调制式脉冲粒子钻井技术研究

王德亮(中石化胜利石油管理局海洋钻井公司胜利九号平台 山东 东营 257000)

在石油资源的开采过程中，浅层的石油资源不断的被开采出来，石油钻井的方向逐渐转向了深井和硬地层。随着石油钻井地层深度不断的增加，地层变的越来越硬，地层变硬后大大的降低了石油钻井的速度，这样的就增加了石油钻井成本，严重的影响到了石油钻井效益的提高。因此需要开展新型高效破岩钻井方法的研究，粒子射流破岩方法改变了传统石油钻井破岩的方法，通过在钻井液中加入一定比例的钢珠，钢珠在钻井液的携带下，经过井下钻杆，经过粒子钻井钻头，从耐磨喷嘴喷出，喷出的钢珠在钻井液的携带下，冲击破碎井下岩石，这种钻井破岩的方法改变了传统的破岩方式，提高了能量的利用率，应用前景广阔，文章研究了一种新型的粒子射流破岩钻井方法，通过在井底直接吸入环空中的粒子，进入到钻铤内部，经过钻铤从钻头喷嘴喷出，提高了钻井液能量利用率，辅助了钻头机械破岩，提高了石油钻井的速度。该技术的发展推动了石油钻井新工具和破岩新方法的发展，对于解决现阶段石油钻井速度慢，成本高的难题具重要的意义。

一、调制式脉冲粒子钻井技术发展

大量的钻井现场试验已经得出，通过综合利用钻井液和钻头机械两种破岩方式可以有效的提高石油钻井机械破岩的效率，同时也是提高石油钻井速度的有效途径之一。这一点已经在高压喷射钻井的实践中已经得到了证实，现阶段由于钻井设备条件以及钻井成本的限制，高压喷射钻井技术难以得到大面积的推广和应用。粒子射流破岩技术既充分的利用了钻井液的水力能量，同时又充分的利用钻头机械破岩，而且不需要高压喷射钻井这么高的钻井液压力，因此具有广阔的推广应用前景。粒子射流破岩方法利用钻井液对粒子进行加速，利用粒子冲击射流的冲蚀作用，降低了地层岩石破碎的门限压力，因此可以有效的提高石油钻井的机械钻速。国外的粒子钻井技术经过不断的发展，已经取得了一系列重要的成果，而且成立了相应的公司，通过该技术现场试验的结果可以看出，利用粒子射流辅助钻头机械破岩的方式可以有效的提高钻头机械破岩的效率。粒子射流破岩的方式基本上和磨料射流破岩的方式相同，不用的就是采用破岩粒子不一样，粒子射流采用的是硬质粒子而磨料射流采用的则是石英砂。虽然采用的破岩载体不同，但是破岩的原理还是基本一致的。所以磨料射流的应用和发展，给粒子射流的发展与应用提供了重要的借鉴。磨料射流经过不断的发展，磨料射流的理论和设备研究都取得巨大的成果，在研究的过程中得到，通过综合采用采用磨料和射流调制的方法，可以有效的提高磨料射流切割或者破岩的效率。脉冲射流也是射流的重要形式，通过脉冲射流的方式也可以提高射流的工作效率，脉冲射流可以通过改变井底流场的状态，改变了岩石的受力，降低岩石的破碎强度，同时可以有效的清洁井底，从而有效的提高射流的清岩和辅助破岩的效率。

二、调制式脉冲粒子钻井技术原理与实验

调制式脉冲粒子钻井技术装置结构简单，操作方便。国外的粒子钻井技术需要用到许多设备，而且需要的井场面积大，加工和运行的成本高。调制式脉冲粒子钻井技术将粒子的注入和循环过程都放到井底，结构简单，易于操作而且成本低，对于井队的设备没有影响。井底调制式脉冲粒子钻井技术以井底钻头破碎的岩屑作为辅助破岩的粒子，而且可以在井口投入一定量的钢质粒子，提高粒子射流破岩的效率，提高钻井液能量的利用率。该技术的关键就是在井下钻头和钻铤之间，安装一套调制式脉冲粒子钻井装置，该装置在工作的过程中，首先从钻杆内部流下来的钻井液经过装置水力震荡装置，在水力震荡装置的调制作用下，连续的钻井液就被调制成高速的脉冲射流，在脉冲射流出口周围，在高压射流的卷吸作用下，钻井环空中岩屑和其他粒子被吸入到井下钻柱内部，从环空中卷吸到调制式脉冲粒子钻井装置的岩屑粒子，可以和水力震荡装置形成的脉冲射流混合，形成调制式脉冲粒子射流，最后调制式脉冲粒子射流经过钻头后，从钻头的喷嘴喷出，冲击破碎岩石，充分的利用了钻井液的能量，提高了钻头机械破岩的效率。为了能够验证调制式脉冲粒子钻井技术的效果，同时得到装置的优化参数，进行了调制式脉冲粒子射流的室内破岩实验，破岩实验的装置主要包括射流的动力源高压泵，高压管线，模拟井底井筒，岩石，调制式脉冲粒子射流工具等。通过实验可以得到利用该装置可以显著的提高射流破岩的效率，而且结果表明随着射流入口流量不断的增加，调制式脉冲粒子射流破岩的深度也不断的增加，而且近似的呈线性关系。但是并不是完全的线性关系。随着脉冲粒子射流进出口压差的增大，粒子射流破岩的深度也再不断的增加。这是由于在调制式脉冲粒子射流工具的内部，调制脉冲粒子射流的形成需要一定的能量，当装置进出口压差越大时，调制式脉冲粒子射流形成的就越充分，形成的射流湍动能就越高，调制式脉冲粒子射流的破岩效果就越好。

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