調制式脈沖粒子鉆井技術研究

王德亮(中石化勝利石油管理局海洋鉆井公司勝利九號平臺 山東 東營 257000)

在石油資源的開采過程中，淺層的石油資源不斷的被開采出來，石油鉆井的方向逐漸轉向了深井和硬地層。隨著石油鉆井地層深度不斷的增加，地層變的越來越硬，地層變硬后大大的降低了石油鉆井的速度，這樣的就增加了石油鉆井成本，嚴重的影響到了石油鉆井效益的提高。因此需要開展新型高效破巖鉆井方法的研究，粒子射流破巖方法改變了傳統石油鉆井破巖的方法，通過在鉆井液中加入一定比例的鋼珠，鋼珠在鉆井液的攜帶下，經過井下鉆桿，經過粒子鉆井鉆頭，從耐磨噴嘴噴出，噴出的鋼珠在鉆井液的攜帶下，沖擊破碎井下巖石，這種鉆井破巖的方法改變了傳統的破巖方式，提高了能量的利用率，應用前景廣闊，文章研究了一種新型的粒子射流破巖鉆井方法，通過在井底直接吸入環空中的粒子，進入到鉆鋌內部，經過鉆鋌從鉆頭噴嘴噴出，提高了鉆井液能量利用率，輔助了鉆頭機械破巖，提高了石油鉆井的速度。該技術的發展推動了石油鉆井新工具和破巖新方法的發展，對于解決現階段石油鉆井速度慢，成本高的難題具重要的意義。

一、調制式脈沖粒子鉆井技術發展

大量的鉆井現場試驗已經得出，通過綜合利用鉆井液和鉆頭機械兩種破巖方式可以有效的提高石油鉆井機械破巖的效率，同時也是提高石油鉆井速度的有效途徑之一。這一點已經在高壓噴射鉆井的實踐中已經得到了證實，現階段由于鉆井設備條件以及鉆井成本的限制，高壓噴射鉆井技術難以得到大面積的推廣和應用。粒子射流破巖技術既充分的利用了鉆井液的水力能量，同時又充分的利用鉆頭機械破巖，而且不需要高壓噴射鉆井這么高的鉆井液壓力，因此具有廣闊的推廣應用前景。粒子射流破巖方法利用鉆井液對粒子進行加速，利用粒子沖擊射流的沖蝕作用，降低了地層巖石破碎的門限壓力，因此可以有效的提高石油鉆井的機械鉆速。國外的粒子鉆井技術經過不斷的發展，已經取得了一系列重要的成果，而且成立了相應的公司，通過該技術現場試驗的結果可以看出，利用粒子射流輔助鉆頭機械破巖的方式可以有效的提高鉆頭機械破巖的效率。粒子射流破巖的方式基本上和磨料射流破巖的方式相同，不用的就是采用破巖粒子不一樣，粒子射流采用的是硬質粒子而磨料射流采用的則是石英砂。雖然采用的破巖載體不同，但是破巖的原理還是基本一致的。所以磨料射流的應用和發展，給粒子射流的發展與應用提供了重要的借鑒。磨料射流經過不斷的發展，磨料射流的理論和設備研究都取得巨大的成果，在研究的過程中得到，通過綜合采用采用磨料和射流調制的方法，可以有效的提高磨料射流切割或者破巖的效率。脈沖射流也是射流的重要形式，通過脈沖射流的方式也可以提高射流的工作效率，脈沖射流可以通過改變井底流場的狀態，改變了巖石的受力，降低巖石的破碎強度，同時可以有效的清潔井底，從而有效的提高射流的清巖和輔助破巖的效率。

二、調制式脈沖粒子鉆井技術原理與實驗

調制式脈沖粒子鉆井技術裝置結構簡單，操作方便。國外的粒子鉆井技術需要用到許多設備，而且需要的井場面積大，加工和運行的成本高。調制式脈沖粒子鉆井技術將粒子的注入和循環過程都放到井底，結構簡單，易于操作而且成本低，對于井隊的設備沒有影響。井底調制式脈沖粒子鉆井技術以井底鉆頭破碎的巖屑作為輔助破巖的粒子，而且可以在井口投入一定量的鋼質粒子，提高粒子射流破巖的效率，提高鉆井液能量的利用率。該技術的關鍵就是在井下鉆頭和鉆鋌之間，安裝一套調制式脈沖粒子鉆井裝置，該裝置在工作的過程中，首先從鉆桿內部流下來的鉆井液經過裝置水力震蕩裝置，在水力震蕩裝置的調制作用下，連續的鉆井液就被調制成高速的脈沖射流，在脈沖射流出口周圍，在高壓射流的卷吸作用下，鉆井環空中巖屑和其他粒子被吸入到井下鉆柱內部，從環空中卷吸到調制式脈沖粒子鉆井裝置的巖屑粒子，可以和水力震蕩裝置形成的脈沖射流混合，形成調制式脈沖粒子射流，最后調制式脈沖粒子射流經過鉆頭后，從鉆頭的噴嘴噴出，沖擊破碎巖石，充分的利用了鉆井液的能量，提高了鉆頭機械破巖的效率。為了能夠驗證調制式脈沖粒子鉆井技術的效果，同時得到裝置的優化參數，進行了調制式脈沖粒子射流的室內破巖實驗，破巖實驗的裝置主要包括射流的動力源高壓泵，高壓管線，模擬井底井筒，巖石，調制式脈沖粒子射流工具等。通過實驗可以得到利用該裝置可以顯著的提高射流破巖的效率，而且結果表明隨著射流入口流量不斷的增加，調制式脈沖粒子射流破巖的深度也不斷的增加，而且近似的呈線性關系。但是并不是完全的線性關系。隨著脈沖粒子射流進出口壓差的增大，粒子射流破巖的深度也再不斷的增加。這是由于在調制式脈沖粒子射流工具的內部，調制脈沖粒子射流的形成需要一定的能量，當裝置進出口壓差越大時，調制式脈沖粒子射流形成的就越充分，形成的射流湍動能就越高，調制式脈沖粒子射流的破巖效果就越好。

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