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。     

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现代旋转钻井破碎岩石是以机械破岩为主导方式，射流辅助机械破岩的目的是提高机械钻速。文章论述了牙轮钻头与岩石相互作用过程及岩石剪切破坏的内在规律；重点研究了射流的水楔作用对岩石裂纹产生、扩展、贯通及破坏的机理。实验结果表明，射流辅助钻井的门限压力是岩石抗拉强度的4.1倍，是抗压强度的26%；还与井底压差及其它岩石物理力学性质有关。同时指出，超高压射流的研究与应用是辅助钻井高效破岩的重要发展趋势。     

电脉冲破岩钻井地层主要参数敏感性分析

岩石的硬度、耐磨性等严重限制了深层超深层油气资源的高效开采,而电脉冲破岩钻井技术在破碎硬岩方面具有独特优势。为探究地层特性对电脉冲破岩效果的影响,根据电脉冲破岩的基本原理,并基于基本破岩单元建立了动态电损伤模型。基于动态电损伤模型,讨论了特定高压脉冲电源参数下,岩石特性对电脉冲破岩效果的影响。通过讨论分析可知,相对介电常数越大,岩石内部发生电击穿的时间成本越低,破坏深度与损伤总量也会越大;电击穿时间、破坏深度会随泊松比和弹性模量的变化出现小幅波动,但不具有规律性;岩石的密度不会对电脉冲破岩造成影响。相关结论可为电脉冲破岩钻井技术的进一步工业化应用提供一定参考。     

可钻性能量法的岩屑破碎机理

将分形理论用于解释岩石可钻性能量测试方法中岩屑试样的破碎机理，证实了分形理论可以更深刻，更全面地揭示岩屑试样破碎过程与产物分布的联系，利用分维数计算出试样破碎后的平均粒度与实测结果一致。     

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石油钻柱主要由方钻杆、钻杆、钻铤三大部分组成,因服役条件十分恶劣,使其成为钻井设备工具中的一个薄弱环节。特别是在深井、超深井及复杂地质环境条件下钻井,钻具失效事故时有发生,四川川东地区仅１９９６年～１９９７年间就发生了人钻具井下断裂事故,造成了很大经济损失。防止和减少钻具失效,关键在预防,为此,根据钻柱各部分在井内的受力特点不同将其划分为钻柱井口处、零应力点上部、零应力点附近、零应力点下部四个钻具     

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。     

水力脉冲式钻井工具的研制与应用

水力脉冲式钻井是利用特定的工具使钻井管柱中的连续流转变为脉冲射流,从而改变井底流场的压力状况,进而提高机械钻速的一种钻井新工艺。在分析水力脉冲产生机理的基础上,探讨了基于瞬变流理论的机械阻断式水力脉冲破岩机理,介绍了SLPMC机械阻断式水力脉冲工具的工作原理及结构特点,简单叙述了该工具在胜利油田进行的2口井的现场试验情况。该钻井工具对于提高机械钻速和降低钻井成本具有一定的积极意义。     

激光破岩技术发展现状及未来发展方向

近年来,深层油气田的开发需求逐渐增加,对钻井技术的要求也越来越高,传统的机械旋转钻井技术在钻探深层地质高硬度岩石时略显乏力。激光钻井技术以其成本低、效率高、安全性好、对地层伤害小等特点在钻井领域引起了广泛的关注。相关的理论和实验研究已经取得了一定的成果,本文总结了近年来激光破岩技术的理论和实验研究成果,展望其发展前景,并对该技术发展中亟待解决的问题作了简要介绍。     

油气钻井组合式破岩技术研究

为了提高钻井效率,对油气钻井组合式破岩技术进行了深入研究,摩擦热-机械破岩、微波-机械破岩、激光-气体机械破岩等新型组合破岩技术较常规机械破岩方法能明显提高破岩效率,但也有各种技术瓶颈需要突破,距工业化应用还存在一定距离,机械破岩仍是高效破岩的主体.在研究岩石热物理特性、空气钻井装备工具、高温材料等的基础上,提出燃烧热能-机械能综合破岩方法是最有发展前景的新型破岩方法.采用燃烧热能-机械能综合破岩,双壁钻杆及双通道水龙头提供燃料通道,耐热材料用于研制高温钻头,高温造壁器将破岩形成的井眼井壁玻璃化,可实现深井和超深井钻井,并保护储层.      

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。     

导向钻具几何造斜率的实用计算方法

根据三点定圆的数学原理，提出了导向钻具几何造斜率的精确计算公式，进而给出了简明的实用计算公式。文章的几何造斜率计算公式弥补了原三点定圆法没有考虑结构弯角位置对钻具造斜率影响的缺陷，揭示了三点定圆法误差过大的主要原因，分析了影响导向钻具几何造斜率的主要因素。还结合实例，阐述了利用几何造斜率进行弯壳体导向钻具组合设计的原理和方法。     

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把钻井工程相关专家的经验和知识以及从大量数据中提取的信息有机地汇集起来，通过建立一个基于油气田内部互联网上的石油钻井知识共享体系,使现场作业人员能及时获取和共享，对提高钻井决策水平起着重要作用。文章介绍了知识共享体系的概念，提出建立钻井知识共享体系的关键环节是联系钻井各部门网络环境的建立、知识管理和知识共享标准和协议的制定以及有资质的专家群体对该体系的管理和维护。特别强调要改变现行的工作方式，致力于营造知识共享的应用环境，使钻井工程技术人员无论何时、何地,做任何决策时都能想到、都能获得、都能充分应用所需要的决策支持。该体系将改变传统的石油钻井决策模式，使多方专家不受时空限制，通过知识共享，充分利用现有的知识和经验，及时作出最优钻井决策。     

天然气钻井在川西地区的实践与认识

近年来，中国石油西南油气田分公司川西北气矿先后在川西地区平落19等5口井实施了天然气钻井，实践的数据和结果充分体现了天然气钻井的优越性，取得了良好的勘探效果，并创国内天然气钻井多项新水平。实践表明，天然气钻井是比较容易进行的，但必须具备一定的地质条件，而且要精心制定工艺流程并正确实施。通过几口井天然气钻井的实践，进一步加深了对天然气钻井的理解和认识，积累了不少经验，但同时也发现了几个应当引起重视和解决的技术问题：①天然气钻井开始时间的选择；②空气螺杆从何时开始使用；③终止天然气钻井时机的选择等。     

钻井投资和油气价格对财务盈利能力影响实证分析

财务盈利能力是工程项目经济评价的重要内容之一。反映财务盈利能力的指标主要包括：内部收益率、投资回收期、财务净现值和投资利润率。对于油气田开发工程项目而言，影响财务盈利能力指标的因素很多，但钻井投资与油气价格是两个不可忽视的因素。因此，文章在建立钻井投资和油气价格与反映油气田开发工程项目财务盈利能力各指标数学模型的基础上，实证性分析了某油气田钻井投资和原油价格对财务盈利能力各指标的影响，在其他条件一定的情况下，利用回归拟合方法，拟合出了财务盈利能力各指标与钻井投资和原油价格关系的函数，计算了财务盈利能力各指标对钻井投资和原油价格的弹性系数，为油气田开发工程项目投资决策提供了参考依据。     

天然气高效利用途径分析

比较分析了天然气分别作为民用燃料和锅炉燃料、直燃空调燃料、联合循环发电以及区域能源站燃料等几种利用途径的优缺点。其中着重介绍了电、热、冷三联产的节能原理，国外区域能源站迅速发展的有关情况，以及国内区域能源站和电、热、冷联产技术发展状况。结果认为，天然气联合循环以及天然气区域能源站是高效利用的最佳途径，并指出天然气区域能源站的顺利发展需要政策的支持。     

深井钻柱振动规律的分析及应

钻柱振动是在当前钻井工程中的普遍现象，对钻井的影响很大，钻柱共振是钻柱失效的主要原因。文章研究深井钻柱的振动问题，以深井钻柱为研究对象，分析研究了钻柱的纵向振动、横向振动及扭转振动。首先，建立了深井钻柱各种振动的力学模型，获得了钻柱振动所遵循的物理规律，得到了钻柱的各种共振频率。然后，结合实际对振动规律进行了应用，该研究为减小深井钻具损坏和优化钻具设计提供了理论依据。     

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空气钻井因其钻速快，防漏制漏效果好，具有常规钻井液不可比拟的优越性，但由于含氧量高，当其遇到地层水时，钻具腐蚀情况较为严重。以伊朗TABANK气田14井为例，该井地层水为腐蚀介质，研究了温度、空气压力、含砂量、砂子粒度、转速和pH值对S135钻杆钢的腐蚀影响，为以后空气钻井防腐提供了参考依据。试验结果表明：腐蚀速率随温度、空气压力或转速的升高而增大，在低温或低压下，腐蚀为均匀腐蚀；高温或高压下，呈现非均匀腐蚀现象。随腐蚀介质中含砂量的增多，石英砂对S135钢的磨蚀作用增强，腐蚀速率逐渐增大，石英砂越细，则其磨蚀作用越强，腐蚀越明显；均匀混合的石英砂较单一级配的石英砂对钢片的腐蚀程度大。腐蚀速率随pH值的升高而降低，碱性条件有利于防腐。     

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矿渣MTC固化体高温下易开裂问题一直限制着矿渣MTC技术的推广应用，文章对影响固化体开裂的宏观因素：温度、压力、浆体pH值等进行了实验研究分析。通过X射线衍射、扫描电镜等分析手段找到了固化体开裂的本质原因在于高温条件下矿渣水化反应速度加快，其玻璃体分相结构中富钙相的分解速度加快，体系中Ca(OH)₂增加较多，而富硅相解体反应的变化幅度不大，体系中SiO₂则相对较少，反映在固化体局部区域中，C-S-H凝胶体不仅C/S增大且分布不均匀且由于该部分水化产物呈球形和蜂窝形，胶结时接触面积少，形成的凝胶体胶结差，不稳定，易发生晶形转变，宏观上表现为固化体容易形成裂纹。     

混合材水泥浆组分与强度性能对水泥石声速特征的影响研究

固井质量评价主要依赖于水泥胶结测井结果，而声波水泥胶结测井结果受被测介质（套管-水泥、水泥-地层）的影响。文章利用超声波测试手段，以水泥环为主要研究对象，探索了高、中、低3种密度混合材水泥石的声速特征，定性地分析了固井水泥配方设计（组分、强度性能）对水泥石声学特性的影响。实验表明：在正常密度水泥石实验中一般声速反应较规则，基本与强度正相关；不同类型外加剂控制水泥石工程特性的不同，凝固后形成水泥石的内部均匀、密实及晶相连续性特征不同，声速反应也不同。因此，利用声波水泥胶结测井结果进行固井质量评价时，不能忽视混合材水泥浆设计（组分、强度性能）对测井结果的影响。     

固液分离机中岩屑颗粒沉降规律研究

岩屑在钻井液中的沉降速度、沉降阻力、流动分布等已成为钻井工艺设计中的重要参数。岩屑在钻井液中的运动十分复杂，这些参数很难用纯解析方法获得。文章从岩屑颗粒与液相介质之间的相互作用入手，采用理论分析和试验研究相结合的方法，参照经验公式,讨论了固液动态压滤分离机中岩屑颗粒的沉降规律，对动压机内颗粒的受力情况、轴向沉降、离心力场沉降等问题进行了理论探讨和研究，得出了岩屑颗粒离心沉降末速度。