油气钻井组合式破岩技术研究.pdf

第 4 2卷第 6 期 2 0 1 4 年 1 1月 石 油 钻 探 技 术 P ETROLE UM DRI L1 I NG TECHNI QUES Vo 1 ． 4 2 No ． 6 NO V．， 2 O1 4 ． ． 钻井完井 d o i 1 0 ． 1 1 9 1 1 ／ s y z t j s ． 2 0 1 4 0 6 0 1 0 油气钻井组合式破岩技术研究 张正禄 ，刘运荣L ， 胡 琼 ， 任小玲 1 , 2 1 ．中石化石油机械装备重点实验室 ， 湖北武汉 4 3 0 0 7 0 ； 2 ．中石化石 油工程机械有 限公司石油机械研究院 ， 湖北武汉 4 3 0 0 7 0 摘要 为了提高钻井效率， 对油气钻井组合式破岩技术进行 了深入研 究， 摩擦热一 机械破岩、 微波一 机械破岩、 激光一 气体机械破岩等新型组合破岩技术较常规机械破岩方法能明显提高破岩效率， 但也有各种技术瓶颈需要突 破， 距工业化应用还存在一定距离， 机械破岩仍是高效破岩的主体。在研究岩石热物理特性、 空气钻井装备工具、 高温材料等的基础上， 提出燃烧热能一 机械能综合破岩方法是最有发展前景的新型破岩方法。采用燃烧热能一 机械 能综合破岩， 双壁钻杆及双通道水龙头提供燃料通道， 耐热材料用于研制高温钻头， 高温造壁器将破岩形成的井眼 井壁玻璃化 ， 可 实现深井和超深井钻井 ， 并保护储层 。 关键词 破 岩方法 机械破 岩 热能 岩石强度 燃烧热能 中图分类号 TE 1 2 2 ． 1 4 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 4 0 6 0 0 4 9 - 0 4 I n t e g r a t e d Ro c k - Br e a ki n g M e t h o d s i n W e l l Dr i l l i ng Z h a n g Z h e n g l u ． L i u Y u n r o n g ， Hu Q i o n g ， R e n X i a o l i n g ’ 。 1 ． S i n o p e c Ke y L a b o r a t o r y o f P e t r o l e u m Me c h a n i c a l E q u i p me n t ， Wu h a n， Hu b e i ， 4 3 0 0 7 0 ， C i n a ； 2 ． I n s t i t u t e 0 f S i n o p e c O i l f i e l d Eq u i p me n t C o r p o r a t i o n， W h a n， Hu b e i ， 4 3 0 0 7 0 ， i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r i n t r o d u c e s i n t e g r a t e d r o c k b r e a k i n g me t h o d s ， s u c h a s f r i c t i o n a l h e a t me c h a n i c a 1 ， mi c r o wa v e - me c h a n i c a 1 ， a n d l a s e r g a s r o c k - b r e a k i n g ， wh i c h a r e mo r e e f f i c i e n t c o mp a r e d t o c o n v e n t i o n a l r o c k b r e a k i n g me t h o d s ． Du e t o t e c h n i c a l b o t t l e n e c k s o f e a c h me t h o d ， t h e y a r e n o t r e a d y f o r i n d u s t r i a 1 a p p l i c a t i o n， S O me c h a n i c a l r o c k _ b r e a k i n g i S s t i l l t h e p r i n c i p l e me t h o d a t p r e s e n t ． B a s e d o n t h e r e s e a r c h o n t h e p r e s e n t d e v e l o p me n t o f t h e r ma l p r o p e r t i e s o f r o c k， a i r d r i l l i n g e q u i p me n t a n d h e a t r e s i s t a n t ma t e r i a l s ， t h e a u t h o r c o n s i d e r e d t h e r ma l me c h a n i c a l r o c k - b r e a k i n g me t h o d wo u l d b e t h e mo s t p r o mi s i n g a p p r o a c h ． I n t h i s me t h o d ， f u e l c o u l d b e p r o v i d e d t h r o u g h d u a l wa l 1 d r i l l p i p e a n d s wi v e l 。 a n d h i g h - t e mp e r a t u r e b i t c o u l d b e p r o d u c e d f r o m h e a t r e s i s t a n t ma t e r i a 1 ． Hi g h t e mp e r a t u r e c a n v i t r i f y t h e b o r e h o l e wa l l i n d e e p a n d s u p e r d e e p we l l d r i l l i n g， a n d p r o t e c t r e s e r v o i r s ． Ke y wo r d s r o c k - b r e a k i n g me t h o d； me c h a n i c a l r o c k - b r e a k i n g ； t h e r ma l e n e r g y； r o c k s t r e n g t h ； h e a t i n g p o w e r 破岩技术是矿业 、 土木 、 交通和军事等行业工程 领域的核心技术 ， 其 中对钻井破岩技术 的研究一直 围绕 “ 优 、 快 、 省” 和“ 健康、 安全、 环境” 展开。2 O世 纪 8 0年代以来 ， 针对常规机械破岩方式存在机械磨 损严重、 提高破岩效率能力有限的缺点 ， 在完善机械 破岩方法的同时， 探索了一些破岩新方法I 1 ] ， 包括激 光破岩、 等离子通道钻井破岩和电热熔破岩等热能 破岩方法及综合破岩方法 。 笔者重点研究了机械能组合破岩 、 摩擦热一 机械 破岩、 微波一 机械破岩、 激光一 气体机械破岩等组合破 岩方法的技术研究现状 ， 并根据热作用对岩石性能 的影响提出了燃烧热能一 机械破岩技术 ， 从岩石热物 理特性 、 空气钻井装备工具 、 高温材料研究现状等方 面分析 了其可行性和需要解决的关键问题 。 1 机械能组合破岩方法 机械能破岩是利用地面设备和／ 或井下动力钻 具产生的能量来破碎岩石 ， 破岩效率受地层岩石性 质 、 钻井方式 、 钻井工艺参数 、 破岩工具等的影响 ， 需 要合理优化组合地面设备和井下动力钻具， 有效利 用机械能量破岩。 收稿 日期 2 0 1 3 0 8 2 1 ； 改 回日期 2 0 1 4 0 7 2 6 。 作者简介 张正禄 1 9 6 5 一 ， 男， 四川成都人 ， 1 9 8 6年毕业 于西 南石油学院钻井工程专业， 高级工程师， 主要从事油气钻井新技术研 究和新 产品开发工作。 联 系方式 0 2 7 5 2 3 0 7 6 2 7 ， 1 5 5 6 0 3 4 4 8 3 q q ． c o rn。 基金项 目 中国石化集团基础前瞻性项 目“ 井壁 陶瓷化钻井技术 可行性研究” 编号 J P 1 3 O 5 1 资助。 5 2 石 油 钻 探 技 术 2 0 1 4年 1 1月 实现深井和超深井钻井 ， 并且井筒与地层被 陶瓷层 隔绝 ， 有利于保护储层 。 燃烧热能一 机械破岩方法需要开展特殊钻头内燃 烧机理研究 包括速度场、 温度场、 燃烧流动过程 、 钻 头内部绝热冷却技术研究 包括防辐射涂层 、 高温隔 热涂层和气膜冷却技术 、 特殊钻头切削齿材料研究 、 造壁器结构优化及模拟试验研究、 陶瓷化井壁保护储 层及稳定性试验研究、 燃烧热能一 机械能复合破岩机 理研究、 燃烧热能一 机械能钻井关键装备研究 、 钻进时 复杂多相流研究以及钻进燃爆危险 l生 研究等。 6 结论 1 目前 ， 机械破岩仍是高效破岩 的主体， 为提 高破岩效率 ， 多与射流辅助破岩、 降低井底压差等技 术措施配合使用 。 2 摩擦热能一 机械 、 微波一 机械 、 激光一 气体等新 型综合破岩钻井技术处于探索阶段 ， 室内试验证明 其能有效提高破岩效率 ， 但还有各种技术瓶颈需要 突破 ， 离推广应用还有一定距离 。 3 热能一 机械能综合碎岩方法是最有发展前景的 新型破岩方法 ， 特别是燃烧热能一 机械能综合碎岩方 法。目前国内外开展的相关研究较少， 需要进一步加强。 参考文献 Re f e r e nc e s E l l 王德余， 李根生， 史怀忠， 等． 高效破岩新方法进展与应用 [ J ] ． 石油机械 ， 2 0 1 2 ， 4 0 6 卜6 ． W a ng De y u， Li Ge n s he n g， Sh i H u a i z h o n g， e t a 1 ． Pr o g r e s s o f t he h i g h ～ e f f i c i e n c y r o c k - b r e a k i n g me t h o d l, J ] ． C h in a P e t r o l e u m Ma c h i n e r y， 2 0 1 2， 4 0 6 1 6 ． E 2 ] 张海平 ， 索忠伟 ， 陶兴华． 液动射流式冲击器结构设计及试验研 究[ J ] ． 石油机械 ， 2 0 1 1 ， 3 9 7 1 - 4 ． Z ha n g Ha i p i n g，S u o Zh o n g we i ，Ta o Xi n g hu a ．Th e s t r u c t u r a l d e s i g n a n d e x p e r ime n t a l s t u d y o f t h e j e t t y p e h y d r o - h a mme r l J ] 。 C h i n a P e t r o l e u m Ma c h i n e r y ， 2 0 1 1 ， 3 9 7 卜4 ． E 3 ] 辛建华． 水力脉冲空化射流技术在非常规钻井中的应用 [ J ] ． 油 气藏评价与开发 ， 2 0 1 2 ， 2 3 7 0 7 8 ． Xi n J i a n h u a ． Ap p l i c a t io n o f h y d r a u l i c p u l s e c a v i t a t i n g j e t t e c h n o l o g y i n u n c o n v e n t i o n a l we l l d r i l l i n g [ J ] ． R e s e r v o i r E v a l u a t i o n a n d De v e l o p me n t ， 2 01 2， 2 3 7 0 7 8 ． [ 4 ] 付加胜， 李根生， 史怀忠， 等． 水力脉冲空化射流钻井技术适应 性分析l- J ] ． 石油钻采工艺 ， 2 0 1 2 ， 3 4 5 1 0 1 4 ． F u J i a s h e n g， L i G e n s h e n g ， S h i Hu a i z h o n g ， e t a 1 ． An a l y s i s o n a d a p t a b i l i t y o f h y d r a u l i c p u l s e c a v i t a t i n g j e t d r il l i n g t e c h n o lo g y [ J ] ． O il Dr i l l i n g P r o d u c t i o n T e c h n o l o gy ， 2 0 1 2， 3 4 5 1 0 1 4 ． [ 5 ] 秦晓庆， 刘伟， 李丽， 等． 旋冲钻井技术在川西硬地层的应用 _ J ] ． 断块油气田， 2 0 1 3 ， 2 0 4 5 0 5 5 0 7 ． Q i n X i a o q i n g ， L i u Wd， L i L i ， e t a 1 ． Ap p l i c a t i o n o f r o t a r y p e r c u s s io n dr i l l i n g t e c hno lo g y i n h a r d f o r m a t io n o f w e s t e r n S i c h u a n [ J ] ． F a u l t - B l o c k Oi l a nd Ga s Fi e l d ， 2 0 1 3 ， 2 0 4 5 05 - 5 0 7 ． E 6 9 李玮 ， 问铁 ， 张杨 ， 等． 一种共振钻井装 置 中国， C N2 0 2 2 4 9 7 6 5 U L P j ． 2 0 1 2 0 5 3 0 ． Li We i ， Ya n Ti e ， Zh a ng Ya n g， e t a 1 ． A r e s o n a n t e q u i p me n t f o r d r i l l i n g C h i n a ， C N 2 0 2 2 4 9 7 6 5 U P ] ． 2 0 1 2 0 5 3 0 ． [ 7 ] 伍开松， 古剑飞， 况雨春． 粒子冲击钻井技术述评_ J ] ． 西南石油 大学学报 自然科 学版 ， 2 0 0 8 ， 3 0 2 1 4 2 1 4 9 ． Wu Ka i s o n g ， Gu J ia n f e i ， Ku a n g Yu c h u r L C o mme n t o n p a r t i c l e i m p a c t d r i l l i ng t e c i mo l ogy l, J ] ． J o u r n a l o f S o u t h w e s t P e t r o l e u m Un i v e r s it y S c i e n c e T e c h n o l o g y Ed i t i o n， 2 0 0 8 ， 3 0 2 1 4 2 1 4 9 ． [ 8 ] 杨宝刚， 陈大祺， 张伟， 等． 涡流式水力降低压差机制及现状 [ J ] ． 科技导报 ， 2 0 1 2 ， 3 0 2 3 6 7 7 3 ． Ya n g B a o g a g ，Ch e n Da q i ，Z h a ng W e i ，e t a 1 ．De p r e s s u r i z a t i o n me c h a nis m o ft h e v o r t e xme t h o d sandi t s c u r r e n t d e v e l o p me n t s t a - t u s [ J ] ． S c i e n c e ＆T ec hno l o g y R e v i e w ， 2 0 1 2 ， 3 0 2 3 6 7 7 3 ． [ 9 ] 孙伟 良． 钻头分流降低井底压力机理 的研究 [ D] ． 北京 中国石 油大学 北京 石油工程学院 ， 2 0 1 2 ． Su n W e i l i a n g ． Me c ha n i s m s t u d y o n t he b o t t o mh o l e p r e s s u r e r e d u c t i o n b y d r i l l i n g f l u i d s h u n t o n b i t [ D] ． B e ij i n g C h i n a Un i v e r s i t y o f P e t r o l e u m B e i j i n g ， C o l l e g e o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g， 2 0 1 2 ． [ 1 O ] 袁光宇． 射 流泵降低井底压差工 具研究现状 及性能分 析 [ J ] ． 石油钻探技术 ， 2 0 1 2 ， 4 0 4 7 6 8 0 ． Yu a n Gu a n g y u ． Cur r e n t s t a t u s o f r e s e a r c h a n d p e r f o r ma n c e a n a l y s i s o f d e p r e s s u r e t o o l s f o r j e t p u mp l, J ] ． P e t r o l e u m Dr i l l i n g Te c hn i q u e s ， 2 01 2 ， 4 0 4 7 6 8 0 ． [ 1 1 ] 赵建康 ， 张祖培 ， 孙友宏 ， 等． 摩擦热一 机械碎岩技术 的研究应用 现状及新进展[ J ] ． 探矿工程 岩土钻掘工程， 2 0 0 1 ， 2 8 增刊 1 1 6 6 1 6 8 ． Z ha o J i a n ka n g， Z ha n g Z u p e i ， S u n Yo uh o n g， e t a i ．Re s e a r c h a n d p r o g r e s s o f f r i c t i o n a l h e a t 。me c ha n i c a l e ne r g y r o c k f r a g me n t a t i o n t e c h n o l o g y l- J ] ． Ex p l o r a t i o n E n g i n e e r i n g Ro c k So i l Dr i l l i n g a n d Tu nn e l i n g， 2 0 0 1， 2 8 s u p p l e me n t 1 1 6 6 1 6 8 ． [ 1 2 ] 吴景华． 摩擦热一 机械 能联合碎 岩理论 与工艺 的研究 与实践 [ D ] ． 长春 吉林 大学建设工程学院 ， 2 0 0 5 ． W u J i n g h ua ．Re s e a r c h a n d a p pl i c a t i o n o f f r i c t i o n he a t me c h a ni c a l e n e r g y r o c k f r a g me n t a t i o n t h e o r y a n d t e c hn o l o g y E D] ． C h a n g c h u n J i l i n Un i v e r s i t y ， C o l l e g e o f C o n s t r u c t i o n En g i n e e r i n g， 2 0 05 ． E 1 3 ] Ha s s a n i F ， Ne k o o v a g h t P M， R a d z i s z e ws k i K E， e t a 1 ． Mi c r o wa v e a s s i s t e d mech a n i cal r o c k b r e a k i n gI R 1． I S RM 3 7 9 1 ， 2 0 1 2 ． [ 1 4 ] 李文成， 杜雪鹏． 微波辅助破岩新技术在非煤矿的应用E J ] ． 铜 业工程 ， 2 0 1 0 ， 2 7 4 卜4 ． Li W e n c h e n g， Du Xu e pe n g ．Ap p l i c a t i o n o f mi r c r o wa v e - a s s is t e d r o c k b r e a k i n g i n me t a l mi n e s l, J ] ．Co p p e r E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 0 ， 27 4 1 4 ． r 1 5 ]F e r r i H， P e t e r R， J a c q u e s Q Mi c r o wa v e a s s i s t e d d r i l l i n g a n d i t s i n f l u e n c e o n r o c k b r e a k i n g a v i e wE R] ． I S RM 0 0 7 1 ， 2 0 0 8 ． 1, 1 6 ] 徐依吉， 周长李， 钱红彬， 等． 激光破岩方法研究及在石油钻井 中的应用展望 l J 2 ． 石油钻探技 术， 2 0 1 0 ， 3 8 4 1 2 9 1 3 4 ． Xu Yi j i ， Z h o u C h a n g l i ， Qi a n Ho n g b i n， e t a 1 ． Th e s t u d y o f l a s e r r o c k b r e a k i n g me t h o d a n d i t s a p p l i c a t i o n i n we l l d r i l l i n g[ J ] ． Pe t r o l e u m Dr i l l i n g Te c h n i q ue s ， 2 01 0， 3 8 4 1 2 9 1 3 4 ． r 1 7 ]B a z a r g a n M 。 Ma d a n i A， S h a r i f i H ， e t a 1 ． Ut i l i z a t i o n o f l a s e r i n p e t r o l e u m d r i l l i n g i n d u s t r y [ R ] ． I P T C 1 7 0 1 9 ， 2 0 1 3 ． r 1 8 ] P o o n i wa l a S L a s e r s t h e n e x t b i t E R] ． S P E 1 0 4 2 2 3 ， 2 0 0 6 ． [ 1 9 ] 殷为宏， 汤慧萍． 难熔金属材料与工程应用[ M] ． 北京 冶金工 业 出版社 ， 2 0 1 2 1 2 2 0 ． Yi n W e i h o n g， Ta n g Hui p i n g ． Re f r a c t o r y m e t a l a nd a p p l i c a t i o n E M] ． B e ij i n g Me t a l l u r g i c a l I n d u s t r y P r e s s ， 2 0 1 2 1 2 2 0 ． [ 2 O ] 汪晓峰， 张祖培， 陈晨． 热熔钻进新技术[ J ] ． 岩土工程技术， 2 0 02 ， 1 7 2 1 2 3 1 2 5 ． W a n g Xi a o f e n g， Zh a n g Zu p e i ， Che n Che n ． A ne w d r i l l i n g t e c h n i q u ms u b t e r r e n e d r i l l s [ J ] ．Ge o t e c h n i c a l En g i n e e r i n g Te c h n i q u e ， 2 0 0 2， 1 7 2 1 2 3 1 25 ． [ 编辑滕春鸣]