超高压射流辅助钻井技术研究进展
作者：石油天然气学院李根生 来源：石油钻探技术 所属分类：喷嘴知识
常规旋转钻井的破岩机理主要是依靠钻头机械破岩, 井底水射流主要起清洗岩屑、冷却和润滑钻头的作用。随着井深的不断增加, 机械钻速低已成为影响油田勘探开发效益的主要问题之一, 为此, 人们研究应用了很多提高钻速的技术措施, 其中充分利用水力能量是提高钻井速度的有效途径之一川。美国在20世纪60年代末提出了超高压射流钻井的设想并开展了试验研究, 在地面将钻井液全增压至69-103MPA, 5口试验井的钻速为21-85M/S, 与常规钻井相比机械钻速提高2-3倍。1985年, 美国flowdrill公司开始研究双通道钻井技术, 在地面将1.9-2.5l/s排量一的钻井液或水增压至2300mpa, 和常规钻井液通过双通道钻柱同时送到井底, 现场试验22口井, 机械钻速是常规钻井的2.2-3.1倍。1993年, 该公司开始研究在井下用增压器产生超高压射流辅助破岩钻进, 现场试验5口井, 将排量1/7-1/10的钻井液增压至240MPA, 钻速是常规钻井的1.1-3.5倍‘ 〕。我国自上世纪90年代初开始研究超高压射流钻井, 在研制井下增压器的同时, 开展超高压射流破岩机理和辅助破岩钻头研究。以上的都可以认为是超高压射流。
超高压射流喷嘴的定义
关于超高压的定义, 国内外尚无统一的标准。美国一般把射流压力超过210mpa一认为是超高压射流国内文献〕将压力超过140mpa划分为超高压射流, 机械行业标准把压力大于100MPA以上的都可以认为是超高压射流。
超高压射流破岩机理
高压水射流破岩是一个涉及诸多因素的非线性冲击动力学问题, 解析描述的难度非常大。一般认为当高速水射流冲击岩石时, 岩石破碎的主要机理是冲击与微裂纹扩展。当射流速度为时, 冲击力约为, 超过大多数岩石的抗压强度, 因此岩石以压缩形式破坏, 而原有的裂纹或微裂纹是无关紧要的, 磨料水射流的这种破坏形式尤为重要。但岩石的微裂纹对岩的破碎同样起着重要作用。在超高压水射流的作用下, 各种微裂纹和孔隙被增压到临界破坏状态, 随后这些裂纹会扩展和连通, 导致岩石破坏。目前比较公认的水射流辅助破岩机理有冲蚀破碎、水楔胀裂和结合破碎及近来发展较快的损伤破碎机
理“一“ 〕。
水射流冲击作用下岩石冲击压力分布
运用全解藕的流固祸合理论, 建立了超高压水射流冲击破岩系统的数值分析理论模型, 水射流采用标准双方程模型和控制体积法, 岩石采用各向同性弹性介质和有限元法, 给出了水射流与岩石祸合的数值算法川。按建立的理论模型计算了岩石在水射流速度为、和冲击下流场规律和的泵界定为超高压泵图我国石油钻井中, 有时认为压力超过就是超高压钻井。
结论及建议
运用全解祸的流固藕合理论, 建立了超高压水射流冲击弹性固体介质的数值分析模型, 计算分析了淹没条件下超高压射流的动力学特性及固体介质内部的应力分布规律, 为破岩机理喷嘴的研究提供了一种新的数值方法。
1、岩石在水射流冲击作用下的破坏可以分为若干阶段, 破坏机制主要有拉伸和剪切两种形式, 剥落岩块以穿晶断裂为主, 为脆性拉伸破坏切槽凹侧面主要是剪切错动, 为脆性剪切破坏。开展超高压射流钻头井底流场数值模拟研究,对详细了解其井底流场结构特性、改进和完善超高压射流钻头的水力结构优化设计具有十分重要的意义。
2、在超高压射流破岩室内试验和井底流场模拟研究的基础上, 设计研制了超高压射流辅助破岩的双流道牙轮钻头和钻头, 为超高压射流辅助钻井现场试验提供了配套钻头。
由于岩石破碎是一个动态过程, 在此过程中水射流的特性和岩石的形体模型和受力形式也在发生改变, 目前的研究主要停留在静态或准静态上面, 因
此, 需要从动态的角度对破岩过程进行分析, 提高对超高压射流破岩机理的认识。
3、由于在超高压状态下, 空化数容易满足空化的要求, 在井底有可能产生空化作用, 应开展超高压水射流空化作用和破岩机理研究。
井下增压器是超高压辅助钻井的关键设备,需要提高其寿命和可靠性, 同时, 还需要进行超高压水射流喷嘴辅助钻井参数和工艺的配套研究。
关键词语：钻井用喷嘴，石油喷嘴，矿区喷嘴
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