摘 要

摘　要：粒子冲击钻井技术作为高效破岩的前沿技术，有望成为一项解决高研磨性地层钻井速度慢的新型破岩技术，先导性试验评价是理论研究成果进入工业化应用阶段之前不可或缺的重要

摘　要：粒子冲击钻井技术作为高效破岩的前沿技术，有望成为一项解决高研磨性地层钻井速度慢的新型破岩技术，先导性试验评价是理论研究成果进入工业化应用阶段之前不可或缺的重要环节。为此，开展了粒子射流冲击破碎大理岩的室内实验，在粒子射流速度大于100m／s，冲击频率约为500万次／min的实验条件下，粒子射流的破岩体积是水射流破岩体积的3～4倍。进而设计了粒子钻井的工艺流程，研制出与之配套的粒子注入系统、粒子冲击钻头及粒子回收系统，其中关键设备高压粒子罐工作压力为30MPa，磁选机的处理量介于70～120m³／h，渣浆泵排量为65m³／h，满足了粒子钻进的安全均匀注入与粒子高效的回收。在四川盆地龙岗气田022-H7井的上三叠统须家河组高研磨性的砂岩地层中成功地开展了第1次现场试验，试验井段比该井上部井段的机械钻速提高了92.7％，表明该技术在提高钻井速度方面具有广阔的应用前景。

关键词：硬地层  破岩模拟  室内实验  结构设计  现场试验  加长喷嘴  磁选机  粒子冲击  钻头

A theoretical study and field test of the particle impact drilling technology

Abstract：The advanced particle impact drilling(PID)technology is expected to become a new rock breaking technology to enhance the rate of penetration(ROP)in high abrasive strata．Pilot test evaluation is very important for putting the theoretical result into in dustrial application．For this purpose，we carried out a series of laboratory experiments for particle jet impacting and breaking marbles with a particle jet velocity of 100 m／s and a breaking frequency of about 5 million times per minute．The resulis showed that the rock breaking volume by a particle jet is 3 to 4 times that by a water jet under the identical conditions．On this basis，we designed the PID technical process and developed the ancillary facilities，including a particle injection system，an impacting bit，and a particle recycle system．The key devices of this technology include a high pressure particle storage tank with a working Pressure of 30MPa,A magnetic separator with a handling capacity of 70-120m³／h，and a slurry pump with a delivery capacity of 65 m3／h．With those devices，particles can be safely injected and recycled efficiently in the drilling process．The new designed system was successfullv applied in a field test in the high abrasive sandstone beds in the Upper Triassic Xuj iahe Fm in Well LG 022-H7 in ttle Sichuan Basin，in which the ROP was increased by 92.7％at test interval compared with．the upper intervals，enhancing the ROP greatly in a drilling process．

Keywords：hard formation，rock breaking simulation，laboratory experiment，structure design，field test，lengthened nozzle，magnetic separator，particle impacting bit

随着油气需求量的增加和开采强度的不断加大，浅部油气资源日益减少，深部石油资源勘探将是我国未来油气工作的重点之一。针对深井硬地层中存在的地层研磨性高、易井斜、钻井速度慢、成本高的问题，根据射弹冲击的理论，提出了粒子冲击高效破岩的钻井方法^[1-3]。该技术是在常规钻井的基础上，在地面钻井管汇中增加了一套粒子注入系统，将钢质粒子添加进入高压钻井地面管汇的钻井液中，经钻井液携带从粒子冲击钻头喷嘴高速射出、冲击岩石，实现了钻井的高效破岩，提高了钻井的机械钻速。冲击井底岩石后的粒子由钻井液的携带到达井口，再通过粒子回收系统将粒子和岩屑分开，回收后的粒子可以重复利用^[4-6]。粒子钻井系统主要包括3大部分，粒子注入系统，粒子回收系统和粒子冲击钻头，该项研究开展了粒子冲击破岩的模拟与实验，分析了粒子冲击破岩的过程，研制出了粒子冲击钻井系统，在现场开展了成功试验。

1　粒子冲击破岩的模拟与实验

1．1　粒子冲击破岩分析

粒子冲击破碎岩石是一个连续的，累计的结果。当高速的粒子冲击到岩石的表面后，首先从岩石表面有缺陷的地方发生岩石的破碎，赫兹裂纹开始产生。当粒子冲击的接触应力逐渐地增加到某一个值(和材料的强度有关)，接触表面下方附近的岩石会产生弹塑性变形，随着粒子的继续侵入，接触应力继续增加，当粒子冲击在岩石内部产生的拉应力和剪应力大于岩石的抗拉和抗剪强度后，裂纹开始产生(图1)，随着裂纹的逐渐扩展，岩石开始出现大体积的破碎^[7]。

 

粒子冲击破岩过程非常复杂，影响到粒子冲击破岩的参数主要有3个：粒子的性质，包括粒子的形状、尺寸、硬度等；岩石的性质，包括岩石的硬度、韧性等；环境参数，包括冲击速度、冲击角度、淹没非淹没等^[8-9]。该文进行的粒子冲击破岩研究，采用的是淹没条件下钢质球形粒子冲击硬度较大的脆性岩石，钢质粒子的硬度要比岩石的硬度大很多。粒子冲击能够高效破岩的原因有：硬地层岩石接触面积小，粒子冲击作用的时间短、接触的应力大，而且冲击的频率高。粒子钻井过程中，粒子以100m／s以上的速度冲击岩石，粒子含量为2％时，粒子冲击的频率约为500万次／min。

1．2　粒子冲击破岩数值模拟

粒子冲击破岩的过程可用通过数值模拟的方法来得到^[10]，应用LS-DYNA有限元的分析方法，模拟粒子冲击破碎岩石的过程，岩石的控制方法为拉格朗日法，岩石的单元结构为六节点八面体。粒子和岩石的接触方式为面面接触。为了能够更加准确地模拟脆性岩石在硬质颗粒高速冲击下的材料的损伤过程，应用的岩石时HJC模型，粒子采用的刚性的Rigid模型(图2)。

 

模拟条件：粒子的直径为1mm，粒子的入射速度为150m／s，当粒子冲击到岩石的表面后，随着粒子的不断侵入，岩石开始发生弹塑性变形，粒子继续侵入时，粒子和岩石的接触应力不断增大。模拟的结果显示粒子冲击过程中产生的最大拉应力为57MPa，而硬岩石的抗拉强度约为15MPa，产生的最大剪应力为125MPa，而硬岩石的抗剪强度约为20MPa，产生的最大压应力为315MPa，而硬岩石的抗压强度约为170MPa。这样岩石受到的拉压和剪应力，都远大于岩石的强度极限。因此岩石会发生破碎。

1．3　粒子冲击破岩室内实验

为了能够验证粒子冲击破岩的效果，并且为钻头设计和现场试验提供依据^[11]，开展了粒子冲击破岩的室内实验。实验高压泵的最大压力为200MPa，最大排量为100L／min。粒子射流喷距调节范同0～50cm，粒子入射角度在0°～80°，岩石为大理石。在实验的过程中，首先从高压泵迸出的高压流体，通过高压管线后，粒子和高速流体混合，从喷嘴喷出冲击破碎岩石。

实验岩性为大理石，钢粒的直径为1mm，实验压力为0～50MPa。利用水射流的和粒子射流分别冲击破碎岩石后，在相同的射流压力下，粒子射流破岩的破岩体积为水射流破岩体积的3～4倍(图3)，而且粒子射流破岩的门限压力要小于水射流门限压力的2～3倍。

 

2　粒子注入系统的设计与研制

粒子冲击钻井注入系统的功能就是将粒子注入泥浆泵泵出的高压钻井液中，实现粒子在钻井液中的均匀分布。粒子冲击钻井注入系统主要有2项关键技术^[12]：①粒子的高压注入。通过设计30MPa的高压粒子罐，实现钻井地面高压粒子的注入。②粒子的均匀稳定注入。利用高压螺杆泵，保证了粒子注入速度的稳定。

2．1　高压粒子罐研制

高压粒子注入罐是粒子注入系统的关键，耐压值为30MPa，为高压容器。因此在设计过程中，在保证功能的前提下，更要保证高压粒子罐的工作安全。其设计过程如下。

1)确定工作压力，最高工作压力30MPa，设计压力31.5MPa。

2)确定工作体积，设计容量为2m³，并设计筒体内径为1000mm；钻井液中粒子的含量为1％时，高压罐中的粒子工作达到2h。

3)材料的选用，使用Q345b钢板，抗拉强度为490～675MPa，屈服强度大于345MPa。

4)高压罐体壁厚的确定，应用高压容器中径计算公式：

 

式中pc为设计压力，MPa；Di为简体设计壁厚，mm；[s]¢为设计温度下材料的许用应力，MPa；西为焊缝系数，无量纲。将已知参数代入公式(1)中，计算的壁厚(d)为104.3mm，实际使用壁厚120mm>104.3mm，满足强度要求。

5)高压罐半球形封头壁厚公式：

 

将已知参数代入式(2)中，计算半封体的壁厚为52.6mm，实际使用壁厚120mm>52.6mm，满足强度要求。

2．2　高压螺杆泵的研制

高压螺杆泵的功能就是在高压下保证粒子的均匀和稳定注入。首先粒子的注入要稳定而日．要保证一定的注入速率，高压螺杆泵首先密封要好，而且在保证达到设计注入速度的前提下，满足强度要求。

根据固体输送理论，高压粒子输送的运动分析依据以下基本假设：

①加入的物料在固体输送区已经形成压实的固体塞，充满于整个螺槽，固体塞密度不变；②固体塞所受压力仅沿着螺槽方向有变化；③忽略螺叶顶端与机筒内壁的间隙；④螺槽为等距等深的矩形螺槽；⑤重力影响不计；⑥粒子的压力在螺槽流道内等压。

根据固体输送理论，当螺杆旋转机筒静止时，其同体输送段的体积流速为：

 

式中Q为体积流速，mm³／min；Db为螺杆直径，mm；n为螺杆转速，r／min；H1为螺槽深度，mm；q为输送角，rad；fb为螺旋升角，rad；`W为平均螺槽宽度，mm；e为螺棱宽度，mm。

根据输送量要求，初步设定螺杆外径为250mm，螺槽深度为25mm，输送角为0.567rad，螺旋升角为0.349rad，平均螺槽宽度为60mm，螺棱宽度为20mm，粒子流量Q为0.9L／s，螺杆的长径比取5，螺杆长度为1250mm。由公式(3)计算得到螺杆转速为85r／min，取螺杆转速为90r／min。

3　粒子回收系统的设计与研制

粒子回收系统的功能就是将从井口返出来的粒子和岩屑分开，实现粒子的存储和循环利用。主要包括磁选机、脱磁器、振动筛、渣浆泵、泥浆罐和粒子储罐。粒子回收系统的2个主要关键技术为：①粒子和岩屑的分离，利用磁选机，通过磁性分离的原理进行粒子和岩屑的分离；②粒子和岩屑的携带，利用渣浆泵结合射流混浆漏斗进行粒子和岩屑的携带。

3．1　磁选机的研制

粒子钻井设备包括2个渣浆泵，每个渣浆泵的排量为60m³／h。2个渣浆泵输送的液体要经过磁选机的处理。所以磁选机处理液体的排量为120m³／h，回收粒子的量为1.8m³／h。

磁选机设计需要选择一个最佳的磁选机转速。室内实验结果表明，当流体进入磁选机的体积流量为2L／s，磁选机滚筒转速250r／min时，磁选机接料口可以得到干净的粒子，此时磁选机的回收效率为99.58％。根据公式：

c＝2pR    　　　　　(4)

式中c为滚筒转速，r／min；R滚筒半径，m。

代入数据得滚筒半径为0.145m，则滚筒的直径为290mm，磁鼓的线速度为228.6m／min。设汁的磁选机滚筒直径为900mm，滚筒最大转速为40r／min。磁选机的性能参数如表1所示。

 

3．2　渣浆泵的研制

本次设计的粒子输送方式，采用流体介质输送。由于流体中含有1～3mm的钢粒。因此选用渣浆泵作为输送粒子的动力来源。已知渣浆泵能够输送的固液混合物最大重量浓度：灰浆45％，矿浆60％，能够输送粒子的最大重量浓度为30％。

在将粒子输送到高压罐的过程中，需要尽量的缩短上料的时间。已知高压罐的容积为2m³，通过如下公式：

 

式中rp为粒子的堆积密度，g／cm³；Vp为粒子注入流量，m³／h；rn为流体的密度，g／cm³；Q为流体的流量，m³／h；C为重量浓度，无量纲。

将rp＝4.8g／cm³、Vp＝6m³／h、rn＝1.1g／cm³、C＝30％代入公式(5)得到：Q＝61m³／h。实际使用的渣浆泵的排量为65m³／h。性能参数如表2所示。

 

4　粒子冲击钻头的设计与研制

粒子冲击钻头在没计的过程中，要依靠高速喷出的粒子来高效破碎岩石，而且要避免粒子对于钻头基体的磨损。研制的适用于四川盆地上三叠统须家河地层的粒子冲击钻头，为Æ215.9mm加长喷嘴牙轮钻头，通过采用加长耐磨喷嘴，提高了粒子冲击破岩的效率。而且内腔室进行了调整且加强关键部位的表面处理，以达到优化流道，加强耐磨性的目的^［13］。

加强钻头内流道的耐磨性，同时改善粒子在内流道里的流动情况，可以从两方面入手：①改变内流道形状，减轻空蚀磨损；②对磨损严重的地方进行表面处理，加强耐磨性。粒子冲击钻头喷嘴采用的主要是电镀金刚石方法。粒子冲击加长喷嘴牙轮钻头采用了双喷嘴组合，第三个喷嘴则用盲眼喷嘴堵上。盲眼喷嘴根据牙轮钻头上喷嘴的尺寸，用卡簧固定安装在钻头上。研制出的粒子冲击加长喷嘴牙轮钻头(图4)。

 

5　粒子钻井系统现场试验

5．1　现场试验方案

5．1．1井眼与地层条件

钻井目的层为四川盆地龙岗气田的须家河组，井眼直径为215.9mm，直井段。试验井深为起始井深2843m；钻井液密度为1.81g／cm³；泵压为19.7MPa；排量为26L／s；钻压为l80～200kN；扭矩为5～5.5kN；钻头为Æ215.9mm加长喷嘴牙轮钻头。

5．1．2试验流程

粒子钻井时，确保阀门4、5、6、7保持关闭状态，然后打开高压阀门组的阀门2，待稳定运行10min以后，打开阀门5给高压罐慢慢加压，待压力稳定以后，再打开阀门4和3，稳定10min，最后关闭阀门1，此时注入系统与整个钻井系统串联，拥有一个共同的压力系统。当需要加粒子时，打开高压粒子输送机，调节高压粒子输送机的转速即可以设计的粒子量注入高压管线中，加入粒子的钻井液经过高压阀门组进入到立管、水龙带、水龙头、钻杆、钻铤、PID钻头，实现粒子冲击钻井^［14］。粒子和岩屑通过钻井液的携带到达井口，然后通过导流槽进入振动筛，实现钻井液和岩屑、粒子的分离，分离出的岩屑和粒子进入到射流混浆漏斗。射流混浆漏斗中的岩屑和粒子用砂泵即可输送到回收系统，实现粒子的分离，分离出的粒子首先进入到粒子储罐进行储存，粒子钻井现场试验流程图，如图5所示。

 

5．2　试验结果

研制的国内首套粒子钻井设备，首次在龙岗022-H7井须家河组进行了功能性试验，注入粒子的浓度1％～2％，注入压力20MPa，各项功能达到了预期目标，试验井段比上部井段钻井速度提高了92.7％(图6)。

 

6　结论

1)高速的粒子冲击到岩石的表面后，接触应力继续增加时，会在接触面附近的岩石内部产生剪切应力和拉伸应力，当粒子冲击产生的拉应力和剪应力大于岩石的抗拉和抗剪强度后，破碎的裂纹开始产生。粒子以100m／s以上的速度冲击岩石，粒子含量为2％时，粒子冲击的频率每分钟达500万次。

2)粒子的粒径为1mm、冲击速度150m／s时，粒子与岩石接触区域产生的应力远大于岩石的强度极限而发生破坏，实验结果表明粒子射流的破岩体积是水射流破岩体积的3～4倍。

3)高压粒子注入罐的耐压值为30MPa，材料Q345b。粒子输送机的耐压值为30MPa，转速为50～90r／min。磁选机的功率为5.5kW，处理量为70～120m³／h，滚筒直径为900mm，滚筒最大转速为40r／rain，渣浆泵排量为65m³／h。

4)研制的适用于四川须家河组的粒子冲击加长平喷嘴牙轮钻头，通过采用加长耐磨喷嘴，提高了粒子冲击破岩的效率。

5)研制的粒子钻井设备首次在龙岗022-H7井须家河组进行了功能性试验，注入粒子的浓度1％～2％，注入压力20MPa，各项功能达到了预期目标，试验井段比上部井段钻井速度提高了92.7％。

 

参考文献

[1]TIBBITTS G A，GALLOWAY G G．Particle drilling alters standard rock-cutting approach[J]．world Oil，2008，229(6)：37-44．

[2]TIBBITTS G A．Impact excavation system and method with suspension flow control：USA，US779824982[P／OL]．(2010-09-21)[2013-11-01]．https：//www．google．corn．hk／patents／US77982497 dq=us7798249&h1=zh-CN&sa-X＆ei=yWl0U6()GKIq8ugSjm4DoBQ&ved=0CDoQ6AEwAA．

[3]TIBBITTS G A．Impact excavation system and method with suspension flow control：USA，US734398782[P／OL]．(2008-3-16)[2013-11-01]．http：//www．google．com／patents／US7343987．

[4]徐依吉，赵红香，孙伟良，等．钢粒冲击岩石破岩效果数值分析[J]．中国石油大学学报：自然科学版，2009，33(5)：68-71．

XU Yiji，ZHAO Hongxiang，SUN Weiliang，et al．Numerical analysis on rock breaking effect of steel particles impactrock[J]．Journal of China University of Petroleum：Edition of Natural Science，2009，33(5)：68-71．

[5]赵健，伍贤柱。韩烈祥，等．粒子钻井技术新进展与破岩数值模拟研究[J]．钻采工艺，2013，36(1)：1-5．

ZHAO Jian，WU Xianzhu，HAN Liexiang，et al．Studv on Flew progress of particle impact drilling technology and rock breaking numerical simulation[J]．Drilling＆Production Technology，2013，36(1)：1-5．

[6]伍开松，古剑飞，况雨春，等．粒子冲击钻井技术述评[J]．西南石油大学学报：自然科学版，2008，30(2)：142-146．

WU Kaisong，GU Jianfei，KUANG Yuchun，et al．Cornment on particle impact drilling technology[J]．Journal of Southwest Petroleum University：Science&Technology Edition，2008，30(2)：142-146．

[7]COOK R F，FRElMAN S W，LAwN B R．Fracture of ferroelectric ceramics[J]．Ferroelectrics，1983，50(1)：262-272．

[8]RACK H J，DESOUZA U J，wANG A．Impact deformation and damage in austenitic high chromium white cast iron by spherical proj ectiles at normal incidence[J]．Wear，1992，159(1)：121-126．

[9]WANG A，DESOUZA U J，RACK H J．Impact deformation and damage of a high chromium white cast iron by spherical projectile at normal incidencc[J]．wear，1991，l59(1)：l57-173．

[10]段鹏．影响粒子冲击破岩效果主要因素的实验研究[D]．东营：中国石油大学(华东)，2012．

DUAN Peng．Experimental research on major factors in fluencing rock breaking impacted by particles impacting[D]．Dongying：China University of Petroleum(East China)，2012．

[11]熊继有，钱声华，严仁俊，等．钻井高效破岩新进展[J]．天然气工业，2004，24(4)：27-29．

XIONG Jiyou，QIAN Shenghua，YAN Renj un，el al．New progress on efficient rock-breaking of drilling[J]．Natural Gas Industry，2004，24(4)：27-29．

[12]徐依吉，赵健，毛炳坤，等．冲击钻井粒子注入系统研究[J]．石油钻采工艺，2012，34(1)：1-5．

XU Yiji，ZHAO Jtan，MAO Bingkun，et al．Research on particle injection system in percussion drilling[J]．Oil Drilling＆Production Technology，2012，34(1)：1-5．

[13]韩福彬，杨明合，翟应虎，等．牙轮钻头损坏分析及应对措施[J]．天然气工业，2008，28(4)：76-77．

HAN Fubin，YANG Minghe，ZHAI Yinghu，et al．Analytic study on damage mechanism of rock bit and corresponding measure suggested[J]．Natmal Gas Industry，2008，28(4)：76-77．

[14]CURLETT H B，SHARP D P，GREGORY M A．Formation cutting method and system：US638630081[P／OL]．(2000-05-14)[2013-11-01]．http：//www．googlc．com／patents／US6386300．

 

 

本文作者：赵健  韩烈祥  徐依吉  靳纪军  刘芬

摘　　要：中国石油大学石油工程学院

    中国石油川庆钻探工程公司钻采工程技术研究院

    中国石化胜利油田分公司孤岛采油厂