岩石内部高压电脉冲等离子体通道生成机理

高压电脉冲钻井技术具有破岩效率高、井壁质量好等优点，是一种新型破岩方法。为研究岩石内部孔隙特性对其局部电击穿的影响，构建了多孔隙随机分布的多物理场耦合岩石电击穿二维数值模型，从电路场、电流场、击穿场和温度场耦合的角度实现了多孔隙岩石内部高压电脉冲等离子体通道生成及破岩全过程，主要研究了孔隙特征(即孔隙率、孔径大小和孔隙介质)和电极间距对岩石局部电击穿(即岩石内部等离子体形成)的影响规律。数值研究发现，岩石孔隙对电脉冲破岩效率影响较大，当孔隙内介质为空气时，孔隙发生电击穿，等离子体通道贯穿孔隙；当孔隙内介质为水时，孔隙没有被电击穿，等离子体通道沿着孔隙表面延展；随着孔隙率增大，电脉冲的破岩效果逐渐增强；随着孔隙介质水/气比值减小，等离子体通道生成时间减小，电脉冲破岩的效果逐渐加强；随着电极间距的增大，岩石电击穿时刻逐渐减小，岩石内部“电损伤”区域面积减小。通过开展电击穿破岩的室内实验，再现了电脉冲破岩过程及岩石内部等离子通道形态，电击穿实验结果和仿真试验结果相符合。     

等离子体电脉冲钻井破岩机理的电击穿实验与数值模拟方法

等离子体电脉冲钻井技术为一种高效破岩钻井技术。对4种岩石在80 kV固定输出电压、重频率为2.5 Hz下进行了电脉冲击穿实验。实验发现，电脉冲破碎结果中存在贯穿破碎和未贯穿破碎2种状貌，并针对产生这两种状貌的原因进行了分析。从电击穿角度明确了单次脉冲破岩效率的评价指标--能量转换效率η_e，并提出了一种新的岩石介质击穿模型--概率发展模型（PDM），借助PDM和简化的电击穿电路研究了单脉冲击穿时电路结构参数对破岩能耗分配的影响规律。基于电脉冲击穿实验参数和PDM生成的等离子体通道轨迹提出了等离子体电脉冲钻井破岩机理研究的数值模拟方法，利用该数值模拟方法研究了在地层压力为0~30 MPa下、直径为41 mm的电极钻具在加载峰值电压为60 kV时的破岩规律。     

电脉冲破岩钻井地层主要参数敏感性分析

岩石的硬度、耐磨性等严重限制了深层超深层油气资源的高效开采,而电脉冲破岩钻井技术在破碎硬岩方面具有独特优势。为探究地层特性对电脉冲破岩效果的影响,根据电脉冲破岩的基本原理,并基于基本破岩单元建立了动态电损伤模型。基于动态电损伤模型,讨论了特定高压脉冲电源参数下,岩石特性对电脉冲破岩效果的影响。通过讨论分析可知,相对介电常数越大,岩石内部发生电击穿的时间成本越低,破坏深度与损伤总量也会越大;电击穿时间、破坏深度会随泊松比和弹性模量的变化出现小幅波动,但不具有规律性;岩石的密度不会对电脉冲破岩造成影响。相关结论可为电脉冲破岩钻井技术的进一步工业化应用提供一定参考。     

粒子射流冲击下破岩应力分析与破岩区域

由于粒子射流冲击破岩的复杂性和破岩过程的短暂性，粒子射流冲击作用下岩石的力学特性与损伤破坏研究是一个难点问题。考虑粒子射流返流的影响，基于空腔膨胀理论建立了粒子射流耦合冲击作用下的岩石应力和破岩区域的数学模型，采用数值计算和仿真模拟相互验证的研究方法，分析了粒径和射流冲击速度对单粒子射流冲击作用下岩石的应力分布和破岩区域的影响规律。针对多粒子连续射流耦合冲击破岩过程，给出了破岩区域的计算方法，采用数值计算和实验验证相结合的研究方法，得到了垂直射流和旋转射流状态下的破岩区域规律。结果表明：粒子射流耦合冲击破岩过程中，呈一定角度的旋转射流破岩区域要比垂直射流破岩区域大，粒径的增加对破岩区域影响较小，当射流冲击速度为200 m/s和粒径为1.0 mm时，8°和20°射流冲击破岩区域分别是喷嘴出口直径的1.7和1.9倍。     

射流作用对岩石局部孔隙压力的影响

在油气井钻进过程中，射流对井底的作用可大幅度提高钻速。而由于岩石材料的多样性和结构的复杂性，多年来有关射流破岩的机理还不明了。为此，提出了射流作用下岩石局部范围具有较高渗流压力的思路，并认为该渗流压力大小对射流的破岩作用有重大影响。通过对射流作用的岩石表面进行网格划分并绕网格节点取微面积，建立微面积上液流束作用的渗流压力计算模型，分别在地面条件和井底条件下，对射流作用于湿砂岩体作数值计算与分析，得出了在相同条件下，射流的喷射速度对岩石局部范围内的岩石孔隙压力有较大影响；井越深，井底射流对岩石孔隙压力的影响越小等规律，以及增大射流喷射速度可以较大地提高射流对井底的辅助破岩作用等结论，这对认识射流的辅助破岩作用机理有重要意义。     

高温高压对微波破岩效果的影响模拟研究

为了将微波破岩技术应用于石油钻井，研究了钻井过程中高温高压对微波破岩效果的影响。根据岩石不同矿物成分的微波吸收特性，建立了某岩石的二维平面模型，模拟分析了温度、围压及二者共同作用对微波破岩效果的影响。研究发现:在微波照射参数相同的情况下，随着井下温度升高，岩石发生塑性变形的时间缩短；随着井下围压增大，岩石塑性变形时间延长；温度和围压共同作用时，围压的影响占主导作用，而温度的影响主要在高温条件下体现。研究结果表明，围压不利于微波破岩，且影响较大；温度对微波破岩有一定促进作用，但只在高温条件下作用明显。因此，应用微波进行破岩时要综合考虑温度和围压变化对破岩效果的影响，及时调整微波参数，使破岩更加经济高效。      

指向式旋转导向系统内外环转速对PDC钻头破岩效率的影响

为了提高指向式旋转导向钻井工具的破岩效率,在钻头运动学研究的基础上,利用Matlab软件建立了数字化PDC钻头模型和数字化岩石模型,结合岩石模型的离散化处理,模拟了旋转导向钻进条件下,PDC钻头与岩石的相互作用过程,并给出了破岩效率的定量计算方法;分析了指向式旋转导向系统内外偏心环转速对PDC钻头破岩效率的影响,得到了不同时间步长下的破岩规律。研究结果表明,抗剪强度为11 MPa、内摩擦角为22°、摩擦系数为0.2的岩石,其最佳破岩转速比在1.0左右,且指向式旋转导向系统在钻进过程中均存在稳态切削,其破岩效率与内外偏心环的转速比密切相关,随着内外偏心环转速比增大,破岩效率也相应增大,但最终趋于稳定。研究结果对提高指向式旋转导向系统的钻井效率具有一定的理论指导作用。      

锥形齿旋冲及扭冲的破岩过程与破岩效率分析

为了解锥形齿在旋转冲击和扭转冲击载荷作用下的破岩过程和破岩效率,采用数值模拟和试验数据验证的方法,研究了2种破岩方式下不同冲击幅值和冲击频率对应的岩石内部应力变化、岩石损伤特征、岩石破碎体积和破碎深度、破岩比功。数值模拟分析结果表明,锥形齿在旋转冲击和扭转冲击破岩过程中均表现为切削齿侵入岩石、岩石损伤贯通裂纹萌生、岩石损伤贯通裂纹扩展、裂缝贯通岩屑崩落4个阶段,拉应力是引起岩石内部到表面贯通裂缝产生的主要原因,压剪应力是岩石内部出现损伤和形成微裂纹的主要原因。随着冲击幅值和冲击频率增大,旋转冲击和扭转冲击破岩方式下,锥形齿破碎岩石的体积都会增大,但当冲击幅值和冲击频率增加到一定值时,岩石破碎体积的增加趋势趋于平缓;锥形齿旋转冲击破岩方式下的最大破碎体积高于扭转冲击破岩方式。常规切削、旋转冲击和扭转冲击3种破岩方式下,锥形齿常规切削的破岩比功最大,不同冲击幅值和冲击频率条件下,锥形齿扭转冲击破岩方式下的破岩比功普遍比旋转冲击破岩方式低。      

微波破岩井下环境建模及多场耦合分析

当前微波破岩研究多为微观层面,基于理想谐振腔模型,这与实际石油钻井应用中的井下微波破岩情况有比较大的差别,已有的规律和认识很难直接指导实际应用。为此,以?215.9mm(■in)空气微波钻井为载体,建立了微波破岩井下环境宏观模型,充分考虑井下环境因素影响,以电磁场-传热场-受力场多场耦合的方式模拟微波在岩石中的传播衰减、热量转化及对岩石的受力影响,使仿真的破岩效果更加接近真实情况。研究结果表明:在井下环境中,微波存在传播衰减和入射岩石表面时的反射损耗,造成微波能量无法全部作用于井底岩石,降低了微波的能量利用率;岩石强度弱化形式主要为受拉破坏,这种形式受到井底围压变化的影响很大;在微波钻井设计中,要充分考虑微波对岩石的作用效率及井底围压影响,适当调整微波照射参数,以实现更加经济高效的破岩。研究结果可为微波破岩技术应用于实际钻井工程提供理论依据。     

激光辅助破岩试验研究

为了探索激光破碎岩石的规律和效果,设计了激光辅助破岩系统,进行了激光破岩试验研究。试验岩样为花岗岩和致密砂岩,在地面大气状态下分别对2种岩样进行了试验,测试了离焦量、激光功率、激光照射时间、钻头转速等对激光破岩效果的影响。试验结果表明,岩石的物理、化学性质影响激光破岩效果,针对岩性进行激光参数的优化有助于提升激光破岩效果。     

混合钻头破岩特性研究

现有的常规PDC钻头和牙轮钻头均无法满足深硬地层、难钻性地层以及软硬交错地层的破岩要求。混合钻头在国内外的成功应用证明其具有较好的破岩效果,但对其破岩特性的研究还不够深入,导致混合钻头设计优化和推广受限。鉴于此,基于有限元分析法和弹塑性力学理论,以Drucker-Prager准则为岩石的本构关系,建立了混合钻头破岩仿真模型,开展了混合钻头破岩特性研究。研究结果表明:混合钻头破岩量大于单个PDC钻头和单个牙轮钻头破岩总量之和,这与现场结论一致;牙轮主导型混合钻头适用于硬地层,PDC主导型混合钻头适用于软地层;混合钻头破岩特性与其自身结构有关。混合钻头破特性研究为促进混合钻头的优化设计和混合钻头的现场应用奠定了基础。     

脉冲射流式液动冲击工具的研制及现场应用

目前,对于水力脉冲射流的研究主要集中在脉冲流场及其作用效果等方面,而在液动冲击与脉冲射流协同破岩方面则还是空白。为此,基于脉冲射流相关理论,将液动冲击提速与脉冲射流协同破岩有效结合起来,分析其工作原理与实现条件,研制了脉冲射流式液动冲击钻井工具,并通过室内试验和现场实验验证了该工具的破岩能力。结果表明:(1)冲击体质量小于60 kg时,该工具能够运行;(2)液动冲击与脉冲射流协同作用下的钻具组合破岩能力明显优于其他钻具组合的破岩能力,在水平钻进过程中,其提速效果更明显;(3)冲击效果由冲击体的质量和冲击频率决定,质量为30 kg的冲击体的冲击效果更好;(4)脉冲射流越大,其破岩能力越强,减小工具喷嘴的直径能够增大脉冲射流;(5)液动冲击对高硬度岩石的破碎具有更明显的加速效果,对于胶结程度较差的岩石,通过增大脉冲射流,可更大幅度地提高破岩速度。现场应用效果表明,液动冲击与脉冲射流协同作用下的钻具组合的机械钻速为2.52 m/h,较之于常规钻具组合,该工具平均提速可达72.5%。结论认为,该工具为解决深井与水平井钻进速度慢、压持效应明显与岩屑清理困难等问题提供了新的思路。     

脉冲射流破岩规律的数值试验

利用非线性动力有限元方法和岩石的动态损伤模型,系统研究了脉冲射流的速度、长度、频率以及脉冲的数量等参数对破岩效果的影响,并用试验进行了验证。研究结果表明,脉冲射流的速度、长度和脉冲数量增大时,岩石的破碎效率迅速增大;射流的破岩效果随脉冲频率的增大,呈现先增大后减小的趋势,存在一个最优频率范围。在此基础上分析了脉冲射流的破岩机理,所得结论为脉冲射流的设计提供了依据。     

电场对岩石及粘土矿物颗粒粒度的影响研究

通过加电前后岩石颗粒的粒度测试试验，研究了外加电场对岩石骨架粒和粘土矿物性质的影响。试验中发现粘土矿物及其一些微细组分在电场作用下发生明显的电聚结作用。岩石矿物在电场中的粒度发生变化。变化都是向着粒径变大的方向。小粒径的岩石颗粒，特别是粘土矿物颗粒在电场作用下明显聚结变粗；但对大粒径的岩石骨架颗粒作用尚不明显。在电场的不同位置作用效果不同，其一般规律是阳极小于中部，中部小于阴极。电场作用时间长，粒径变化越大；在相同电场作用时间下与电流的大小有关。     

新型静电聚结器中水滴粒径的分布特性

传统电脱水器采用裸电极,乳化液含水率较高时高强电场作用下容易发生击穿现象,设计了包覆绝缘层的高压电极并加工了新型静电聚结器,采用水/原油乳状液为实验介质,并利用显微高速摄像系统结合图像处理技术,考察了电场强度,乳化液流量、含水率对液滴滴粒径分布特性的影响。结果表明,现场与室内实验的液滴粒径分布与Rosin-Rammler分布均吻合较好;包覆绝缘层的高压电极可有效防止电击穿现象的发生;增加电场强度有助于油、水分离,但高于临界电场强度后,容易导致液滴破碎,并且含水率越高,最优电场强度越低;随着乳化液流量的增加,电场作用降低,但高强电场在高流量下依然使液滴粒径明显增大。     

液相高压脉冲放电致裂岩石技术研究进展

致密砂岩和页岩油气藏因其岩性致密、孔隙度和渗透率极低等特点给勘探开发带来了挑战。针对低渗油气资源,液相高压脉冲放电致裂岩石技术是提高开发效果的重要手段之一。分析总结液相高压脉冲放电致裂岩石技术的实验装置研发、影响因素和岩石裂缝规律,明确当前面临的问题以及发展方向。结果表明:液相介质电导率的提高有助于提高脉冲放电冲击波强度;放电电压越高、放电能量越大,致裂岩石效果越好;岩石裂缝的起裂主要受张剪性应力影响,裂缝扩展存在对称性,有转向、分叉和波形特征。该文可为液相高压脉冲放电致裂岩石技术相关研究工作提供参考,对非常规油气藏开发工作具有重要意义。     

准噶尔盆地西北缘中段石炭系火山岩油藏储层特征及其控制因素

准噶尔盆地西北缘中段石炭系火山岩油藏的储层岩性为火山熔岩、火山碎屑岩及火山沉积岩。根据孔隙与裂缝系统的配置关系,可分为孔隙型、孔隙-裂缝型、裂缝-孔隙型及裂缝型4种储层类型。油藏控制因素研究表明,区域构造作用及火山活动奠定了储层形成与分布的基础,岩性、岩相决定了储集空间的发育程度与规模,成岩作用对储层改造作用明显。在爆发相火山角砾岩、凝灰岩及喷溢相块状安山岩、玄武岩和玄武质角砾熔岩中,气孔等原生孔隙发育;火山沉积相沉凝灰岩及砂砾岩以细小原生粒间孔隙为主。区域构造作用使石炭系内部发育4种裂缝类型,其中垂直-高角度裂缝在喷溢相熔岩储层中发育,网状裂缝和层面裂缝系统则多发育于火山角砾岩、凝灰岩及沉凝灰岩互层中,砂砾岩中以发育程度低、有效性差的不规则裂缝为主。熔结、溶蚀等成岩作用对储层改造作用明显,火山碎屑沸石化和沸石溶蚀作用是油藏次生孔隙发育的主要途径,而碳酸盐、二氧化硅胶结作用及粘土矿物水化作用则降低了储层孔隙度和渗透性能。     

基于双重孔隙理论的各向异性致密油砂岩地震岩石物理模型

致密油砂岩储层低孔低渗、矿物组分多样以及孔隙结构复杂,为岩石物理建模带来了较大挑战。基于致密油砂岩的特殊性,从岩石固体组分和孔隙结构2个方面对致密油砂岩地震岩石物理模型做了改进,实现了基于双重孔隙理论的各向异性致密砂岩油储层的岩石物理建模方法,并系统研究了新理论模型下泥质含量和泥质类型、孔隙连通性以及孔隙类型4种因素对岩石物理建模的影响。研究结果表明,泥质、孔隙连通性和孔隙类型对致密油砂岩均会产生较大的影响,证实了所提出的岩石物理建模方法的合理性。     

致密砂岩孔隙内水的赋存特征及其对气体渗流的影响——以松辽盆地长岭气田登娄库组气藏为例

致密砂岩储层岩石孔隙结构复杂,孔隙内水的赋存状态和可动性难以确定,影响气井的产能确定和生产动态预测。为了认识该类储层气水渗流特征,根据铸体薄片和压汞等实验资料,分析了松辽盆地长岭气田下白垩统登娄库组气藏储层的孔隙结构,选取具有代表性的岩样,通过核磁共振、气驱水等实验,研究了岩石孔隙中水的赋存特征及其流动性,进而研究储层岩石在不同含水条件下对气体渗流的影响。结果表明:致密砂岩细小孔喉内的水流动性差,残余水饱和度较高,其大小不仅与岩石孔隙结构和物性相关,而且还与其中的气体流动有关;气体在含水孔隙内的流动受毛细管压力和滑脱效应影响存在非达西渗流特征,启动压力梯度的大小与储层渗透率和含水饱和度密切相关,登娄库组储层Sw/K值大于1 000mD-1以后,启动压力显著增大。该成果为该类气藏合理开发技术政策的制定提供了依据。