石油钻井中水力辅助机械破岩机理研究.pdf

8 8 石油天然气 学报 江汉石 油学 院学报 2 0 0 9 年6 月第 3 1 卷第 3 期 J o u r n a l o f Oi l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P 1 J u n ． 2 0 0 9 V o 1 ． 3 1 N o ． 3 石油钻井中水力辅助机械破岩机理研究 黄志强 湖 北省油气 钻采工程重点实验室， 长江大学石油工程学院， 湖北荆州4 3 4 0 2 3 周 磊 长江大 学石油工程学院， 湖北荆 州4 3 4 0 2 3 [ 摘要]分析 了石油钻井 中水 力辅助机械破岩 的机理 ，认为水力预破 碎作用 、水楔作 用及 射流对机械破 碎 坑附近薄弱岩石的冲蚀作用是水力辅助机械破 岩 的 3种主要 方式；采用 四J I l 油 气田岩样进行 了纯机械破 岩、纯水力破 岩及 水力与机械联合破岩的 室内全尺 寸 台架试验 ，并对 岩石磨 片作 了显微分析 。结 果进 一 步论证 了对水力辅助机械破 岩机 理 的理 论分 析是正 确的 ；揭 示 了石油钻 井 中水力 辅助机械 破岩 的机理 ， 完善 了喷射钻井理论 ，有利于推 动钻 井工艺技术的发展。 [ 关键词]水力 ；机械 ；预破 碎；水楔 ；冲蚀 ；试验；途径 [ 中围分类号]T E 2 4 2 [ 文献标 识码]A [ 文章编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 0 9 0 3 0 0 8 8 0 3 法国石油研究院n ] 、西德矿业公 司、苏联斯珂琴斯基矿业学院都对水力和机械联合破岩的机理 、工 作装置等问题作了大量研究 ；V e e n h u i z e n等用超高压井下泵所做 的现场试验表明，对于页岩 ，超高压 射流辅助破岩的速度约为常规破岩速度的 1 ． 4 5倍 ，花岗岩 1 ． 5 O 倍 ，而砂岩则高达 2 ． 0倍L 2 ] 。国内梁宗 辉、徐依吉对水力与机械联合清洗问题开展了研究工作[ 3 “ ] ，李根生、沈忠厚等学者对石油钻井中水力 与机械联合破岩也开展了理论与试验研究工作[ 5 ] 。需要说明的是 ，这些研究工作虽然取得 了一些研究 成果 ，但对石油钻井中水力辅助机械破岩机理的认识还有待深入 ，对于提高水力辅助机械破岩效率的途 径还需 要进 一步探 讨 。 1 水力辅助机械破岩机理的理论研究 应用 弹性力 学 、渗流力 学 理论对 水射 流 冲击 岩石 的过程 分 析可 知 ，水 力辅助 机械破 岩 主要体 现在 以 下 几个方 面 。 1 ． 1 水 力预破 碎作 用 射流冲击渗透性差的岩石时 ，一般产生 4种作用力，即冲击压力、剪切应力、气蚀作用及冲击卸载 时在岩 石 内造 成 的拉 应力 ，正 是在 这些 力 的综 合作用 下 岩石产 生破 碎 的 。在 现有的机 泵条 件下 ，射 流还 难以有效地破碎坚硬 的岩石 ，但对于浅部较软地层 ，这种作用是 比较 明显的。如果岩石 的渗流性较好， 则 射 流除 了以上 4 种 作 用外 ，更 重要 的是其能 在岩 石空 隙 中渗 透并 在 空隙周 围介 质 中产生 更大 的拉 伸应 力，由于岩石的抗拉强度相对较小，从而较容易地破碎岩石 。在钻井实际中，由于钻头的旋转 ，岩面上 被射 流 冲过 的部分 接着 会受 到牙 齿 的切削 。射流对 岩 石 的直 接 冲蚀 ，造 成岩 面 上 出现强 度 薄 弱 的部 位 ， 为进 一步 的牙齿 机械 破岩创 造 了有利 条件 ，一方 面可减 小牙 齿 的切 削力 ，另一方面 增大 了破 岩体积 。 1 ． 2水楔 作 用 1 裂纹对岩石强度的影响 经过钻头牙齿破碎后的岩石，在其表面附近产生了许多微裂纹，由于 裂纹扩展 比无裂隙岩石的破碎需要的应力要小得多，所 以它的存在使岩石的强度大大降低。裂纹的扩展 过程是不可逆的，裂纹面上含有水时其扩展的力学阻力就会降低 。所 以，裂纹使岩石更容易被破碎。 2 裂纹尖端的应力状态 把裂纹简化为半椭圆型裂纹 ，如果任意变化椭 圆的 2个半轴 的长度 ，则 [ 收稿日期]2 0 0 9 一O 3 2 2 [ 作者简介]黄志强 1 9 6 4一 ，男 ，1 9 8 4年江汉石油学院毕业 ，硕士 ，副教授，现 主要从事油气井钻井完井技术研究工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 1卷第 3期 黄志强等 石油钻 井中水力辅助机械 破岩机理研究 8 9 可模 拟各 种形状 的裂纹 。简化 模型 如 图 1 所 示 ， M r ， 是 以焦点 F为 原点 的极 坐标 系 中裂纹 尖端 附 近的 一 点[ 7 ] 。 根据 弹性力 学原 理 可计算 出裂 纹尖 端附 近的最 大拉 应力 为 一0 ． 9 2 P c ／ r 1 式中， P为流人裂纹 内的液体压 力 ， k g ／ c m。 ； c为半 椭 圆型裂 纹 的半 焦距 ， mm； ， 一 为 M 点 的极 径 ， mm。 为了具体地说 明 的大小 ， 取各种裂纹尺寸 c ／ r和渗流压力 P， 按式 1 计算 ⋯ 结果见表 1 。 由实算可知 ， 现有的机泵条件使得井底获得 3 O ～ 4 O大气压的射流冲击力是不难的。 经验表明， 由 于裂纹结构的特点 ， 决定其 ／ r 常常远大于 4 。 可见， 裂纹尖端附近的拉应力是 比较 大的，足 以引起 开 裂 ，造 成岩石 破碎 。 3 裂纹的传播 当裂纹在拉应力作用下扩展 时 ，最初 的扩 展 是 稳 定 的 ， 即 随 着 应 力 的 增 加 而 逐渐延伸，应力减小后裂 纹就不再 变形 。随着拉 应力的进一 步升 高，裂纹 的扩展越来越 大，具有 裂纹 的岩 石 抵 抗 载 荷 的能 力 越 来 越 小 ，当 达 到 某 一 临界状态时，裂纹 的扩展 不再取决 于液体 的冲 击 压力 而 成 为 不 稳 定 扩 展 过 程 ， 即使 应 力 保 持 稳 定 ，裂纹也会迅速地 扩展。当裂纹 向 自由面 扩展 时，就会 产生崩 裂；若 裂纹 向其 他裂 纹处 扩展 ， 则引起裂纹间串通 ，在应 力 的继续作用下 ，造成 更大的岩块剥落。 1 ． 3 射流 对机 械破 碎坑 附近 薄 弱岩石 的 冲蚀 表 1裂纹尖端最大拉应力计算 ． 不同渗流压力 P下的最大拉应力 u n／ k g c m 2 0 k g ／ c m。 3 0 k g ／ c m0 4 0 k g ／ c m ‘7 ⋯ C ⋯ 图 1 半椭 圆型 裂纹 由于组成岩石的颗粒及其胶结 的不均质性，机械破碎后 的岩石表面并不是平滑的，而是暴漏出各种 大小不 同的薄弱颗粒或颗粒团，降低了岩石抵抗外载的能力 ，同时颗粒表面的增大 ，又使得渗流入 口通 道增多，增强了射流液体在岩石空隙中的渗透扩张应力 ，从而使射流更容易破碎岩石 。 2 水力辅助机械破岩的室内试验及岩石磨片显微分析 为了进一步揭示水力辅助机械破岩 的机理 ，进行 了室 内全尺寸台架试验 。试验通过 比较 纯机械破 岩 、纯水力破岩以及水力和机械联合破岩后 的破碎坑体积大小 、表面结构 ，反映出水力辅助机械破岩的 机理所 在 。试验 所用 的 2 0 0个 砂 岩和 灰岩 岩样均 选 自四川 油气 田 ，对 岩 石 的组 成 和 特 性作 了地 质 鉴 定 ， 还测试 了部分岩样 的渗透率。试验用的钻头和喷嘴尺寸都与实际情况比较接近 ，喷嘴压力模拟了 目前钻 井现场 的机 泵能力 ，试 验用 的 回压 一定 程度上 反 映 了井 底压 力 环境 。 试验 发现 ，对 疏松 软岩 石 ， 目前 机泵 条件 下有 明显 的 冲蚀 现象 ；对致 密 硬岩石 ，则几 乎 不能 产生 直 接水 力破 岩 。如果 岩石 经机 械破 碎形 成破 碎坑 后 ，对破 碎 坑 再用 射 流 冲 击 ，则 疏松 岩 石 可 被 整 块 冲碎 ， 而致密岩石破碎坑体积也显著增大。 为了对比分析岩样经机械破碎后及经水力辅助冲蚀后 的破碎特征 ，对岩样分别进行 了解 剖，磨成地 质薄片，并在显微镜下作了显微分析 。结果表明，虽然岩样表面是平整的，但经机械破岩后 ，其破碎区 域会有许多薄弱颗粒及裂纹产生 ，受到射流进一步冲击后则薄弱颗粒及裂纹都被冲脱了。 可见 ，通过室内破岩试验及岩石磨片显微分析证实了对水力辅助机械破岩机理所作的理论分析是正 确的 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然气学报 江 汉石 油学院学报 2 0 0 9 年 6 月 3 提高水力辅助机械破岩效率的途径 在对水力辅助机械破岩机理进行理论和试验研究的基础上，为了实现高效水力辅助机械破岩 ，提高 钻井 速度 ，应 重 点做好 以下 方面 的工作 1 尽可能地提高射流的峰值压力 射流最大冲击压力 的大小决定着其在岩石空隙和裂纹中的渗透 效果 ，影响着能否产生有效 的预破碎和水楔作用 。射流的峰值压力越高，则水力辅助机械破岩的作用就 越 明显 。 2 增 大射 流 的压 力梯度 当压力 梯度 很大 时 ，射流像 尖劈一 样 冲击岩 石 ，能够 产生较 高 的剪应力 ， 同时加强了冲击后液体沿岩面的横向流动 ，减小了对射流冲击波的阻滞作用。 3 增 强射 流的脉动 性这一 方面能 够提 高射 流瞬 间 冲击 压力 ，同时也 可 增 大射 流 卸载 时在 岩石 内 产生 的拉应 力 ，促 使射 流压 碎或 拉伸破 碎岩 石 。 4 改善 并底流场 ，提高井底净化效果 这不仅能减少重复破碎 ，而且可疏通岩石空隙和裂纹 ，促 进水力辅助机械破岩作用。可见 ，井底净化是水力有效地辅助机械破岩的前提和基础。 5 完善钻头结构设计改善钻头牙齿的特性 ，合理使用钻压、转速 ，以便增大破岩体积 ，产生更 多更 大 的微裂纹 ，为射流 的辅助 破岩 创造 更有利 的环境 条件 。 4 结 论 通过对水力辅助机械破岩的理论与试验研究 ，可得出以下主要结论 1 牙轮钻头水力辅助机械破岩的作用主要包括 3 个方面，即水力预破碎作用、水楔作用及射流对 机 械破 碎坑 中薄弱 岩石 的冲蚀作 用 。 2 石油钻井现有的机泵条件下，水力辅助机械破岩不仅是存在 的，而且是射流发挥破岩作用 的主 要 形式 。钻井 水力 参数 的设计 应 当考虑破 岩对 水力 能量 的需要 。 3 改善射流冲击压力波的性能，提高射流的峰值压力 ，增大射流的压力梯度，增强射流的脉动性 ， 实现井 底净化 ，是 提高水 力辅 助机 械破 岩效 率的有 效途径 。 [ 参考文献] [ 1 ]克里斯蒂昂，亨利 ．空化破环作用辅助深井钻井 口]．高压水射流 ，1 9 8 9 ， 3 3 5 4 1 ． [ z ]Ve e n h u i z e n S D ，Ko l l e J J，R i c e，C C，e t a 1 ．Ul t r a h i g h p r e s s u r e j e t a s s i s t o f me c h a n i c a l d r i l l i n g[ J]．S o c i e t y o f P e t r o l e u m E n g i n e e r s， 1 9 9 7， 5 8 4 ～ 8 5 ． [ 3 ]梁宗辉 ，徐依吉 ．高压水射流一 机械联合清洗方法在换热器中的应用[ J ]．清洗世界 ，2 0 0 4 ，2 0 8 2 8 ～3 0 ． [ 4 ]徐依吉 ，赵付国，陈宏道 ．高压水射 流与机械联合作用处理堵塞油管[ J ]．西南石油学院学报 ， 2 0 0 4 ，2 6 2 7 0 7 3 ． [ 5 ]李根生，沈忠厚 ，徐依吉 ，等 ．超高压射流辅助钻井技术研究进展 口]．石油钻探技术 ，2 0 0 5 ，3 3 5 2 0 2 2 ． [ 6 ]李根生 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