1、,粒子冲击钻井研究进展,第三讲,东 北 石 油 大 学,目前深井和超深井硬地层钻井普遍存在速度慢、周期长、成本高等问题。据统计，深井超深井钻井时，硬地层及高研磨性进尺占全井进尺的20%，钻井成本却占到了总成本的70%。因此，研究在深井超深井难钻地层高效钻井新方法势在必行。针对在深井硬地层钻井中存在上述问题，结合射流技术，提出：粒子射流提高深井钻速研究（粒子冲击钻井技术）,粒子冲击钻井,粒子冲击钻井技术研究,一、国内外研究现状 二、粒子冲击钻井工艺流程 三、粒子冲击钻井设备及工具 四、研究成果 五、前景展望,国内外现状2002年美国的Curlett H.B.、Sharp D. P.和Gregor
2、y M.A.等人,提出了粒子冲击钻井(Particle Impact Drilling, 简称PID) 技术的新概念。粒子冲击钻井是在不改变现有钻井设备和工艺的基础上，将2%-5%的钢质粒子（颗粒）通过注入系统注入到高压钻井液中，通过钻杆输送到PID钻头，粒子从钻头喷嘴高速喷出冲击破碎井底岩石，实现高效破岩,提高钻井速度的一项新的钻井技术。,一、国内外研究现状,粒子示意图,为将该技术推广应用，2005年投资5000万美元，成立了粒子钻井技术公司。,一、国内外研究现状,粒子冲击钻井试验进展,一、国内外研究现状,一、国内外研究现状 二、粒子冲击钻井工艺流程 三、粒子冲击钻井设备及工具 四、研究成果
3、 五、前景展望,粒子冲击钻井技术研究,二、粒子冲击钻井系统工艺流程,与传统钻井技术相比，粒子冲击钻井技术主要有三项主要技术： 注入系统、回收系统、PID钻头,一、国内外研究现状 二、粒子冲击钻井工艺流程 三、粒子冲击钻井设备及工具 四、研究成果 五、前景展望,粒子冲击钻井技术研究,三、粒子冲击钻井设备及工具,粒子注入系统包括注入塔和机架。利用升降机举升粒子到达塔顶部的加料斗，采用二级混合注入方式，通过螺旋挤压方式注入到高压钻井液中。,注入系统,从根本上讲，粒子注入系统进行研究的核心是将粒子如何连续均匀的混入到高压钻井液中。,为保证粒子均匀注入，粒子与钻井液二次混合后和螺杆挤压机均匀挤入高压管线
4、。,三、粒子冲击钻井设备及工具,垂直螺旋输送机,粒子回收系统,粒子冲击钻井回收系统主要部件有：旋转储罐，环形分离器和磁铁分离器。返到地面的钻井液经振动筛将粒子和岩屑分离出，粒子通过环形分离器和磁铁分离器分离，分理出的完好粒子洗净后进入旋转储罐（保持粒子的振动，防止粒子相互粘结成块）。,三、粒子冲击钻井设备及工具,粒子回收系统图,PID钻头,PID钻头底部视图,PID 钻头主要有粒子喷嘴和切削齿组成,粒子从喷嘴高速喷到达井底破碎大部分岩石。钻头底面的中部呈锥形地布置有切削齿,能以低钻压和低扭矩方式破碎井底的环形岩脊,钻头外缘布置有保径齿,以便切削井眼周边形成规整的井眼形状。,三、粒子冲击钻井设备
5、及工具,主要研究内容：,1、粒子注入系统原理及结构设计 2、粒子冲击破岩规律分析 3、PID钻头结构设计 4、回收处理系统的原理及设计 5、粒子冲击钻井新型钻井液研究 6、粒子冲击钻井环空水力学研究 7. 循环管线磨损测试,三、粒子冲击钻井设备及工具,一、国内外研究现状 二、粒子冲击钻井工艺流程 三、粒子冲击钻井设备及工具 四、研究成果 五、前景展望,粒子冲击钻井技术研究,在粒子撞击岩石时，粒子作用于井底的力在非常小的接触区域上，产生非常大的冲击瞬时接触应力。当瞬时应力超过极硬岩石的抗压强度时，粒子嵌入并破碎岩石。 在冲击接触区边界会产生拉应力和剪应力。由于岩石的抗拉强度仅为其抗压强度的1/1
6、61/80,抗剪强度仅为抗压强度的1/81/15,当拉应力和剪应力分别超过了岩石的抗拉和抗剪的极限强度时,将形成裂隙（显性裂纹和隐性微裂纹）,在粒子与射流作用下，产生大量破碎的岩屑（如右图所示），从而大大提高了破岩速度。,单粒子冲击破岩示意图,粒子冲击破岩机理分析,四、研究成果,四、研究成果,井底破岩示意图,粒子冲击岩石后的井底形状,粒子从喷嘴高速喷出后冲击破碎岩石，产生环形岩脊,井底形状如图所示,粒子速度对冲击破岩的影响,四、研究成果,当粒子侵入深度太浅时，显然破岩效率不高，侵入深度太深粒子不易弹回，会影响破岩效果和损坏钻头。 研究结果表明，粒子侵彻深度与粒子尺寸、速度及冲击角度等因素有关。
7、粒子破岩过程中，粒子侵入深度不宜超过粒径30%40%，如果超过50%以上，粒子将会嵌入地层难以返回，从而不利于破岩。如图所示，粒子直径为0.2cm时，粒子初速度应该选在100250m/s范围之间。,粒子直径对冲击破岩的影响,从图中可以看出，粒径越大，侵入岩石深度也越大。考虑到粒子不被嵌入岩石中。 因此，粒子直径0.1cm-0.3cm之间较合适。,四、研究成果,入射角度对冲击破岩的影响,当入射角度小于20时，粒子侵入岩石深度变化不大；当入射角超过20以后，随着入射角度的增加，切向速度增大，切向位移逐渐增大，法向侵入岩石的深度就会逐渐减小。这是因为入射角度变大，使得入射速度的法向分量减小，从而使法
8、向侵入深度减小。粒子较佳的入射角度范围应在0-20之间。,四、研究成果,室内破岩试验,利用粒子破岩实验架，将粒子与从高压泵泵出的钻井液混合均匀后，通过高压管线到达射流喷嘴，喷出冲击破碎岩石。,四、研究成果,随压力的增加，破岩体积大幅度增加，加钢粒的破岩体积是不加粒子的4倍多。,冲蚀岩石实验结果分析,破碎体积随压力变化曲线,加钢粒冲蚀,不加钢粒冲蚀,四、研究成果,PID钻头设计,目前，提出两种钻头设计方案: (1) 双翼结构PID钻头；(2)牙轮钻头改进设计。,四、研究成果,注入系统方案设计,注入系统,四、研究成果,回收分离系统方案设计,四、研究成果,粒子冲击对循环管线寿命影响粒子钻井的另一个问
9、题是粒子对循环管线的磨损问题，为了保证在钻井过程中循环管线的工作寿命，在室内进行了粒子冲击磨损试验。,粒子对循环管线磨损实验装置,四、研究成果,开泵循环100小时后冲管情况,开泵前鹅颈管情况,开泵循环100小时后冲管情况,开泵前冲管情况,开泵循环100小时后鹅颈管情况,四、研究成果,开泵循环100小时后冲管情况,开泵前钻杆情况,开泵循环100小时后钻铤情况,开泵前钻铤情况,开泵循环100小时后钻杆情况,四、研究成果,一、国内外研究现状 二、粒子冲击钻井工艺流程 三、粒子冲击钻井设备及工具 四、研究成果 五、前景展望,粒子冲击钻井技术研究,前景展望：粒子冲击钻井技术将会成为一种经济、高效的深井硬地层钻井新方法。粒子冲击钻井大大提高了能量的利用率,其钻井速度是常规钻井的24倍,具有广阔的应用前景和开发价值。,五、前景展望,欢迎领导专家 批评指正,
