破岩钻井方法及高压水射流破岩机理研究

简要分析回顾了破岩和钻井方法的发展，论述了激光钻井和高压水射流钻井的发展潜力。阐明了高压水射流钻井技术已具备工业应用的可行性。分析了高压水射流破岩机理研究中的关键问题及解决途径，介绍了利用数值模拟和试验相结合的方法研究高压水射流破岩机理所取得的一些突破性进展，提出了建立和完善高压水射流破岩理论体系、发展水射流钻井技术的研究方向。     

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。     

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。     

盘形钻头复合破岩实验研究

在研究８１／２英寸ＸＨＰ５三牙镶齿钻头结构尺寸的基础上，设计了３种齿形参数不同的盘形钻头。在复合破岩实验机上实验了８１／２英寸ＸＨＰ５三牙轮镶齿钻头和盘形钻头各齿圈间距、牙轮刃间角、齿顶宽及牙轮轴线平移量等特性参数破岩效果的影响。实验数据统计表明，对于四川二迭系这样的极硬地层，８１／２英寸ＸＨＰ５三牙轮镶砂破岩效果并不好，钻头在有无偏移情况下钻压和扭矩都比条形齿圈的较大，而破岩体积却较小；盘形钻头     

高压淹没水射流破岩实验研究

利用高压淹没射流装置对几种岩石进行了破碎实验，通过对实验结果的分析讨论，得出了喷嘴出口动压力、喷嘴直径和喷距与破岩效果之间的关系。     

物探冲旋钻头破岩机理仿真研究

冲旋钻井技术已广泛应用于油气资源勘探领域,但仍存在一些不足,比如钻具损坏严重、能量传递效率低、破岩效率有待进一步提高等。因此,有必要进一步揭示物探冲旋钻井中钻头与岩石的互作用机理,为优化设计冲旋钻头提供理论依据。利用显式动力学分析软件LS-DYNA建立了物探冲旋钻头破碎岩石的有限元模型,并进行了计算机仿真,得到了钻头中心齿、第2排齿、边齿、钻头端面的应力时程图和应力波在钻头中的传播图。仿真结果表明:钻头破岩过程中,各个牙齿的应力变化非常大,第2排齿的应力峰值最大,其次是中心齿,再次是边齿;钻头喷嘴处的应力远大于钻头中心端面和排屑槽的应力;应力波在钻头中传播,危险区域经历了从钻头尾部到钻头喷嘴再到牙齿的过程。      

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。     

带空气锤的空气钻井破岩机理

国内外对空气钻井的井壁稳定性、最小体积流量、地层出水和井斜的控制、提高钻速的机理等方面作了深入的研究,但对破岩机理的研究却较少。为了弄清楚空气钻井尤其是带空气锤的空气钻井破岩机理, 依据空气钻井中的专用钻具空气锤的工作特性及其破岩特点,从井底破碎坑的分布、岩石的破碎形态两个方面对岩石破碎、空气钻井破岩机理进行了定性与定量分析,分析了空气钻井的工艺参数与空气锤的工作参数对破岩的影响,进而建议开展空气钻井破岩机理仿真、实验台架研制及专用空气钻井设备选型的研究工作。     

基于LS-DYNA的冲旋钻头牙齿破岩机理仿真研究

介绍了显式动力学有限元软件LS DYNA的功能特点，阐述了冲旋钻井中钻头牙齿与岩石相互作用数值研究的模型建立、网格划分、材料定义、接触定义及边界条件等相关问题。利用LS DYNA对3种不同齿形牙齿在冲击载荷下破碎岩石进行了计算机仿真，描述了牙齿破岩过程，并求出了相应的应力、位移时程关系曲线，得到了3种不同齿形牙齿的破岩机理。经过分析发现，在弹头齿和锥形齿冲击下裂纹首先出现在岩石内部，齿和岩石接触面下端最早出现裂隙，而在球形齿冲击下裂纹首先出现在齿和岩石接触面边缘；3种牙齿齿尖应力波峰值由大到小依次为：弹头齿、锥形齿、球形齿；布齿时锥形齿宜分布在钻头头部端面中心、球形齿分布在边缘，弹头齿或者锥形齿可分布在中心与边缘之间，这样有利于提高钻井破岩效率。     

旋冲钻井技术的破岩及提速机理

深部硬地层钻井效率低、成本高的问题是现阶段深井、超深井钻井过程中长期面临的难点问题。旋冲钻井技术由于其具有提高硬地层钻进效率、降低定向钻进中黏滑振动以及提高钻压传递效率等优点而得到认可,但旋冲钻井技术的破岩提速机理尚不够明晰,且与冲击器配合的钻头使用寿命尚达不到工业要求。基于岩石力学、岩石破碎学、损伤力学等理论结合有限元方法建立了单齿旋冲破岩的三维有限元模型,分析了单齿旋冲作用下岩石的裂纹扩展、岩屑形成、损伤演化以及破岩比功等问题。研究发现,硬地层岩石在旋冲作用下更易发生脆性破碎,旋冲钻井技术能够改善钻齿的受力状态,更好地保护切削齿,提高钻进效率;冲击幅值对破岩比功的影响程度不大,这与扭冲钻井技术不同;冲击频率对于破岩比功的影响较大;旋冲钻进技术不适用于软地层。     

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。     

水力机械联合破岩主要配合参数的实验研究

为提高钻井速度,掌握水力机械联合破岩规律,开展了水力机械联合破岩主要配合参数的实验研究。利用水力机械联合破岩实验装置,模拟井底实际钻进工况,得出了不同破岩方式、射流相对于齿的位置、射流与齿间距和围压4个参数对联合破岩效果的影响规律。研究结果表明:水力机械联合破岩工作方式要优于单射流或单钻齿工作方式;射流在齿后喷射的破岩效果要优于射流在齿前喷射的破岩效果;其它参数一定的情况下,随着围压的增大,联合破岩效果降低,但降低的幅度逐渐变小;增加射流压力,也将增大水力机械联合破岩效果;当射流与齿间距大于3 mm时,随着射流与齿间距的增大,联合破岩效果越差。     

CO2破岩机理及压裂工艺技术研究

为了明确不同介质注入过程中有效应力的变化规律,揭示超临界CO₂压裂的起裂压力低、穿透距离远、裂缝密度广的力学机理,基于线弹性多孔介质模型,线性分解井筒平面各向应力,引入井筒增压速率,对孔隙压力与附加周向应力进行修正。结合长庆气田致密气特征,集CO₂破岩增压与滑溜水体积压裂双重优势,改进气藏地质储量容积差值法,优化CO₂注入量,根据井下压力计监测数据分析动态滤失平衡点,优化CO₂施工排量,研发防冻隔离液,开发单机组作业流程,攻关形成前置CO₂蓄能压裂技术。计算结果表明：液态CO₂压裂的起裂压力降低了69.2%,超临界CO₂压裂的起裂压力降低了75.5%。在鄂尔多斯盆地东部开展先导性试验6口井,一次喷通率100%,平均试气产量7.59万m³/d,为长庆气田探索出了新的技术增产途径。     

牙轮钻头的岩屑破碎机理及可钻性的分形法

为满足优质高速钻井的要求,需要对岩石可钻性做出快捷、精确的判断。利用分形几何理论,研究了钻井过程中牙轮钻头的破岩机理以及岩屑的等破碎概率问题;依据Bond裂纹学说,提出了一种以井底返出的岩屑为对象的岩石可钻性测试方法,并建立了岩石可钻性极值和岩屑分形维数的关系模型。室内实验表明:微钻头岩石可钻性级值与破碎岩屑分形维数存在明显的相关性,由此制定了一个基于岩屑粒度分布分形维数表示的岩石可钻性预测指标。经现场检验,分形法确定岩石可钻性级值具有较高的精度。这表明钻井过程中上返岩屑的分形维数能反映岩石可钻性程度,可以用分形维数衡量岩石可钻性大小。     

钻头切削齿破碎岩石的温度变化试验及机理分析

钻头切削齿是破碎岩石的核心部分，在破岩过程中做的绝大部分功会转换成切削热，导致切削齿温度升高，目前对切削齿温度的影响研究成果主要集中在切削深度、切削速度及切削齿结构方面，但对于岩石特性对切削温度影响程度和机理的认识尚不明晰。为此，在自制的MDES 2000微钻平台上，开展了砂岩、大理岩、花岗岩以及玄武岩等4种典型岩石的钻进试验，基于岩石破碎力学模型和数值分析结果，探讨了岩石特性对切削温度的影响程度并进行机理分析。研究结果表明：①在相同的钻进参数下，岩石强度直接影响不同岩石钻进深度，导致岩石破碎模式（塑性、脆性）的转变，从而造成不同岩石切削温度的波动差异，砂岩、大理岩发生塑性破碎，温度波动范围约为±0.5 ℃，而花岗岩、玄武岩则发生脆性破碎，切削齿温度波动范围约为±1.5 ℃；②岩石强度是影响切削温度温升速率变化的重要因素，强度越大所需切削力越大，产生切削热增加，导致4种不同岩石钻进时温升速率随岩石强度的增加而逐次递增；③岩石破碎力学模型和前、后刀面温度分析结果表明，切削齿前刀面起主要的切削作用，是造成不同岩石的切削温度波动程度的主要因素。结论认为，钻进试验与数值模拟所得到的温度变化趋势基本吻合，该成果可以为钻头切削齿工作寿命研究提供借鉴和参考。     

考虑岩样尺度效应时钻井液对岩石力学性质影响的试验评价

在考虑试验岩样尺度效应的基础上,进行的模拟地层条件下钻井液对岩石力学性质影响的试验研究结果表明:经钻井液处理后的Φ25mm×25mm岩样的抗张强度高于未经钻井液处理的Φ50mm×50mm岩样,且处理后的岩样抗张强度均高于未处理的岩样。对于钻井液处理前后同尺寸的岩样,由于试验岩样中泥质软颗粒含量高低不同,在孔隙度小于2.5%时,孔隙度越小,处理前后的抗张强度相差越大,且处理前的岩样抗张强度比处理后的岩样大4MPa左右;在孔隙度大于2.5%时,钻井液处理前后的岩石抗张强度趋于一致。在模拟地层条件下,钻井液处理后的岩样抗压强度和弹性模量显著下降,泊松比增大。岩石矿物中的泥质黏土矿物遇到钻井滤液后产生软化效应,致使岩样呈现:经钻井液处理时间越长,其抗压强度和弹性模量下降越多的趋势。