粒子冲击钻井系统研究初探.pdf

石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 0年 第 3 8卷第 5期 ●专题研究 粒 子冲击钻井 系统研究初探 陈熹谬 张 杨 温荣林 北京化 工大学机 电工程学院 摘要 介绍 了粒子冲击钻井系统 的原理及优势，并对美国 P a r t i c l e D r i l l i n g T e c h n o l o g i e s ，I n c ． 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。 关键词 粒子冲击钻井 钻头 注入系统处理 系统 钻井工艺中提高在坚硬地层中的机械钻速 ，摆 脱其带来的钻头使用寿命短 、作业成本高 、周期长 以及井斜等问题一直是钻井技术人员所追求的。随 着国内深井 、超深井数量的增加 ，这一问题 的解决 变得更为迫切。粒子冲击钻井正是为了实现上述追 求而开发的一种新型钻井技术 。该技术配套的粒子 冲击钻井系统就是依赖钻井液 的水力能量与其携带 的圆形坚硬钢颗粒的联合作用来快速破碎岩层。与 常规钻井技术不同，这一过程不是靠钻压和扭矩实 现机械破岩 ，而是通过粒子注入系统在钻井泵与立 管之间将粒子加入钻井液中，使其沿钻柱下行 ，并 在专门设计加工的具有特制切削刃钻头的喷嘴处得 以加速，以极高的速度冲击地层 ，产生高应力 ，使 得岩层破碎。岩层破碎之后，钢颗粒和钻屑通过钻 井液循环到地面 ，之后通过粒子 回收装置将钢颗粒 分离出来 ，以便再次注入循环的钻井液中。国外 的 试验表明，粒子钻井装置较传统钻井技术的钻进速 度快 3～ 5倍 ，大大缩短了操作时间，节省了人力 、 燃料 、租金以及其他钻井消耗 I 4 j 。 1 国外粒子冲击钻井系统研究现状 粒 子 冲击 钻 井 系 统 由美 国 P a n i c l e D r i l l i n g T e c h n o l o g i e s ，I n c ． 2 0 0 3年开始独 立研发 ，2 0 0 5年 开始在他们的实验室和斯伦贝谢的实验室先后进行 了 1 2次全尺寸试验 ，2 0 0 6年 5月在美 国犹他州和 东得克萨斯州成功地进行了粒子冲击钻井系统与钻 机配置并连接_ 2 J ，已先后完成 了 5口井的现场试 验。2 0 0 7年 4月设计并 建立 了一套全新 的粒子注 入方法。 2 0 0 8年 ，该公司利用粒子 冲击钻井系统进行 了 5口井的现场试验 ，其中 1 次是在北美地区硬度 最高、研磨性最强 的 T r a v i s P e a k地层 进行的。在 深度为 3 3 5 ． 2 8 m的地下 ，粒子冲击钻井系统钻穿 厚度为 3 6 ． 5 8 m的硬质岩层仅用了 8 h ，而常规钻 井则需要 2 4 h才能完成 ，粒子钻井所用 时间是常 规钻井 的％ J ，试验井 的机 械钻 速达到 了邻 井常 规钻井的 2～ 4倍。试验结果表 明，粒子冲击钻井 系统一方面能够有效提高深层研磨性极高的极硬地 层的机械钻速，另一方面可以解决空气钻井无法适 应的那些坚硬地层的快速钻进问题。因此 ，有必要 对此项钻井新技术进行研究 ，为该技术最终应用于 国内深井 、超深井钻井奠定 良好的基础。 2 我 国粒子冲 击钻井 系统研 究状况 粒子冲击钻井系统在我国是首次研发。 目前由 中国石化集团胜利石油管理局钻井工艺研究院与北 京化工大学等单位组成 的项 目组正在进行合作攻 关。按功能划分，粒子冲击钻井系统可分为 3大部 分粒子冲击钻井钻头、粒子注人系统和粒子回收 处理 系统 。 北京化工大学与 中国石化集团胜利石油管理局钻井工艺研究院合作项 目 “ 粒子冲击钻井注入和回收系统技术研究” H 2 0 0 9 1 5 8 。 2 0 1 0年第 3 8卷第 5期 陈熹 缪等 粒 子冲击钻 井系统研 究初探 2 ． 1 粒子冲击钻井钻头 粒子冲击钻井钻头在井下的作用是将圆形颗粒 加速到足以冲击其挖掘所在岩层。钻头 的喷嘴以及 钻头 的几何形状被设计成可以形成特定 的切 削模 式 ，如图 1 所示 J 。钻井液中的粒子在钻头中经特 别设计 的喷嘴而 加速 ，使它们 以大于 41 0 。次／ m i n的粒度冲击硬质岩层l 6 J 。经过无数粒子的冲击 作用 ，岩层形成一个由于深处的应力而保 留下来的 岩环。这时 ，仅需钻头上存在一定角度的平面对岩 环持续施加 2 3 4 ． 4 3～ 6 9 4 ． 2 8 N的压力，就能在岩 环中产生扩张应力，使它破碎为弹子大小 的碎岩。 这些碎岩与粒子、其他碎屑由钻头前部很大的返屑 槽进入环空，与循环钻井液一同返出井眼 。 图 1 粒 子 冲 击 钻 井 钻 头 工 作 示 意 图 2 ． 2 粒 子注入 系统 粒子注入系统的任务是将直径为 2 ． 5 r n m的钢 制粒子注入到压力为 2 5 MP a 左右的钻井液中，钢颗 粒的加入点位于钻井泵与立管之间，粒子钻井液通 过钻柱下人到井底钻头。根据 4 1 0 。 次／ m i n的粒度 冲击要求 ，粒子注入系统中粒子混入钻井液的速度 是 5 6 ． 7 L ／ rai n 。为了稳定地将粒子按照一定 比例混 入到钻井液 中，采用螺旋推进机来输送和计量。由 于竖管巾的钻井液压力较高 2 5 M P a左右 ，常压 粒子较难均匀注入其中并混合，所 以设计了特制的 装置和T艺来完成粒子注入这一过程。 如图 2所示 ，粒子注入系统 由一个带有完整 的 双注入备用系统的 3 ． 5 m 2 ． 2 m X 1 6 m 的塔架组 成 ，垂直导管系式 的链轮／ 盘输送机负责将粒子运 送到塔顶的加料漏斗位置 ，依靠重力加料将所需体 积的粒子 加入 到 “ 呈一 直线 ” 的 2个 压力 仓 室 上仓室 、下仓室 中，并到达位于注入塔底部的 一 个水平放置的螺旋推进机中。 1 上 仓 室 4 下 仓室 6 图 2粒 子 注入 系统 1 一注入塔架 ；2 一加料漏斗；3 -- 阀 1 ；4 一 阀 2 ； 5一 链 轮 ／盘 输 送 机 ； 6一 螺 旋 推 进 机 ； 7一 粒子 开启 注入 阀 ； 8 一 钻 井 液 阀 ； 9 一 减 压 阀。 开始时，“ 呈一直线” 的2个压力仓室和推进机 中都充满粒子后 ，压力仓室上部阀 1 关闭，钻井液 阀开启并通过钻井泵输 出压力来加压，基于在钻井 的水力需要 ，一般加压到 2 5 M P a左右。注入开始 ， “ 子弹群”通过螺旋推进机以 0 ． 9 5 L ／ s 的速度实现 机械输送，并被加入到2 8 ． 3 9 L ／ s 的钻井液流中，之 后带有粒子的钻井液经立管和钻柱到达钻头 ，整个 液流由3 ％的粒子和 9 7 ％的钻井液组成。当粒子顶 面下降到上仓室 以下时，阀 2关闭 ，将上 、下 2个 压力仓室隔开 ，减压 阀开启 ，上压力仓室卸压。之 后，将阀 1 打开并重新灌满粒子，重复上述循环操 作 ，确保系统保持 0 ． 9 5 L ／ s 恒定的粒子注人速度。 2 ． 3 粒子回收处理系统 由于金属粒子 的使用不是一次性的，需要循环 使用 ，所以粒子回收处理系统应负责完成 以下 3个 任务 ①输送及存储注入系统所需的粒子 ；②将粒 子从井底返回的钻井液中分离 出来 ，并将其再次送 至注入系统 ，以保证注入和分离按照生产的需要不 断地循环下去 ；③粒子钻井结束 时，将分离出的粒 子进行处理以备存储 。粒子回收处理系统的工作布 置如图 3所示 ，其工艺流程如图 4所示 。 在粒子钻井系统开始工作前 ，首先根据井深情 况 ，确定保证 循环所需要的粒子量。利用高度差 ， 粒子从存储箱流出， 并通过粒子输送机以略大于粒 子注入的速度进入链轮／ 盘输送机 的料斗 ，进而进 入粒子注入系统。 粒子从井底返 回到地面后 ，它们与岩屑一起被 振动筛收纳。筛分出来的钻井液及岩屑通过钻井液 流出管 ；靠钻井液继续保有的水头送至原钻机配备 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 5期 的振动筛机组进行处理；而粒子与其粒度接近的岩 屑靠高度差进入磁选机进行磁分离，再经脱磁机处 理后进人周转箱。周转箱中一旦流入分离出来的离 子 ，则关闭存储箱 。此时，进入周转箱内被分离出 来的粒子通过粒子输送机进入注射塔 的链轮／ 盘输 送机的料斗中，开始不断地循环。 图 3粒子处理 系统工作布置 图 1 一搅拌车 ；2 一 吹风管 ；3 一粒子输送机 ；4 一分离塔架 ；5 一 存 储箱 ； 6 一 鼓 风 机 ； 7 一 周 转 箱 ； 8 一 脱 磁机 ； 9 一 磁 选 机 ； 1 O 一 粒子钻 井液输 入管 ； 1 1 一振 动筛 ； 1 2 一 钻井 液流 出管 。 粒子 处 理部 分 图 4粒 子 处理 系统 工作 布 置 图 当要停止使用粒子钻井液钻井时 ，通过粒子输 送机将周转箱 内分离出的粒子送至搅拌车内，进行 搅拌和翻转 ；搅拌粒子的量达到搅拌车的工作载荷 时，关闭粒子输送机，不断分离出来 的粒子则暂时 堆积在周转箱 内。搅拌过程中鼓风机的吹风管不断 地 向滚筒内吹风进行干燥 。待滚筒内的粒子干燥完 成 ，搅拌车 内的粒子则通过粒子输送机进 入存储 箱。滚筒 内粒子排完后 ，周转箱内待干燥的粒子通 过粒子输送机进入搅拌车滚筒内，继续上述方式 的 搅拌和干燥处理 。不断重复上述过程 ，直至钻井液 中的粒子全部分离并干燥完成放人存储箱中为止 。 整个粒子注入与回收系统 由 1台 3 7 5 k W 的发 电机提供动力，所有的地面设备都是 自动的，并且 由可 编程 逻 辑控 制 器控 制。系统 的 占地 面积 为 1 2 ． 8 O m1 2 ． 8 0 m，现场安装不会影响钻井作业 ， 需要与钻机连接 的点是与立管 的 T形安装 ，可在 粒子钻井钻头准备下井之前的上一只常规钻头钻进 期间完成 。再 者，在钻机振动筛上游增设 1个 阀，且在阀前并人另一带阀的旁路 ，此旁路与分离 处理系统的振动筛相连 ，经分离处理系统的振动筛 之后又并入到原钻机配备的振动筛的上游。 3 结束语 粒子 冲击钻井系统 的研究在 国内是首次研发 ， 在国际上也仅有美 国 1家公司在研究 ，可借鉴的资 料很少，主要设备 的工作方式和型号国内可直接选 用的极少 ，多数需要 自己独立设计创新。例如 高 压下的粒子推进机 、频繁开关 的高压粒子钻井液阀 和体积较小紧凑的盘式链轮输送机等。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。由于 P I D P a n i c l e i mp a c t d r i l l i n g 系统 的使 用 ，缩短 了钻井时间，从而减少了其他钻井问题 ， 使常规钻井作 业 费用 降低 了 3 5 ％ ～5 0 ％，所 以， 该技术具有巨大的经济效益和社会效益。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 参考文献 李继志 ，陈荣振 ．石油钻采设备及工艺概论 [ M]． 东营 石油大学出版社 ，1 9 9 2 51 2 ． Ra c h N M． Pa ni c l ei mp a c t dr i l l i ng b l a s t s a wa y h a r d r o c k [ J ]． O i l ＆ G a s J o u r n a l ，2 0 0 7 2 4 3 4 5 ． T e r r y J ． I n c r e a s e R O P w i t h P I D [ J ]． E P ，2 0 0 6 1 1 9 59 6 ． Lo r d R．Bi t t e c hn o l o g y ke e ps p a c e wi t h o p e r a t o r a c t i vi t y [ J ]． Wo r l d O i l ，2 0 0 6 1 1 8 0 ． Ti b bi t t s G A， Ga l l owa y G G．Pa ni c l e d ril l i ng a l t e r s s t a n d a r d r o c kc u t t i n g a p p r o a c h [ J ]． Wo r l d O i l ，2 0 0 8 73 7～4 4 ． Ha r d i s t y T ． B i g o i l i s t u n i n g i n t o h a r d r o c k t o g e t t o p e t r o l e u m r e s o n r e e s 『 J ] ． H o u s t o n B u s i n e s s J o u r n a l ， 2 0 0 7，3 7 4 4． 第一作者简介陈熹璎，女，生于 1 9 8 6年 ，在读研究 生 ，研究方向为化 工机 械。地址 1 0 0 0 2 9 北京市朝 阳区。 收稿 日期 2 0 0 91 1 1 9 本文编辑赵连禄