粒子射流冲击破岩试验装置研制

粒子射流冲击钻井技术是利用高速金属粒子和流体联合冲击破岩为主,机械破岩为辅的一种破岩工艺,是提高坚硬、高研磨岩层进尺速度的一种有效手段。针对该破岩工艺技术,研制了一套能够模拟粒子射流冲击破岩的室内试验装置。该装置主要由高压泥浆泵、粒子掺入装置、模拟顶驱、模拟井底、水循环系统和安全保障系统组成,能够实现粒子按比例掺入、冲击破岩、粒子回收和破岩过程数据监控等功能;能够完成射流速度、粒子体积、粒子掺入比例、冲击标靶距离和射流角度对破岩效率和破岩效果的试验研究。     

粒子钻井技术新进展与破岩数值模拟研究

粒子冲击钻井是将2%～5%的钢质粒子加入到钻井液,利用粒子冲击和钻头切削齿联合破岩,从而实现高效破岩,提高钻井速度的一项钻井新技术。文章从粒子钻井公司粒子钻井钻头、粒子注入回收系统、粒子钻井技术现场试验等方面综述了该技术最新的研究进展和取得的成果。采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立了粒子冲击破岩有限元模型,研究分析了粒子冲击破岩的机理以及侵入深度随粒子直径、入射角度、入射速度、粒子材质等参数对粒子破岩效果的影响。结果表明粒子与岩石碰撞的瞬时具有极高的瞬时应力,足以超过岩石的抗压强度;粒子初速度在100～200m/s范围之间比较合适;粒子直径在1～3mm之间为宜;随着入射角度的增加,粒子侵入岩石的深度逐渐减小,入射速度的法向向量起着重要的作用;钢粒的破岩效果要优于陶粒。     

粒子冲击钻井破岩仿真模拟研究

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深井硬地层的一种高效钻井工艺。应用一维应力波基本理论对粒子冲击破岩现象进行了分析,用冲击动力学有限元分析软件IDFEM研究了粒子冲击破岩的规律,得出了适合粒子冲击钻井工艺的如下参数:(1)粒子直径为0.5cm时,其初速度不宜超过200m/s的临界速度;(2)粒子直径在0.3~0.7cm比较合适;(3)粒子入射角度为0~30°比较合适。     

粒子冲击钻井系统设计及室内试验研究

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。     

粒子冲击钻井技术基础理论及试验研究

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     

基于LS-DYNA的粒子冲击破岩机理及参数优化

粒子冲击钻井是一种以粒子冲击破岩为主的新型钻井技术,能有效解决目前坚硬地层钻井中常出现的钻进速度慢、钻头寿命短等问题。为分析影响粒子冲击钻井中粒子破岩效果的因素,应用非线性有限元软件LS-DYNA建立球形钢粒子冲击岩石的三维实体模型,模拟了粒子冲击岩石的全过程。通过分析粒子入射参数随岩石的能量吸收率和侵彻体积的变化规律,得出粒子入射速度为120～150 m/s、粒子直径为2.5～4.5 mm和入射角度为0～10°时为宜。     

阿克纠宾高研磨性地层钻井提速关键技术

阿克纠宾地区的扎纳若尔与北特鲁瓦油田含有丰富的油气资源,主要油气藏位于二叠系以下的石炭系地层。由于二叠系至石炭系厚度大(2 000~3 000 m),且普遍发育致密岩层,尤其是石炭系的MKT、KT1和KT2层研磨性高,导致深部地层机械钻速低(1. 05~2. 50 m/h)。因此,提高本井段的破岩效率是实现该油田高效开发的关键。分析了旋冲钻井及锥形齿钻头破岩受力机理,通过现场试验证明了该项技术在深部高研磨性地层的适用性,并进行了推广应用,实现了阿克纠宾地区深部地层钻井提速1~3倍。基于理论分析和现场实践,形成了以旋冲钻井及锥形齿钻头为主体的阿克纠宾高研磨性地层钻井提速关键技术,对滨里海盆地及发育类似地层区域的高效钻井具有积极的指导和借鉴意义。     

粒子射流耦合冲击破岩实验

为研究高速金属粒子和流体耦合冲击作用下岩石破碎的特性和规律,利用自主研制的粒子射流耦合冲击破岩实验装置,开展了射流速度、粒子直径与破岩效率实验,粒子体积分数与破岩效率实验,射流角度与破岩效率实验和粒子射流破岩与钻压比例关系等实验。研究表明：含有一定动能的高频粒子冲击更有利于提高破岩效率,粒子在钻井液中所占的体积分数直接反映了粒子破岩效果的好坏,实际钻井时可以利用单个粒子的冲击动能和单位岩石面积上受到粒子的冲击频率来确定粒子的掺入比例;研制粒子射流冲击钻头时,可以不采用0°入射角的射流喷嘴,而采用1个入射角为8°和3~4个入射角为20°喷嘴的组合设计,其更有利于提高粒子动能的利用率。     

粒子射流冲击破岩效果影响因素试验研究

为了更准确地分析粒子射流冲击破岩规律,从而有效指导粒子冲击钻井工艺参数的优选,通过粒子射流冲击破岩正交试验,确定了粒子射流各因素影响破岩效果的重要程度,然后根据单因素粒子射流冲击破岩试验,分析了粒子体积分数、粒子直径、喷射角度等主要因素对破岩效果的影响规律,并优选了粒子冲击参数。试验得出,粒子射流各因素对破岩效果的影响程度由大到小依次为喷射时间、粒子体积分数、粒子直径、喷射角度和喷距,最优粒子体积分数为2.0%,最优粒子直径为1.5 mm,最优喷射角度为15°。研究结果表明,岩石破碎孔眼深度与粒子体积分数和粒子直径均成二次函数关系,与喷射角度成四次函数关系;孔眼体积与粒子体积分数、粒子直径和喷射角度均成三次函数关系。该研究结果可为粒子冲击钻井技术的推广应用提供理论支撑。      

利用井底超高压射流提高钻速研究

近10年以来,机械辅助高压射流破岩技术再次获得钻井界高度重视,被认为是提高硬地层、深井机械钻速的根本途径之一。利用井底超高压射流钻井技术是指基于水力与机械联合破岩方法和水力增压原理,开发一套具有射流式井底增压装置(DPS-1)和新型双流道高效破岩钻头(DCB-1)。创新点包括:开创了超高压水力与PDC机械联合高效破岩理论;研究开发了一套具有射流式井底增压装置;研究开发了一种新型双流道高效破岩PDC钻头。在温5-212井进行了现场试验,井段465.56~814.49m,进尺348.93m,纯钻11.33h,机械钻速30.79m/h,与同区块同井段牙轮钻头同比,机械钻速提高72.11%,钻头出口压力为70MPa。所以该技术是一个极富挑战性和可以充分发挥创造性的研究领域,这种技术潜在的经济效益是巨大的,也是目前可能有较大突破的一种联合破岩方法。     

沙特HWY区块HWY-116井提速技术

为提高沙特HWY区块三开直井段钻进坚硬、强研磨性地层时的机械钻速,在HWY-116井三开井段进行了液动射流冲击器旋冲钻井技术试验。根据液动射流冲击器性能参数与岩石抗钻特性参数的关系,与HWY-116井钻井设计结合,优化了钻具组合,选择了与液动射流冲击器配合的PDC钻头,优化了旋冲钻井参数,形成了适用于HWY-116井的?228.6 mm液动射流冲击器旋冲钻井提速技术。应用该提速技术后,HWY-116井三开井段机械钻速为9.40 m/h,与邻井相同井段相比提高了45.5 %。这表明,应用液动射流冲击器旋冲钻井技术可以提高沙特HWY区块坚硬、强研磨性地层的机械钻速。      

单粒子冲击破岩实验与数值模拟

粒子冲击破岩可提高深井、超深井硬地层的钻井速度。通过破岩实验与数值模拟相结合的方法,以冲击破岩的粒子直径、冲击速度等与岩石破碎体积和粒子最大侵彻深度（岩石破碎坑最大深度）之间的内在规律研究为目的,进行了单粒子冲击破岩室内实验,分析了破碎坑模式。同时,利用有限元软件建立了粒子冲击破岩的物理模型,并对粒子冲击破岩的过程进行了数值模拟。模拟结果与室内实验数据的对比,验证了H-J-C模型选取的正确性,并得到了粒子冲击破岩的最佳直径和初速度值的范围。     

四川盆地沙溪庙组河道致密砂岩开发工程关键技术进展及发展方向

四川盆地致密气总地质资源量为5.8 × 10¹² m³,居全国第二,其中金秋气田沙溪庙组致密气是勘探开发最重要的层系之一,但该气田储层埋深浅,上部地层钻井造浆能力强,储层由23期河道叠置发育具有物性、岩石力学及地应力差异大的特征,部分井区储层能量较弱。针对这些开发难点 在钻井方面通过开展浅层三维水平井轨迹设计与控制技术和以强化参数为主的钻井提速技术研究,形成了多河道浅埋深三维水平井钻井技术;在压裂方面通过研发低温全金属可溶桥塞和高强度、低伤害压裂液体系、优化水平井多缝压裂工艺,形成了高强度低伤害多缝压裂技术;在采气方面通过开展返排与出砂规律特征研究,形成了射流泵助排工艺和井下节流技术。通过这些技术的现场应用,沙溪庙组致密气藏钻井周期缩短至最低8. 08 d,井均测试产量由5. 01 × 10⁴ m³ /d 提高至46. 75 ×10⁴ m³ /d,同时表明在井身结构优化及小井眼钻完井配套技术、全生命周期智能采气技术方面还需进一步探索。     

新型随钻取心钻头破岩提速工作机理

为了获得既能随钻取得岩心又不降低机械钻速的新型钻头,基于前人的研究成果和现有的设计方法,结合随钻取心钻头的结构与破岩特点,设计出了一款全新的随钻取心钻头,并利用台架实验与现场实验对其破岩特性、机械钻速进行测试,将测试结果与理论计算结果进行对比分析。结果表明:(1)新型钻头通过在钻头内部设计一个射流专用通道,经射流喷嘴流出的高压钻井液经过吸附通道产生负压作用,将携带所取岩心进入推送通道回到环空;(2)新型钻头提速增效的效果非常明显,在排量为25 L/s的现场实验中,其提速效果介于5%~40%;(3)实验室测试与现场实验新型钻头的破岩性能与理论计算结果吻合,验证了其可靠性。结论认为,新型钻头在破岩过程中具有"吸附下部岩屑、推送上部岩屑"的效果,可降低岩屑重复破碎率,提速增效效果显著。     

新型超高压井下增压系统的研制与应用

油气钻井工程实践表明,利用高压射流辅助破岩是提高深井机械钻速的有效途径,而井下增压技术是一种产生高压射流的方法,井下增压系统装置的稳定性、可靠性是该技术工业应用的关键。为此,围绕井下增压系统配套的关键工具进行了研究与实验:①优选的螺杆增压器可将螺杆钻具输出的旋转运动转换为轴向往复运动,达到对部分钻井液实施增压的目的;②依据室内实验获得的不同喷距、射流角度下高压流体对岩石的冲蚀数据,研制了与螺杆增压器适配的超高压双流道钻头;③在地面采用清水作为试验介质进行了测试,高压喷嘴直径1.5 mm,泵压为4 MPa,排量18 L/s,地面测试期间高压喷嘴出口明显可见脉冲高压射流,井下螺杆增压装置运行稳定。在5口井上完成钻井总进尺1 015 m、纯钻进时间206 h,与邻井相比平均机械钻速提高了51.4%。试验结果表明,该井下增压系统在钻井作业中提速效果明显、设计合理、工作可靠。     

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。     

频率可调式脉冲钻井提速工具的研制和应用

苏里格西区致密气藏居高不下的钻井成本与难以提高的钻井速度严重制约了长庆对苏里格气田整体开发的部署。针对苏西地区中深井下部地层钻井机械钻速低的难题,研制了频率可调式脉冲钻井提速工具。该工具通过涡轮带动的阀组将连续流动的钻井液转换成脉冲流动,改善井底流场,增强射流冲击力,以最大限度地提高水力破岩效率与井底净化能力,达到提高机械钻速的目的。实验与现场应用结果表明:研制的工具入井工作时间超过120 h,能提高机械钻速20% 以上,具有广阔的应用前景。     

硬地层稳压稳扭钻井提速技术

采用PDC钻头钻进硬地层时,如果破岩扭矩较小或波动幅度较大,易造成钻头恶性振动和钻头使用寿命短,从而导致机械钻速低和钻井周期长。因此,建立了PDC钻头破岩所需门限扭矩的计算模型,以门限扭矩定量计算为核心、平稳传递钻柱应变能为手段,形成了硬地层稳压稳扭钻井提速技术。该技术通过优化井眼尺寸、选用合适的钻头和冲击类辅助破岩工具,降低破岩门限扭矩和门限钻压;通过选择合适的井下动力钻具,为钻头提供足够的破岩能量;通过选用减振工具和优选钻井参数,降低振动,保证钻头运动平稳。稳压稳扭钻井提速技术在夏河1井古生界硬地层进行了现场试验,二叠系机械钻速提高485.6%、全井机械钻速提高70.4%,取得了显著的提速效果。研究结果表明,稳压稳扭钻井提速技术能够提高硬地层机械钻速,可为复杂地层钻井提速提供借鉴。