粒子沖擊鉆井

粒子沖擊鉆井研究進展第三講整理課件目前深井和超深井硬地層鉆井普遍存在速度慢、周期長、本錢高等問題。據(jù)統(tǒng)計，深井超深井鉆井時，硬地層及高研磨性進尺占全井進尺的20%，鉆井本錢卻占到了總本錢的70%。因此，研究在深井超深井難鉆地層高效鉆井新方法勢在必行。針對在深井硬地層鉆井中存在上述問題，結合射流技術，提出：粒子射流提高深井鉆速研究〔粒子沖擊鉆井技術〕粒子沖擊鉆井2整理課件粒子沖擊鉆井技術研究一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀二、粒子沖擊鉆井工藝流程三、粒子沖擊鉆井設備及工具四、研究成果五、前景展望3整理課件國內(nèi)外現(xiàn)狀2002年美國的CurlettH.B.、SharpD.P.和GregoryM.A.等人,提出了粒子沖擊鉆井(ParticleImpactDrilling,簡稱PID)技術的新概念。粒子沖擊鉆井是在不改變現(xiàn)有鉆井設備和工藝的根底上，將2%-5%的鋼質(zhì)粒子〔顆?！惩ㄟ^注入系統(tǒng)注入到高壓鉆井液中，通過鉆桿輸送到PID鉆頭，粒子從鉆頭噴嘴高速噴出沖擊破碎井底巖石，實現(xiàn)高效破巖,提高鉆井速度的一項新的鉆井技術。一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀粒子示意圖4整理課件為將該技術推廣應用，2005年投資5000萬美元，成立了粒子鉆井技術公司。一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀5整理課件粒子沖擊鉆井試驗進展

試驗時間地點實驗結果室內(nèi)試驗2005.3鹽湖城鉆井完井實驗室試驗7天，模擬實驗11次，取得了大幅度提高鉆速的顯著效果?，F(xiàn)場試驗2006.11猶他州PID鉆進7h，進尺28m，常規(guī)鉆進24h，進尺27.4m，鉆速提高4倍。2007.1.猶他州鉆進8h，進尺36.6m，最長運行記錄。2007.4德克薩斯東部北美最堅硬、最具研磨性的巖層總進尺104.5m，平均鉆速5.4m/h，常規(guī)鉆速1.2m/h。2008.5德克薩斯東部對注入系統(tǒng)進行改進，研制出塔式注入系統(tǒng)2009.5現(xiàn)場應用61/2"尺寸的井眼成功鉆遇64口井。一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀6整理課件一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀二、粒子沖擊鉆井工藝流程三、粒子沖擊鉆井設備及工具四、研究成果五、前景展望粒子沖擊鉆井技術研究7整理課件二、粒子沖擊鉆井系統(tǒng)工藝流程注入系統(tǒng)回收系統(tǒng)與傳統(tǒng)鉆井技術相比，粒子沖擊鉆井技術主要有三項主要技術：注入系統(tǒng)、回收系統(tǒng)、PID鉆頭PID鉆頭注入系統(tǒng)回收系統(tǒng)8整理課件一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀二、粒子沖擊鉆井工藝流程三、粒子沖擊鉆井設備及工具四、研究成果五、前景展望粒子沖擊鉆井技術研究9整理課件三、粒子沖擊鉆井設備及工具

粒子注入系統(tǒng)包括注入塔和機架。利用升降機舉升粒子到達塔頂部的加料斗，采用二級混合注入方式，通過螺旋擠壓方式注入到高壓鉆井液中。注入系統(tǒng)

從根本上講，粒子注入系統(tǒng)進行研究的核心是將粒子如何連續(xù)均勻的混入到高壓鉆井液中。10整理課件為保證粒子均勻注入，粒子與鉆井液二次混合后和螺桿擠壓機均勻擠入高壓管線。三、粒子沖擊鉆井設備及工具垂直螺旋輸送機11整理課件粒子回收系統(tǒng)粒子沖擊鉆井回收系統(tǒng)主要部件有：旋轉儲罐，環(huán)形別離器和磁鐵別離器。返到地面的鉆井液經(jīng)振動篩將粒子和巖屑別離出，粒子通過環(huán)形別離器和磁鐵別離器別離，分理出的完好粒子洗凈后進入旋轉儲罐〔保持粒子的振動，防止粒子相互粘結成塊〕。旋轉儲罐環(huán)形分離器磁鐵分離器三、粒子沖擊鉆井設備及工具粒子回收系統(tǒng)圖12整理課件PID鉆頭中心噴嘴側噴嘴PID鉆頭底部視圖PID鉆頭主要有粒子噴嘴和切削齒組成,粒子從噴嘴高速噴到達井底破碎大局部巖石。鉆頭底面的中部呈錐形地布置有切削齒,能以低鉆壓和低扭矩方式破碎井底的環(huán)形巖脊,鉆頭外緣布置有保徑齒,以便切削井眼周邊形成規(guī)整的井眼形狀。三、粒子沖擊鉆井設備及工具13整理課件主要研究內(nèi)容：1、粒子注入系統(tǒng)原理及結構設計2、粒子沖擊破巖規(guī)律分析3、PID鉆頭結構設計4、回收處理系統(tǒng)的原理及設計5、粒子沖擊鉆井新型鉆井液研究6、粒子沖擊鉆井環(huán)空水力學研究7.循環(huán)管線磨損測試三、粒子沖擊鉆井設備及工具14整理課件一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀二、粒子沖擊鉆井工藝流程三、粒子沖擊鉆井設備及工具四、研究成果五、前景展望粒子沖擊鉆井技術研究15整理課件在粒子撞擊巖石時，粒子作用于井底的力在非常小的接觸區(qū)域上，產(chǎn)生非常大的沖擊瞬時接觸應力。當瞬時應力超過極硬巖石的抗壓強度時，粒子嵌入并破碎巖石。在沖擊接觸區(qū)邊界會產(chǎn)生拉應力和剪應力。由于巖石的抗拉強度僅為其抗壓強度的1/16～1/80,抗剪強度僅為抗壓強度的1/8～1/15,當拉應力和剪應力分別超過了巖石的抗拉和抗剪的極限強度時,將形成裂隙〔顯性裂紋和隱性微裂紋〕,在粒子與射流作用下，產(chǎn)生大量破碎的巖屑〔如右圖所示〕，從而大大提高了破巖速度。

單粒子沖擊破巖示意圖粒子沖擊破巖機理分析四、研究成果16整理課件四、研究成果井底破巖示意圖粒子沖擊巖石后的井底形狀粒子從噴嘴高速噴出后沖擊破碎巖石，產(chǎn)生環(huán)形巖脊,井底形狀如下圖17整理課件粒子速度對沖擊破巖的影響四、研究成果當粒子侵入深度太淺時，顯然破巖效率不高，侵入深度太深粒子不易彈回，會影響破巖效果和損壞鉆頭。研究結果說明，粒子侵徹深度與粒子尺寸、速度及沖擊角度等因素有關。粒子破巖過程中，粒子侵入深度不宜超過粒徑30%~40%，如果超過50%以上，粒子將會嵌入地層難以返回，從而不利于破巖。如下圖，粒子直徑為0.2cm時，粒子初速度應該選在100－250m/s范圍之間。18整理課件粒子直徑對沖擊破巖的影響從圖中可以看出，粒徑越大，侵入巖石深度也越大?？紤]到粒子不被嵌入巖石中。因此，粒子直徑0.1cm-0.3cm之間較適宜。四、研究成果19整理課件入射角度對沖擊破巖的影響當入射角度小于20°時，粒子侵入巖石深度變化不大；當入射角超過20°以后，隨著入射角度的增加，切向速度增大，切向位移逐漸增大，法向侵入巖石的深度就會逐漸減小。這是因為入射角度變大，使得入射速度的法向分量減小，從而使法向侵入深度減小。粒子較佳的入射角度范圍應在0°-20°之間。四、研究成果20整理課件室內(nèi)破巖試驗

利用粒子破巖實驗架，將粒子與從高壓泵泵出的鉆井液混合均勻后，通過高壓管線到達射流噴嘴，噴出沖擊破碎巖石。四、研究成果21整理課件

隨壓力的增加，破巖體積大幅度增加，加鋼粒的破巖體積是不加粒子的4倍多。沖蝕巖石實驗結果分析破碎體積隨壓力變化曲線加鋼粒沖蝕不加鋼粒沖蝕四、研究成果22整理課件PID鉆頭設計目前，提出兩種鉆頭設計方案:(1)雙翼結構PID鉆頭；(2)牙輪鉆頭改進設計。四、研究成果23整理課件注入系統(tǒng)方案設計注入系統(tǒng)四、研究成果24整理課件回收別離系統(tǒng)方案設計四、研究成果25整理課件粒子沖擊對循環(huán)管線壽命影響粒子鉆井的另一個問題是粒子對循環(huán)管線的磨損問題，為了保證在鉆井過程中循環(huán)管線的工作壽命，在室內(nèi)進行了粒子沖擊磨損試驗。

粒子對循環(huán)管線磨損實驗裝置四、研究成果26整理課件開泵循環(huán)100小時后沖管情況開泵前鵝頸管情況開泵循環(huán)100小時后沖管情況開泵前沖管情況開泵循環(huán)100小時后鵝頸管情況四、研究成果27整理課件開泵循環(huán)100小時后沖管情況開泵前鉆桿情況開泵循環(huán)100小時后鉆鋌情況開泵前鉆鋌情況開泵循環(huán)100小時后鉆桿情況四、研究成果28整理課件一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀二、粒子沖擊鉆井工藝流程三、粒子沖擊