粒子冲击钻井技术基础理论及试验研究

2 0 1 1 年 第 3 9卷 增刊 石 油 机 械 CHI NA P ET ROL EUM MACHI NERY 试验研究 粒子 冲击钻 井技术基础 理论及试 验研 究 蒋海 军 况雨春 朱志镨 伍 开松 王 勤 ( 1 ．中国石 油化 工股份有 限公 司石油工程技术研 究院 2 ．西南石 油大学机 电工程学院 ) 摘要 粒子冲击钻井是以高速球形硬质钢粒子冲击破 岩为主 ，以高速水力破岩和机械牙齿破 岩为辅 的钻进硬地层的一种高效钻井工艺。该工 艺是在钻 井液 中增加一定质量 的钢粒子，利用粒 子的冲 击破岩作用 ，提高在硬地层或者硬夹层的钻井效率。介绍 了粒子冲击钻井技术 涉及的理论 及试验研究，分析 了硬地层的岩石动态本构关系，确定岩石模型的选择和建 立。利用有限元软件 A N S Y S ／ L S — D Y N A建立物理模 型模拟粒子破岩过程 ，对比试验数据和仿真结果，总结 了粒子冲击 钻井破岩规律。粒子冲击钻井技术为解决硬地层钻井速度慢 、钻井周期长和钻井成本高等难题提 供 了新思路 ，为近期页岩 气的勘察和开发提供 一种新 的钻井方法，该技术在非常规油气勘探和开 发 中具有广阔的应用前景。 关键词 页岩气 冲击动力学 粒子冲 击钻井 岩石本构关系 0 引 言 我国大部分区块 由于早期对中浅部地层油气资 源的钻 探 开 发 ，现在 油 田普遍 进 入 开 采 的 中后 ( 枯竭 )期 ，而我 国存 在着丰 富的深层油气 资源 ， 尤其是深部致密岩层页岩气 、砂岩气等资源。随着 钻井深度的不断增加 ，钻井过程中地层温度和液柱 压力逐渐变大 ，导致岩石强度 、可钻性和硬度等发 生 明显的改变 ，以及高研磨地层等因素导致常规钻 井技术效率大大降低。 为了解决在勘探和开发 中所遇到的难题——硬 地层或硬夹层 、高研磨地层 ，粒子冲击钻井技术应 运而生 ， 且经过室 内和现场试验证实了其破碎硬地 层的高效性¨ J 。粒子 冲击钻 井技术 在钻井过程 中 为实现破岩 ，应使粒子 以较高的频率和速度从喷嘴 喷出并冲击地层 ，达到破碎岩石的效果 ，并 由钻井 液携带其返 回井 口，再将其捕获和分离再利用 。通 过室内试验与现场试验 ，证实粒子冲击钻井能够较 大程度地提高能量的利用率 ，其钻井速度是常规钻 井速度的 2～ 4倍 ，在 硬夹 层钻 进 1口井可 节省 3 0 ％的钻井时间 ，节省上百万美元的钻井费用。粒 子冲击钻井改变了常规破岩 的方法 ，采用体积破碎 方式 ，提高了能量的利用率。 ......