粒子冲击钻井发展现状及技术关键

文章介绍粒子冲击钻井发展现状及工艺流程,在常规钻井机械水力联合破岩的基础上,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,提高深井超深井硬地层的钻井速度。利用有限元软件建立物理模型,模拟粒子破岩过程,研究粒子冲击钻井破岩规律;介绍粒子冲击钻井研究内容：粒子对循环管线寿命影响实验研究;根据破岩规律,设计PID钻头结构。为解决深井和超深井硬地层钻井速度慢、钻井周期长、钻井成本高等难题提供新思路。     

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。     

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。     

粒子冲击钻井技术研究进展及关键问题

粒子冲击钻井技术利用钻井液的水力动力携带高速球形颗粒冲击坚硬和弱研磨性岩石,并通过钻井液的循环携带出井底粒子,是目前世界上很有发展潜力的深井和超深井坚硬地层的钻探技术。阐述了高效破岩技术现状;重点介绍了粒子冲击钻井技术的发展背景;总结了国内外粒子冲击钻井技术现有的研究成果;分析了粒子冲击钻井工艺的关键技术、工作原理和工作特点;阐明了该技术的技术难点,并结合国内实际情况,提出了粒子冲击钻井技术未来的发展趋势和攻关方向,为国内该技术的研究提供参考。     

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。     

粒子冲击钻井粒子分级装置原理及结构设计研究

粒子冲击钻井破岩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一种新的钻井破岩方法。在粒子冲击钻井技术的地面固相控制系统中,井底冲击破岩后钻井液中完好的钢球粒子与表面破损体积不足完好粒子一半的坏粒子的分离是重要的一个环节,而粒子分级装置就是为了实现好坏粒子的分离而专门设计的一种新型的装置。此装置提出了综合利用离心力和气流拖拽力的方法来解决这种好坏粒子的分离问题,并进行了实例论证。在此基础上,完成了粒子分级装置的关键部分的结构设计,解决了粒子钻井粒子固控系统中好坏粒子分离的技术难题。由实验可知该装置能够较为有效地解决好坏粒子分离问题,具有一定的现实意义。     

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。     

旋冲钻井破岩力学模型的研究

旋冲钻井技术可有效提高硬地层、易斜地层的机械钻速。以弹性力学、波动理论和冲击动力学为基础，采用室内试验和力学理论相结合的研究方法，建立了旋冲钻井破岩力学模型。在该模型的建立过程中。首先根据冲击器的工作原理，结合冲击动力学，对旋，中钻井中冲击动载作用下的破岩过程进行了简化；假设岩石为弹性介质，根据弹性力理论，分析了轴向力和剪切力作用下岩石的受力状态；对在室内进行的载荷侵入深度曲线的试验结果进行分析，得出岩石所受外栽荷与侵入深度成一定的线性关系；结合波动理论，分析了冲击动栽作用下岩石的应力状态。建立的破岩力学模型对旋冲钻井的进一步发展具有重要的现实意义。     

粒子冲击钻头喷嘴研究

粒子冲击钻井技术提高硬地层的钻进速度,与国外粒子破岩方式不同,文章结合国内钻井现场的实际条件,从粒子冲击联合机械破岩提高钻速的角度出发,通过下井试验初步证实了粒子冲击与牙轮钻头结合进行钻井的可行性,结合固液两相流粒子运动规律,从粒子破岩要求、结构耐磨和粒子加速考虑,在现场钻井允许的水力条件下,对喷嘴重新设计,以满足粒子冲击钻井对喷嘴的要求,并且运用fluent模拟设计喷嘴的加速过程,证明设计的喷嘴能够满足粒子钻井的要求。     

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。     

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。     

粒子冲击破岩深度的理论模型研究与室内试验

为了准确分析粒子冲击钻井过程中粒子对岩石的冲击作用机理,指导施工参数的优选,需要对粒子冲击破岩的深度进行理论计算。基于动态球形空腔膨胀理论,推导了粒子冲击破岩过程中粒子所受阻力与初始入射速度的关系,结合粒子运动微分方程建立了粒子冲击破岩深度的计算模型,并给出定解条件和求解方法。根据计算实例,对粒子冲击破岩深度与粒子初始入射速度的响应关系和破岩深度与破岩时间的响应关系进行了研究。粒子冲击破岩室内试验结果表明,理论计算结果与试验结果基本吻合,表明该理论模型准确可行,可用于粒子冲击破岩过程的理论分析。研究表明,无因次破岩深度随粒子初始入射速度增大呈线性增加、随破岩时间增长呈对数增加的规律。研究结果可为粒子冲击钻井技术的实际应用提供理论支撑。      

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。      

单齿高频扭转冲击切削的破岩及提速机理

高频扭转冲击钻井作为一种新兴钻井技术,由于其在硬地层钻进中具有显著的提速效果以及能够较好抑制黏滑振动的发生而得到极大关注。但由于对其破岩机理以及提速机理认识不够清楚,使得高频扭转冲击钻井技术在推广应用时尚未发挥其最佳性能。基于有限元法建立了单齿扭转冲击切削岩石的拟三维数值仿真模型,研究了扭转冲击作用下钻齿切削岩石过程中的裂纹扩展、岩屑形成、损伤演化以及破岩比功等问题。研究结果表明:扭转冲击切削作用下岩石相比常规切削更易发生脆性破碎(体积破碎)形成大块岩屑;扭转冲击切削作用下的破岩比功要明显小于常规切削,且岩石单元从损伤萌生到刚度完全退化的时间同样要小于常规切削作用;在软地层中扭转冲击切削几乎没有提速效果。研究结果可为扭转冲击器及钻头设计、钻井参数优选提供依据。     

用于粒子冲击钻井系统的钢粒子精确调控装置研究

粒子冲击钻井技术是一种在钻井液中加入钢粒子,以超过150 m/s速度经钻头喷嘴喷出冲击井底岩石实现破岩的技术,目前该技术主要通过计量输送机构转轴转速的方式,实现钢粒子体积分数调控,但存在无法直观反映粒子输送量、体积分数调控不够准确等问题.因此,文章提出了一种在线精确调控粒子体积分数的方法,设计了称重无轴螺旋输送机构和粒...     

大庆油田粒子冲击钻井注入系统研究

随着勘探开发的深入,传统钻井方式在深部硬地层以及复杂地质条件下存在钻速慢等难题。开展了粒子冲击钻井PID(Particle Impact Drilling)的技术研究,利用钻井液的水力能量实现金属粒子高速冲击地层,实现破岩,以提高深井和超深井的钻井速度。介绍了一套粒子注入系统,从密封方式及旋转结构阐述了该系统注入泵的设计,为粒子注入系统的完善提供了新思路。     

PDC钻头复合冲击钻进动力学研究

深部地层的环境温度高，岩石硬度大、研磨性强。采用PDC钻头常规钻井方式，钻头的破岩效率低、机械钻速慢。介绍了1种轴扭复合冲击破岩工具的结构和工作原理。建立PDC钻头破岩理论模型和数值分析模型，并进行对比分析，得出了常规钻进和轴扭复合冲击钻进过程中PDC钻头的运动轨迹和岩石破碎过程应力变化规律。分析发现，复合冲击作用下岩石裂纹发生快，更容易产生体积破碎，岩石表面能够形成连续均匀的破碎坑，相比常规钻进能够提速30%左右。该研究为轴扭复合冲击破岩提供了理论依据，对深井油气田开发具有重要意义。     

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。     

井底自激振荡脉冲粒子射流钻井工具试验研究

井底自激振荡脉冲粒子射流钻井工具是一种集成脉冲射流技术与粒子冲击破岩技术的钻井提速工具,可以在井底实现钢制粒子的自循环冲击破岩,并伴有一定的压力脉冲效应,二者联合实现高效破岩。为了全面掌握工具的结构尺寸对压力脉冲效应、粒子自吸效果和破岩效率的影响规律,设计加工了模型工具,并利用模型工具在室内开展了压力脉冲测试、粒子吸入量测试、粒子自吸效果观察和破岩试验,证实了工具自吸功能和压力脉冲效应,分析了工具结构尺寸对压力脉冲幅值、引射系数和破岩效果的影响规律。研究结果可为井底自激振荡脉冲粒子射流钻井工具的结构优化提供试验技术支持。     

高频振动钻具冲击下岩石响应机理及破岩试验分析

为了研究深井、超深井硬地层中高频振动冲击钻井的破岩机理及破岩效果,基于机械振动原理,建立了高频振动激励下有限深度范围内岩石稳态振动响应的幅频特性模型,分析了井底岩石的响应特点。通过PDC钻头的旋转、高频振动冲击的联合破岩试验,分析了转速、频率等参数对振动冲击钻井机械钻速的影响。结果表明:随着振动冲击激励频率增大,机械钻速逐渐增大;振动冲击激励频率为1 400~1 500 Hz时,机械钻速达到最大,与无振动冲击激励相比增幅为93.5%~106.3%。理论研究和试验结果都证明,高频振动冲击能够降低岩石抗钻能力,提高破岩效率。