粒子沖擊鉆井

粒子沖擊鉆井研究進(jìn)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(zhǎng)、本錢(qián)高等問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，深井超深井鉆井時(shí)，硬地層及高研磨性進(jìn)尺占全井進(jìn)尺的20%，鉆井本錢(qián)卻占到了總本錢(qián)的70%。因此，研究在深井超深井難鉆地層高效鉆井新方法勢(shì)在必行。針對(duì)在深井硬地層鉆井中存在上述問(wèn)題，結(jié)合射流技術(shù)，提出：粒子射流提高深井鉆速研究〔粒子沖擊鉆井技術(shù)〕粒子沖擊鉆井2整理課件粒子沖擊鉆井技術(shù)研究一、國(guó)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(shè)備及工具四、研究成果五、前景展望3整理課件國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀2002年美國(guó)的CurlettH.B.、SharpD.P.和GregoryM.A.等人,提出了粒子沖擊鉆井(ParticleImpactDrilling,簡(jiǎn)稱PID)技術(shù)的新概念。粒子沖擊鉆井是在不改變現(xiàn)有鉆井設(shè)備和工藝的根底上，將2%-5%的鋼質(zhì)粒子〔顆?！惩ㄟ^(guò)注入系統(tǒng)注入到高壓鉆井液中，通過(guò)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(shí)現(xiàn)高效破巖,提高鉆井速度的一項(xiàng)新的鉆井技術(shù)。一、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀粒子示意圖4整理課件為將該技術(shù)推廣應(yīng)用，2005年投資5000萬(wàn)美元，成立了粒子鉆井技術(shù)公司。一、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀5整理課件粒子沖擊鉆井試驗(yàn)進(jìn)展

試驗(yàn)時(shí)間地點(diǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果室內(nèi)試驗(yàn)2005.3鹽湖城鉆井完井實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)7天，模擬實(shí)驗(yàn)11次，取得了大幅度提高鉆速的顯著效果?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)2006.11猶他州PID鉆進(jìn)7h，進(jìn)尺28m，常規(guī)鉆進(jìn)24h，進(jìn)尺27.4m，鉆速提高4倍。2007.1.猶他州鉆進(jìn)8h，進(jìn)尺36.6m，最長(zhǎng)運(yùn)行記錄。2007.4德克薩斯東部北美最堅(jiān)硬、最具研磨性的巖層總進(jìn)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(duì)注入系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，研制出塔式注入系統(tǒng)2009.5現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用61/2"尺寸的井眼成功鉆遇64口井。一、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀6整理課件一、國(guó)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(shè)備及工具四、研究成果五、前景展望粒子沖擊鉆井技術(shù)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(shù)相比，粒子沖擊鉆井技術(shù)主要有三項(xiàng)主要技術(shù)：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(guó)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(shè)備及工具四、研究成果五、前景展望粒子沖擊鉆井技術(shù)研究9整理課件三、粒子沖擊鉆井設(shè)備及工具

粒子注入系統(tǒng)包括注入塔和機(jī)架。利用升降機(jī)舉升粒子到達(dá)塔頂部的加料斗，采用二級(jí)混合注入方式，通過(guò)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(jìn)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(jī)均勻擠入高壓管線。三、粒子沖擊鉆井設(shè)備及工具垂直螺旋輸送機(jī)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(zhuǎn)儲(chǔ)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(dòng)篩將粒子和巖屑別離出，粒子通過(guò)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(jìn)入旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)罐〔保持粒子的振動(dòng)，防止粒子相互粘結(jié)成塊〕。旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)罐環(huán)形分離器磁鐵分離器三、粒子沖擊鉆井設(shè)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(cè)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(dá)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(shè)備及工具13整理課件主要研究?jī)?nèi)容：1、粒子注入系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2、粒子沖擊破巖規(guī)律分析3、PID鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4、回收處理系統(tǒng)的原理及設(shè)計(jì)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(xué)研究7.循環(huán)管線磨損測(cè)試三、粒子沖擊鉆井設(shè)備及工具14整理課件一、國(guó)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(shè)備及工具四、研究成果五、前景展望粒子沖擊鉆井技術(shù)研究15整理課件在粒子撞擊巖石時(shí)，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(shí)接觸應(yīng)力。當(dāng)瞬時(shí)應(yīng)力超過(guò)極硬巖石的抗壓強(qiáng)度時(shí)，粒子嵌入并破碎巖石。在沖擊接觸區(qū)邊界會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力和剪應(yīng)力。由于巖石的抗拉強(qiáng)度僅為其抗壓強(qiáng)度的1/16～1/80,抗剪強(qiáng)度僅為抗壓強(qiáng)度的1/8～1/15,當(dāng)拉應(yīng)力和剪應(yīng)力分別超過(guò)了巖石的抗拉和抗剪的極限強(qiáng)度時(shí),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(jī)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(duì)沖擊破巖的影響四、研究成果當(dāng)粒子侵入深度太淺時(shí)，顯然破巖效率不高，侵入深度太深粒子不易彈回，會(huì)影響破巖效果和損壞鉆頭。研究結(jié)果說(shuō)明，粒子侵徹深度與粒子尺寸、速度及沖擊角度等因素有關(guān)。粒子破巖過(guò)程中，粒子侵入深度不宜超過(guò)粒徑30%~40%，如果超過(guò)50%以上，粒子將會(huì)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(shí)，粒子初速度應(yīng)該選在100－250m/s范圍之間。18整理課件粒子直徑對(duì)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(duì)沖擊破巖的影響當(dāng)入射角度小于20°時(shí)，粒子侵入巖石深度變化不大；當(dāng)入射角超過(guò)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(huì)逐漸減小。這是因?yàn)槿肷浣嵌茸兇?，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(yīng)在0°-20°之間。四、研究成果20整理課件室內(nèi)破巖試驗(yàn)

利用粒子破巖實(shí)驗(yàn)架，將粒子與從高壓泵泵出的鉆井液混合均勻后，通過(guò)高壓管線到達(dá)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(shè)計(jì)目前，提出兩種鉆頭設(shè)計(jì)方案:(1)雙翼結(jié)構(gòu)PID鉆頭；(2)牙輪鉆頭改進(jìn)設(shè)計(jì)。四、研究成果23整理課件注入系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)四、研究成果25整理課件粒子沖擊對(duì)循環(huán)管線壽命影響粒子鉆井的另一個(gè)問(wèn)題是粒子對(duì)循環(huán)管線的磨損問(wèn)題，為了保證在鉆井過(guò)程中循環(huán)管線的工作壽命，在室內(nèi)進(jìn)行了粒子沖擊磨損試驗(yàn)。

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