粒子冲击钻井技术述评

为了解决提高硬地层钻井速度的钻井难题,以粒子冲击钻井系统的整个工艺流程为依据,论述了粒子冲击钻井技术的优点和缺点,阐述了其破岩机理。该方法改变了传统钻头切削地层的方式,提高了钻越硬地层的速度,但是地面设备和井下钻头还存在一些需要完善的地方。它代表着高效钻越硬地层的一个发展方向。我国东部地区和西部地区存在着广泛的基岩为火成岩的沉积盆地,粒子冲击钻井技术有可能成为一种高效经济的深井硬地层钻井的新方法。该技术经历了室内实验阶段和现场试验阶段,目前正在迈入商业应用阶段。

粒子冲击钻井系统研究初探

介绍了粒子冲击钻井系统的原理及优势,并对美国Particle Drilling Technologies,Inc.粒子冲击钻井系统的相关技术和现场试验情况做了论述,结合国内的研究成果,阐述了粒子冲击钻井系统的3大组成部分:粒子冲击钻井钻头、粒子注入系统和粒子回收处理系统的组成及其相应的工艺流程。粒子冲击钻井系统及相关项目的研究,为国内深井、超深井钻井速度的进一步提高提供了一种全新的思路和办法。

旋叶式粒子钻井注入装置设计与研究

针对粒子冲击钻井技术中粒子注入装置结构复杂、加工难度大、成本高、拆装检修困难以及高压旋转密封结构发热严重等问题,设计了一种旋叶式粒子注入系统高压钢粒注入装置。该装置能实现钢粒均匀、稳定注入,并具有降温、防堵功能。试验结果表明,在50 r/min、20MPa条件下,注入装置稳定运行280 min,密封性能满足设计要求,采用的循环冷却结构可有效解决密封结构发热严重的问题,粒子的注入体积分数可通过叶片转速控制,初步实现了粒子钻井注入装置预期设计功能,对粒子冲击钻井技术在我国深井硬地层钻井的推广应用具有一定意义。

旋转储罐式粒子冲击钻井回收系统设计与试验

针对静止双罐式粒子回收系统存在的不足,设计了旋转储罐式粒子钻井回收系统,并对系统的功能进行了试验。该系统主体为粒子旋转储罐,其他结构还包括磁选机、钻井液池、输送带及配套的管路和砂泵等。在介绍系统工作流程的基础上,对旋转储罐的结构进行了设计,得出旋转储罐回收粒子的速度为1.08 m3/h,输送粒子转速为3.23 r/min。通过试验探究了粒子在旋转储罐内部筛桶的流动性,验证了旋转储罐回收系统的有效性。指出旋转储罐式粒子回收系统运行安全可靠,易于钻井现场应用,为提高深部耐磨硬地层机械钻速提供了技术和设备支持。

双柱塞式粒子冲击钻井注入系统设计

粒子注入系统是粒子冲击钻井的核心组成部分,其设计的好坏关系着粒子注入的稳定性与均匀性,直接影响冲击破岩效果。粒子注入系统经过2代发展,其注入效果得到了很大提高,注入系统的使用寿命得到了延长。目前该系统的主要问题是成本过高,难以在钻井行业广泛应用。鉴于此,提出了双柱塞式粒子冲击钻井注入系统的概念,分析了注入系统的原理、特点、组成及工作流程,对注入管的强度、尺寸及可靠性进行了设计和分析校核;提出了粒子注入系统顺序阀的概念,并对其结构和工作流程进行了分析,对其密封结构进行了初步设计。

粒子冲击钻井注入系统设计及数值模拟研究

针对粒子冲击钻井技术中注入系统难控制、易堵塞等问题,结合理论研究、数值模拟及试验研究,设计出一种具有射流防堵功能的负压粒子注入系统。该系统主要由射流管、射流防堵喷头、负压粒子注入管、喷嘴、主管汇、调节管、调节阀及粒子注入罐等组成。数值模拟及试验结果表明,负压粒子注入系统可产生预期负压,将粒子吸入注入管内与钻井液充分混合,同时解决防堵和注入2个技术难题,实现粒子的有效注入。设计的粒子冲击钻井注入系统将大幅提高我国中西部地区深部极硬耐磨地层的钻速。

粒子冲击钻井钻头内流道冲蚀特性研究

粒子钻头喷嘴及内流道水力参数设计、冲蚀规律及防冲蚀和耐磨损研究对粒子冲击钻井技术的成败至关重要。通过理论分析、数值模拟及试验研究相结合的方法,设计了粒子钻井用射流喷嘴及流道结构,研究了粒子钻头内流道冲蚀特性,并提出了粒子钻头内流道防冲蚀和耐磨措施。研究结果表明,粒子钻头采用等径12 mm锥直型双喷嘴组合,内流道收敛段和加速直线段长度分别为37和60 mm,喷嘴入口直径25 mm,收缩角半角10°;粒子钻头内流道由于过流断面突变存在多个低压漩涡区,可能导致内流道空蚀磨损,而冲蚀磨损主要在内流道底部,可通过倒角直径变大和内流道镀镍表面强化处理措施解决;钻头内流道最大冲蚀磨损率不到1%,冲蚀磨损较轻,说明内流道结构设计合理。

粒子钻井中液压动力控制装置的设计与试验

粒子冲击钻井系统的粒子注入系统,高压罐和螺旋输送机之间结构连接紧凑,空间狭小,电机的安装比较复杂,易产生振动。为解决此问题,研制出一种能够实现钢粒均匀、稳定、可控注入的粒子冲击钻井液压动力控制装置。对该装置液压系统进行设计,计算系统关键技术参数,优选动力系统设备。室内试验表明:在机筒内压25 MPa条件下,液压动力装置稳定运行240 min,液压控制系统能有效提供动力源,而且粒子驱动装置能稳定、可靠地运行。研究内容对粒子冲击钻井技术在我国深井硬地层钻井现场的推广应用具有重要意义。

粒子冲击钻井注入系统设计及可行性研究

实现粒子冲击钻井技术需要解决的核心问题是如何将钢粒均匀并连续地注入地面高压管汇后与钻井液混合形成两相流。为实现此目的,设计了一套用于粒子注入的设备。该设备首先利用水力能量携带粒子进入高压注入罐,然后利用泥浆泵给粒子注入罐补充压力使之与地面主管汇达到压力平衡,粒子在重力作用下通过螺旋输送机的输送作用均匀进入地面钻井管汇,从而实现粒子注入。根据设计,制作了样机并进行了地面试验,验证了设备的可行性,为现场应用的粒子注入系统提供了可借鉴参考的依据。

粒子冲击钻井钻头设计与流场测试

粒子冲击钻井(PID)钻头是粒子冲击钻井系统的重要组成部分,PID钻头的优化设计及井底粒子的流动规律研究对于粒子冲击钻井技术的现场应用效果至关重要。为了优化PID钻头结构,提高粒子冲击钻井的破岩效率和岩屑返排效率,开展了PID钻头设计与流场测试研究。文中设计了2种规格的PID钻头和4种型号的喷嘴,通过室内流场测试得出了2种钻头在不同泵压和喷距条件下的粒子喷射特性和环空上返情况;探讨了不同喷嘴的加速性能和射流收敛性,得出了粒子冲击钻井的井底流场流动规律,优化了PID钻头和喷嘴结构,为后续PID钻头的研制与应用提供了必要的室内实验支持。

粒子冲击钻井钻头喷嘴流场数值模拟研究

为了考察粒子冲击钻井过程中,粒子流经钻头喷嘴的加速过程和流场分布规律,应用Fluent对粒子进入喷嘴后的流动进行数值模拟研究。运用标准κ-ε双方程模型,对双锥度喷嘴粒子射流流场进行仿真模拟,分析了射流压力、围压、粒子直径和粒子质量浓度等因素对粒子射流流场的影响。结果表明,粒子射流加速主要发生在喷嘴收缩段,在等速核前缘速度达到最大。粒子喷射速度和单位时间内通过喷嘴的粒子动能随射流压力增大而增加;粒子浓度越大,单位时间内通过喷嘴的粒子动能越大,破岩效率升高,但粒子浓度过大会导致其流动性差,反而不利于破岩。因此,粒子浓度对其冲击破岩效率的影响主要取决于破岩过程中哪种因素起主要作用。