摘 要

摘　要：粒子沖擊鉆井技術作為高效破巖的前沿技術，有望成為一項解決高研磨性地層鉆井速度慢的新型破巖技術，先導性試驗評價是理論研究成果進入工業化應用階段之前不可或缺的重要

摘　要：粒子沖擊鉆井技術作為高效破巖的前沿技術，有望成為一項解決高研磨性地層鉆井速度慢的新型破巖技術，先導性試驗評價是理論研究成果進入工業化應用階段之前不可或缺的重要環節。為此，開展了粒子射流沖擊破碎大理巖的室內實驗，在粒子射流速度大于100m／s，沖擊頻率約為500萬次／min的實驗條件下，粒子射流的破巖體積是水射流破巖體積的3～4倍。進而設計了粒子鉆井的工藝流程，研制出與之配套的粒子注入系統、粒子沖擊鉆頭及粒子回收系統，其中關鍵設備高壓粒子罐工作壓力為30MPa，磁選機的處理量介于70～120m³／h，渣漿泵排量為65m³／h，滿足了粒子鉆進的安全均勻注入與粒子高效的回收。在四川盆地龍崗氣田022-H7井的上三疊統須家河組高研磨性的砂巖地層中成功地開展了第1次現場試驗，試驗井段比該井上部井段的機械鉆速提高了92.7％，表明該技術在提高鉆井速度方面具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：硬地層  破巖模擬  室內實驗  結構設計  現場試驗  加長噴嘴  磁選機  粒子沖擊  鉆頭

A theoretical study and field test of the particle impact drilling technology

Abstract：The advanced particle impact drilling(PID)technology is expected to become a new rock breaking technology to enhance the rate of penetration(ROP)in high abrasive strata．Pilot test evaluation is very important for putting the theoretical result into in dustrial application．For this purpose，we carried out a series of laboratory experiments for particle jet impacting and breaking marbles with a particle jet velocity of 100 m／s and a breaking frequency of about 5 million times per minute．The resulis showed that the rock breaking volume by a particle jet is 3 to 4 times that by a water jet under the identical conditions．On this basis，we designed the PID technical process and developed the ancillary facilities，including a particle injection system，an impacting bit，and a particle recycle system．The key devices of this technology include a high pressure particle storage tank with a working Pressure of 30MPa,A magnetic separator with a handling capacity of 70-120m³／h，and a slurry pump with a delivery capacity of 65 m3／h．With those devices，particles can be safely injected and recycled efficiently in the drilling process．The new designed system was successfullv applied in a field test in the high abrasive sandstone beds in the Upper Triassic Xuj iahe Fm in Well LG 022-H7 in ttle Sichuan Basin，in which the ROP was increased by 92.7％at test interval compared with．the upper intervals，enhancing the ROP greatly in a drilling process．

Keywords：hard formation，rock breaking simulation，laboratory experiment，structure design，field test，lengthened nozzle，magnetic separator，particle impacting bit

隨著油氣需求量的增加和開采強度的不斷加大，淺部油氣資源日益減少，深部石油資源勘探將是我國未來油氣工作的重點之一。針對深井硬地層中存在的地層研磨性高、易井斜、鉆井速度慢、成本高的問題，根據射彈沖擊的理論，提出了粒子沖擊高效破巖的鉆井方法^[1-3]。該技術是在常規鉆井的基礎上，在地面鉆井管匯中增加了一套粒子注入系統，將鋼質粒子添加進入高壓鉆井地面管匯的鉆井液中，經鉆井液攜帶從粒子沖擊鉆頭噴嘴高速射出、沖擊巖石，實現了鉆井的高效破巖，提高了鉆井的機械鉆速。沖擊井底巖石后的粒子由鉆井液的攜帶到達井口，再通過粒子回收系統將粒子和巖屑分開，回收后的粒子可以重復利用^[4-6]。粒子鉆井系統主要包括3大部分，粒子注入系統，粒子回收系統和粒子沖擊鉆頭，該項研究開展了粒子沖擊破巖的模擬與實驗，分析了粒子沖擊破巖的過程，研制出了粒子沖擊鉆井系統，在現場開展了成功試驗。

1　粒子沖擊破巖的模擬與實驗

1．1　粒子沖擊破巖分析

粒子沖擊破碎巖石是一個連續的，累計的結果。當高速的粒子沖擊到巖石的表面后，首先從巖石表面有缺陷的地方發生巖石的破碎，赫茲裂紋開始產生。當粒子沖擊的接觸應力逐漸地增加到某一個值(和材料的強度有關)，接觸表面下方附近的巖石會產生彈塑性變形，隨著粒子的繼續侵入，接觸應力繼續增加，當粒子沖擊在巖石內部產生的拉應力和剪應力大于巖石的抗拉和抗剪強度后，裂紋開始產生(圖1)，隨著裂紋的逐漸擴展，巖石開始出現大體積的破碎^[7]。

 

粒子沖擊破巖過程非常復雜，影響到粒子沖擊破巖的參數主要有3個：粒子的性質，包括粒子的形狀、尺寸、硬度等；巖石的性質，包括巖石的硬度、韌性等；環境參數，包括沖擊速度、沖擊角度、淹沒非淹沒等^[8-9]。該文進行的粒子沖擊破巖研究，采用的是淹沒條件下鋼質球形粒子沖擊硬度較大的脆性巖石，鋼質粒子的硬度要比巖石的硬度大很多。粒子沖擊能夠高效破巖的原因有：硬地層巖石接觸面積小，粒子沖擊作用的時間短、接觸的應力大，而且沖擊的頻率高。粒子鉆井過程中，粒子以100m／s以上的速度沖擊巖石，粒子含量為2％時，粒子沖擊的頻率約為500萬次／min。

1．2　粒子沖擊破巖數值模擬

粒子沖擊破巖的過程可用通過數值模擬的方法來得到^[10]，應用LS-DYNA有限元的分析方法，模擬粒子沖擊破碎巖石的過程，巖石的控制方法為拉格朗日法，巖石的單元結構為六節點八面體。粒子和巖石的接觸方式為面面接觸。為了能夠更加準確地模擬脆性巖石在硬質顆粒高速沖擊下的材料的損傷過程，應用的巖石時HJC模型，粒子采用的剛性的Rigid模型(圖2)。

 

模擬條件：粒子的直徑為1mm，粒子的入射速度為150m／s，當粒子沖擊到巖石的表面后，隨著粒子的不斷侵入，巖石開始發生彈塑性變形，粒子繼續侵入時，粒子和巖石的接觸應力不斷增大。模擬的結果顯示粒子沖擊過程中產生的最大拉應力為57MPa，而硬巖石的抗拉強度約為15MPa，產生的最大剪應力為125MPa，而硬巖石的抗剪強度約為20MPa，產生的最大壓應力為315MPa，而硬巖石的抗壓強度約為170MPa。這樣巖石受到的拉壓和剪應力，都遠大于巖石的強度極限。因此巖石會發生破碎。

1．3　粒子沖擊破巖室內實驗

為了能夠驗證粒子沖擊破巖的效果，并且為鉆頭設計和現場試驗提供依據^[11]，開展了粒子沖擊破巖的室內實驗。實驗高壓泵的最大壓力為200MPa，最大排量為100L／min。粒子射流噴距調節范同0～50cm，粒子入射角度在0°～80°，巖石為大理石。在實驗的過程中，首先從高壓泵迸出的高壓流體，通過高壓管線后，粒子和高速流體混合，從噴嘴噴出沖擊破碎巖石。

實驗巖性為大理石，鋼粒的直徑為1mm，實驗壓力為0～50MPa。利用水射流的和粒子射流分別沖擊破碎巖石后，在相同的射流壓力下，粒子射流破巖的破巖體積為水射流破巖體積的3～4倍(圖3)，而且粒子射流破巖的門限壓力要小于水射流門限壓力的2～3倍。

 

2　粒子注入系統的設計與研制

粒子沖擊鉆井注入系統的功能就是將粒子注入泥漿泵泵出的高壓鉆井液中，實現粒子在鉆井液中的均勻分布。粒子沖擊鉆井注入系統主要有2項關鍵技術^[12]：①粒子的高壓注入。通過設計30MPa的高壓粒子罐，實現鉆井地面高壓粒子的注入。②粒子的均勻穩定注入。利用高壓螺桿泵，保證了粒子注入速度的穩定。

2．1　高壓粒子罐研制

高壓粒子注入罐是粒子注入系統的關鍵，耐壓值為30MPa，為高壓容器。因此在設計過程中，在保證功能的前提下，更要保證高壓粒子罐的工作安全。其設計過程如下。

1)確定工作壓力，最高工作壓力30MPa，設計壓力31.5MPa。

2)確定工作體積，設計容量為2m³，并設計筒體內徑為1000mm；鉆井液中粒子的含量為1％時，高壓罐中的粒子工作達到2h。

3)材料的選用，使用Q345b鋼板，抗拉強度為490～675MPa，屈服強度大于345MPa。

4)高壓罐體壁厚的確定，應用高壓容器中徑計算公式：

 

式中pc為設計壓力，MPa；Di為簡體設計壁厚，mm；[s]¢為設計溫度下材料的許用應力，MPa；西為焊縫系數，無量綱。將已知參數代入公式(1)中，計算的壁厚(d)為104.3mm，實際使用壁厚120mm>104.3mm，滿足強度要求。

5)高壓罐半球形封頭壁厚公式：

 

將已知參數代入式(2)中，計算半封體的壁厚為52.6mm，實際使用壁厚120mm>52.6mm，滿足強度要求。

2．2　高壓螺桿泵的研制

高壓螺桿泵的功能就是在高壓下保證粒子的均勻和穩定注入。首先粒子的注入要穩定而日．要保證一定的注入速率，高壓螺桿泵首先密封要好，而且在保證達到設計注入速度的前提下，滿足強度要求。

根據固體輸送理論，高壓粒子輸送的運動分析依據以下基本假設：

①加入的物料在固體輸送區已經形成壓實的固體塞，充滿于整個螺槽，固體塞密度不變；②固體塞所受壓力僅沿著螺槽方向有變化；③忽略螺葉頂端與機筒內壁的間隙；④螺槽為等距等深的矩形螺槽；⑤重力影響不計；⑥粒子的壓力在螺槽流道內等壓。

根據固體輸送理論，當螺桿旋轉機筒靜止時，其同體輸送段的體積流速為：

 

式中Q為體積流速，mm³／min；Db為螺桿直徑，mm；n為螺桿轉速，r／min；H1為螺槽深度，mm；q為輸送角，rad；fb為螺旋升角，rad；`W為平均螺槽寬度，mm；e為螺棱寬度，mm。

根據輸送量要求，初步設定螺桿外徑為250mm，螺槽深度為25mm，輸送角為0.567rad，螺旋升角為0.349rad，平均螺槽寬度為60mm，螺棱寬度為20mm，粒子流量Q為0.9L／s，螺桿的長徑比取5，螺桿長度為1250mm。由公式(3)計算得到螺桿轉速為85r／min，取螺桿轉速為90r／min。

3　粒子回收系統的設計與研制

粒子回收系統的功能就是將從井口返出來的粒子和巖屑分開，實現粒子的存儲和循環利用。主要包括磁選機、脫磁器、振動篩、渣漿泵、泥漿罐和粒子儲罐。粒子回收系統的2個主要關鍵技術為：①粒子和巖屑的分離，利用磁選機，通過磁性分離的原理進行粒子和巖屑的分離；②粒子和巖屑的攜帶，利用渣漿泵結合射流混漿漏斗進行粒子和巖屑的攜帶。

3．1　磁選機的研制

粒子鉆井設備包括2個渣漿泵，每個渣漿泵的排量為60m³／h。2個渣漿泵輸送的液體要經過磁選機的處理。所以磁選機處理液體的排量為120m³／h，回收粒子的量為1.8m³／h。

磁選機設計需要選擇一個最佳的磁選機轉速。室內實驗結果表明，當流體進入磁選機的體積流量為2L／s，磁選機滾筒轉速250r／min時，磁選機接料口可以得到干凈的粒子，此時磁選機的回收效率為99.58％。根據公式：

c＝2pR    　　　　　(4)

式中c為滾筒轉速，r／min；R滾筒半徑，m。

代入數據得滾筒半徑為0.145m，則滾筒的直徑為290mm，磁鼓的線速度為228.6m／min。設汁的磁選機滾筒直徑為900mm，滾筒最大轉速為40r／min。磁選機的性能參數如表1所示。

 

3．2　渣漿泵的研制

本次設計的粒子輸送方式，采用流體介質輸送。由于流體中含有1～3mm的鋼粒。因此選用渣漿泵作為輸送粒子的動力來源。已知渣漿泵能夠輸送的固液混合物最大重量濃度：灰漿45％，礦漿60％，能夠輸送粒子的最大重量濃度為30％。

在將粒子輸送到高壓罐的過程中，需要盡量的縮短上料的時間。已知高壓罐的容積為2m³，通過如下公式：

 

式中rp為粒子的堆積密度，g／cm³；Vp為粒子注入流量，m³／h；rn為流體的密度，g／cm³；Q為流體的流量，m³／h；C為重量濃度，無量綱。

將rp＝4.8g／cm³、Vp＝6m³／h、rn＝1.1g／cm³、C＝30％代入公式(5)得到：Q＝61m³／h。實際使用的渣漿泵的排量為65m³／h。性能參數如表2所示。

 

4　粒子沖擊鉆頭的設計與研制

粒子沖擊鉆頭在沒計的過程中，要依靠高速噴出的粒子來高效破碎巖石，而且要避免粒子對于鉆頭基體的磨損。研制的適用于四川盆地上三疊統須家河地層的粒子沖擊鉆頭，為Æ215.9mm加長噴嘴牙輪鉆頭，通過采用加長耐磨噴嘴，提高了粒子沖擊破巖的效率。而且內腔室進行了調整且加強關鍵部位的表面處理，以達到優化流道，加強耐磨性的目的^［13］。

加強鉆頭內流道的耐磨性，同時改善粒子在內流道里的流動情況，可以從兩方面入手：①改變內流道形狀，減輕空蝕磨損；②對磨損嚴重的地方進行表面處理，加強耐磨性。粒子沖擊鉆頭噴嘴采用的主要是電鍍金剛石方法。粒子沖擊加長噴嘴牙輪鉆頭采用了雙噴嘴組合，第三個噴嘴則用盲眼噴嘴堵上。盲眼噴嘴根據牙輪鉆頭上噴嘴的尺寸，用卡簧固定安裝在鉆頭上。研制出的粒子沖擊加長噴嘴牙輪鉆頭(圖4)。

 

5　粒子鉆井系統現場試驗

5．1　現場試驗方案

5．1．1井眼與地層條件

鉆井目的層為四川盆地龍崗氣田的須家河組，井眼直徑為215.9mm，直井段。試驗井深為起始井深2843m；鉆井液密度為1.81g／cm³；泵壓為19.7MPa；排量為26L／s；鉆壓為l80～200kN；扭矩為5～5.5kN；鉆頭為Æ215.9mm加長噴嘴牙輪鉆頭。

5．1．2試驗流程

粒子鉆井時，確保閥門4、5、6、7保持關閉狀態，然后打開高壓閥門組的閥門2，待穩定運行10min以后，打開閥門5給高壓罐慢慢加壓，待壓力穩定以后，再打開閥門4和3，穩定10min，最后關閉閥門1，此時注入系統與整個鉆井系統串聯，擁有一個共同的壓力系統。當需要加粒子時，打開高壓粒子輸送機，調節高壓粒子輸送機的轉速即可以設計的粒子量注入高壓管線中，加入粒子的鉆井液經過高壓閥門組進入到立管、水龍帶、水龍頭、鉆桿、鉆鋌、PID鉆頭，實現粒子沖擊鉆井^［14］。粒子和巖屑通過鉆井液的攜帶到達井口，然后通過導流槽進入振動篩，實現鉆井液和巖屑、粒子的分離，分離出的巖屑和粒子進入到射流混漿漏斗。射流混漿漏斗中的巖屑和粒子用砂泵即可輸送到回收系統，實現粒子的分離，分離出的粒子首先進入到粒子儲罐進行儲存，粒子鉆井現場試驗流程圖，如圖5所示。

 

5．2　試驗結果

研制的國內首套粒子鉆井設備，首次在龍崗022-H7井須家河組進行了功能性試驗，注入粒子的濃度1％～2％，注入壓力20MPa，各項功能達到了預期目標，試驗井段比上部井段鉆井速度提高了92.7％(圖6)。

 

6　結論

1)高速的粒子沖擊到巖石的表面后，接觸應力繼續增加時，會在接觸面附近的巖石內部產生剪切應力和拉伸應力，當粒子沖擊產生的拉應力和剪應力大于巖石的抗拉和抗剪強度后，破碎的裂紋開始產生。粒子以100m／s以上的速度沖擊巖石，粒子含量為2％時，粒子沖擊的頻率每分鐘達500萬次。

2)粒子的粒徑為1mm、沖擊速度150m／s時，粒子與巖石接觸區域產生的應力遠大于巖石的強度極限而發生破壞，實驗結果表明粒子射流的破巖體積是水射流破巖體積的3～4倍。

3)高壓粒子注入罐的耐壓值為30MPa，材料Q345b。粒子輸送機的耐壓值為30MPa，轉速為50～90r／min。磁選機的功率為5.5kW，處理量為70～120m³／h，滾筒直徑為900mm，滾筒最大轉速為40r／rain，渣漿泵排量為65m³／h。

4)研制的適用于四川須家河組的粒子沖擊加長平噴嘴牙輪鉆頭，通過采用加長耐磨噴嘴，提高了粒子沖擊破巖的效率。

5)研制的粒子鉆井設備首次在龍崗022-H7井須家河組進行了功能性試驗，注入粒子的濃度1％～2％，注入壓力20MPa，各項功能達到了預期目標，試驗井段比上部井段鉆井速度提高了92.7％。

 

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本文作者：趙健  韓烈祥  徐依吉  靳紀軍  劉芬

摘　　要：中國石油大學石油工程學院

    中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術研究院

    中國石化勝利油田分公司孤島采油廠