粒度冲击硬质岩层[6]。经过无数粒子的冲击作用,岩层形成一个由于深处的应力而保留下来的岩环。这时,仅需钻头上存在一定角度的平面对岩环持续施加234.43~694.28N的压力,就能在岩环中产生扩张应力,使它破碎为弹子大小的碎岩。这些碎岩与粒子、其他碎屑由钻头前部很大的返屑槽进入环空,与循环钻井液一同返出井眼S]。
图1粒子冲击钻井钻头工作示意图
2.2粒子注入系统
粒子注入系统的任务是将直径为2.5mm的钢制粒子注入到压力为25MPa左右的钻井液中,钢颗粒的加入点位于钻井泵与立管之间,粒子钻井液通过钻
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