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。     

激光破岩试验及激光技术在石油工程中的应用

针对激光技术在石油工程技术领域的应用,国内学者开展了大量理论研究,为了验证理论分析和激光破岩实际效果,搭建了激光试验系统,开展了硅质砂岩岩样激光直线扫描及定点打孔试验,分析得出激光破岩效果与激光光束参数、扫描速度、光斑尺寸及岩屑清理等因素相关。根据激光扫描和打孔试验结果,有针对性地提出了气体钻井激光辅助破岩和激光射孔2方面应用,并重点从激光光源优选、高能激光远距离传输及井下适应性3个方面分析了激光应用需要解决的关键技术。所得结论对激光技术在石油工程领域应用具有重要的指导意义。     

激光钻井技术研究进展与展望

采用传统旋转钻井技术钻井时钻具磨损严重,需经常更换钻头,钻井周期长,成本高。而激光钻井技术可大大提高钻井速度,缩短钻井周期。综述了国内外激光钻井技术在激光/岩石/流体相互作用原理和岩石快速相变的热力学与传热学2大基础学科中的研究成果。指出了激光钻井技术面临的诸多问题,深入分析了影响激光直接钻井破岩效率的因素。提出将激光钻井技术与机械旋转钻井技术相结合的激光辅助破岩技术,并阐述了激光辅助破岩技术的原理,为激光钻井技术的发展指明了研究方向。     

激光钻井技术研究展望

主要介绍了目前在石油领域具有实用价值的七种激光技术。为了保证最高效的钻井应对激光器的类型进行选择。激光深井破岩中高温岩屑运移的多相流动理论和激光钻井破岩中的安全性与环境保护，还有待深入研究。激光钻井的优点主要体现在机械钻速比传统的机械钻速高很多，极大地减少了钻井成本。对激光钻井未来发展所面临的挑战和研究重点做了分析与展望，认为在未来激光钻井研究中，主要应考虑以下五个方面：复杂的地层条件、井眼的清洗和异常压力的控制、井筒中气体对机械钻速的影响、温度和压力的双重影响、斩波脉冲和连续波脉冲的选择。     

空化射流及其在钻井破岩中的应用前景

空化射流在地面低环境压力下已经获得了广泛的应用，但是在地下高环境压力下的应用却遇到了一定的困难。为此，阐述了空化现象和空化射流研究简史、空化形成的机理、检验空化生成的方法和影响空化的因素；讨论了传统上用于判断射流是否空化及空化程度的空化数的合理性,结果为用空化数不能判断射流的空化状态，流场中具有绝对压强小于或等于汽化压强的区域是射流空化的必要条件。针对空化射流比普通射流破岩能力强的问题，分析了Rayleigh空穴湮灭冲击压强计算公式存在的问题，给出了空化射流中的流体质量脉动引发作用在岩石表面上的压强脉动是导致岩石破坏的主要原因的理论解释。应用自振射流喷嘴能提高油气井钻进速度的原因不是射流空化，而是脉动的射流在岩石表面产生的脉动压力。在分析深井钻井的高温、高围压等特殊环境和空化形成机理后，认为空化射流应用于深井钻井很难。     

微颗粒强化射流空化及破岩能力研究

深井、超深井钻井面临地层强度高、机械钻速慢等挑战,利用射流空化作用辅助破碎岩石为深井提速提供了新方向。为此,提出了利用微颗粒降低空化临界负压,提高空化强度的技术思路。采用高速摄影和水听器,证实了微颗粒对射流空化的强化作用,并通过冲蚀破岩试验探索了微颗粒直径、质量分数及喷距对空化射流破岩能力的影响规律。研究结果表明：微颗粒的存在可提供额外的空化核,同时降低了空化初生难度,可提高井底射流的空化强度;随着微颗粒质量分数的增加,空泡云趋于稳定,空化的周期性特征逐渐消失,微颗粒的磨蚀作用和空泡的冲蚀作用将在岩石表面共同形成辅助破岩效果;随着喷距增大,空化破坏作用先增加后减小,无因次喷距为100时空化射流冲蚀效果最佳;优化设计钻头水眼到井底岩石的距离,是保障空化射流辅助破岩效果的关键。研究结果可为提高深部难钻地层射流辅助破岩效率提供参考。     

徐深气田气体钻井破岩机理的初步研究

根据气体钻井实钻情况及其与常规钻井方式的差异,借鉴前人研究成果,提出了一种新的破岩机理——内能释放破碎机理,即气体钻井依靠岩石脱离巨大压持作用而将岩石内积聚的巨大内能进行释放的破碎理论。岩石破碎过程为:原始岩石内能积聚;径向岩石受力变化产生的内能膨胀;径向岩石膨胀及微裂纹产生;钻头敲击裂纹扩展及延伸阶段;钻头齿吃入岩石并旋转使裂纹延伸;剪切岩石使其产生脆性炸裂。因此,使岩石破碎由常规钻井的塑性破碎转变为脆性炸裂。在徐深气田进行了现场实钻,初步验证了该机理的准确性。依据该机理可以进行气体钻井的优化设计以及实钻中钻头和钻井参数的优选。     

空气冲旋钻井破岩试验台架研制初探

分析了空气钻井冲旋破岩的井底压力和温度、钻压、转速、空气排量、空气锤、射流作用等影响因素。由于台架和真实钻井的差异，忽略了井底压力和温度，不做模拟井壁，岩屑可以充分排出。在此基础上，提出了台架机械系统的3种实现方案：方案一借鉴了钻机钻井的实现方法；方案二使用了旋转岩样的方案，不再需要水龙头，钻压施加方便，且节省了一个液压缸；方案三使用液压缸模拟冲击。     

水力增压及高效破岩实验研究

充分有效地利用井底的水力能量，既要能够提高水力能量的利用率。同时又要易于井下实现。为此，设计了一种新型的井下水力增压装置，该装置依靠脉冲射流的卷吸、自激振荡反馈负压区的形成，以及井壁环空液柱压力的它激作用实现井下增压，所用增压介质仅为井下环空流体。井下水力增压装置是一种既能产生脉冲射流，又以环空液柱为它激射流源的新型增压装置。利用该装置分别进行了自增流量实验和射流瞬时动压力实验，并由此得出了实现最佳自增流量的开孔方案。实验结果表明：射流瞬时冲击力可以达到无孔时的2倍以上。     

高效破岩前沿钻井技术综述

高效破岩技术是钻井工程中的基础技术,是提高破岩效率、减少钻进时间和降低钻井成本的重要因素之一。着重介绍当前一些主要的高效破岩钻井技术,如高压水射流破岩技术、旋冲钻井破岩技术、粒子冲击破岩技术、激光钻井破岩技术、电子束破岩技术等,并综述了各种高效破岩技术的原理、特点和国内外发展趋势及当前应用情况等。分析结果表明:高压水射流破岩技术、旋冲钻井破岩技术等传统破岩技术在一定时间仍将是高效破岩钻井技术的主体,而激光钻井破岩技术、电子束破岩技术等新型高效破岩钻井技术处于探索阶段,但会逐渐成为钻井破岩技术的发展方向。     

水力喷射钻孔器径向破岩特性分析

水力喷射径向钻孔可在岩层中打开一条油气通道,增加泄油面积,有效地提高油井产量。为了解水力喷射钻孔器径向破岩特性,基于数值模拟方法,建立了地层-喷射孔数值计算模型,开展了水力喷射钻孔器径向喷射方位、地应力对钻孔器喷射破岩影响规律的研究,从而对钻孔器水平钻井能力及延伸极限进行评估。研究结果表明:随钻孔器喷射方位角的增加,岩石破裂位置相对复杂多样,建议钻孔器喷射方位角设计在0°～30°区间;地应力对喷射破岩有较大影响,建议地应力差异较大条件下,选择较小的喷射方位角,岩石易于破碎;随着入口排量的增加,钻孔器钻进延伸极限先增大后减小;后向孔眼个数越多,钻孔器喷射钻进延伸长度越大。研究成果可为水力喷射径向水平井眼设计以及技术施工设计提供理论依据。     

复合冲击破岩钻井新技术提速机理研究

为了解决PDC钻头钻遇硬地层时出现的机械钻速低、钻头粘滑振动失效快等问题,提出了PDC钻头复合冲击钻井破岩新技术,并对该技术的提速机理进行了研究。根据建立的PDC钻头受单向轴向冲击及复合冲击时的扭转振动模型,对PDC钻头的运动规律进行了分析,并利用ABAQUS软件对岩石受单向轴向冲击及复合冲击时所受的剪切力进行了模拟。模拟结果表明,PDC钻头受单向轴向冲击时切削齿的切削深度会增加,但是会造成PDC钻头扭转振动;复合冲击大大提高了PDC钻头对岩石的剪切作用,降低了岩石的阻抗扭矩,从而抑制了PDC钻头受单向轴向冲击所产生的扭转振动。研究表明,PDC钻头复合冲击钻井破岩新技术能够增加切削齿的切削深度并抑制扭转振动,提高硬地层的机械钻速。      

气体钻井井眼排液工艺技术及应用

为了提高气体钻井作业时效,保障气体钻井作业快速安全进行,在常规气体钻井井眼排液方法(气举排液法和充气排液法)的基础上,提出了一种新方法——交替排液法。气举排液只使用气体注入设备空压机和增压机,充气排液和交替排液还需要使用液体注入设备钻井泵。介绍了井眼排液原则、钻具组合、降低井筒液柱压力的作业方式和井眼排液施工工艺;实例分析了气举排液法、充气排液法和交替排液法的现场应用效果。对比分析表明,浅井排液中,可采用一次性气举排液;深井排液中,采用分段气举排液耗时达30多小时,采用充气排液或交替排液仅需几小时,其中交替排液法时效更高,值得推广应用。      

易失稳火成岩气井欠平衡钻井技术关键

冀东南堡5号构造深部沙河街组储层物性差,孔隙度和渗透率较低,以往常规过平衡钻井过程中多发生漏失,严重伤害了储层。为了有效地发现和评价5号构造深层天然气含气情况,冀东油田开展了南堡5号构造沙河街储层欠平衡钻井技术的研究与应用。由于沙河街储层的坍塌压力比孔隙压力高,不满足欠平衡钻井的压力窗口。通过对南堡5号构造深层沙河街砂泥岩及火成岩地层井壁稳定性分析,研究发现当欠压值合理的情况下,井径扩大率达20％后的坍塌压力小于地层孔隙压力,可以满足欠平衡钻井及探井井身质量的要求,通过6口井的成功应用,证实该理论是可行的,同时也表明在井壁稳定性差的南堡5号构造沙河街地层可实施液相欠平衡钻井技术。     

元坝1井超深井钻井技术研究与应用

针对元坝1井超深井钻井技术难点,开展了空气钻井技术、复合钻井技术、深井钻井液技术、深井固井技术研究,并在元坝1井超漾井上进行了应用,实钻井深7170.71m,钻井周期279.17d,提前完成钻探任务,井身质量和固井质量优,取得了多项重要技术突破和区域钻探高指标.元坝1井的顺利完成,对于加快超深井钻井速度、提高质勘探成功率、推动超深井钻井技术的发展,将起到重要的指导和借鉴作用.     

欠平衡钻井技术及其在焉耆盆地探井中的应用

对欠平衡钻井技术在国内几个油田的应用情况进行了调研,分析总结了该技术的主要优点和技术关键,针对焉耆盆地宝221井储层特点,设计并实施了欠平衡泡沫钻井,并对该井的应用效果及经验教训进行了分析总结。     

英台地区钻具防断技术研究及应用

英51区块在钻井施工过程中不断发生钻具断裂事故, 严重影响了该区块钻井速度, 并给钻井生产带来了巨大的经济损失。应用钻具振动模态分析软件和钻具瞬态动力分析软件, 从纵向振动、扭转振动和横向位移三方面进行定量分析, 找出钻具断裂的主要原因,确定了防断钻具结构及钻井参数。     

苏里格气田水平井随钻地质导向技术及应用

确保水平井轨迹顺畅、提高储层钻遇率和实施效果已成为水平井开发的技术难点。以苏54区块所实施水平井为例,通过对水平井实施情况进行分析,结合苏里格气田基本地质特征,从水平段地质模型及地质导向等关键环节入手,总结出了适合苏里格气田水平井开发相关随钻地质导向配套技术。通过现场应用,效果明显,也为同类气藏水平井随钻地质导向提供了有益借鉴和指导作用。