超高壓射流輔助鉆井技術(shù)研究進展
作者：石油天然氣學院李根生 來源：石油鉆探技術(shù) 所屬分類：噴嘴知識
常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆井的破巖機理主要是依靠鉆頭機械破巖, 井底水射流主要起清洗巖屑、冷卻和潤滑鉆頭的作用。隨著井深的不斷增加, 機械鉆速低已成為影響油田勘探開發(fā)效益的主要問題之一, 為此, 人們研究應用了很多提高鉆速的技術(shù)措施, 其中充分利用水力能量是提高鉆井速度的有效途徑之一川。美國在20世紀60年代末提出了超高壓射流鉆井的設想并開展了試驗研究, 在地面將鉆井液全增壓至69-103MPA, 5口試驗井的鉆速為21-85M/S, 與常規(guī)鉆井相比機械鉆速提高2-3倍。1985年, 美國flowdrill公司開始研究雙通道鉆井技術(shù), 在地面將1.9-2.5l/s排量一的鉆井液或水增壓至2300mpa, 和常規(guī)鉆井液通過雙通道鉆柱同時送到井底, 現(xiàn)場試驗22口井, 機械鉆速是常規(guī)鉆井的2.2-3.1倍。1993年, 該公司開始研究在井下用增壓器產(chǎn)生超高壓射流輔助破巖鉆進, 現(xiàn)場試驗5口井, 將排量1/7-1/10的鉆井液增壓至240MPA, 鉆速是常規(guī)鉆井的1.1-3.5倍‘ 〕。我國自上世紀90年代初開始研究超高壓射流鉆井, 在研制井下增壓器的同時, 開展超高壓射流破巖機理和輔助破巖鉆頭研究。以上的都可以認為是超高壓射流。
超高壓射流噴嘴的定義
關(guān)于超高壓的定義, 國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的標準。美國一般把射流壓力超過210mpa一認為是超高壓射流國內(nèi)文獻〕將壓力超過140mpa劃分為超高壓射流, 機械行業(yè)標準把壓力大于100MPA以上的都可以認為是超高壓射流。
超高壓射流破巖機理
高壓水射流破巖是一個涉及諸多因素的非線性沖擊動力學問題, 解析描述的難度非常大。一般認為當高速水射流沖擊巖石時, 巖石破碎的主要機理是沖擊與微裂紋擴展。當射流速度為時, 沖擊力約為, 超過大多數(shù)巖石的抗壓強度, 因此巖石以壓縮形式破壞, 而原有的裂紋或微裂紋是無關(guān)緊要的, 磨料水射流的這種破壞形式尤為重要。但巖石的微裂紋對巖的破碎同樣起著重要作用。在超高壓水射流的作用下, 各種微裂紋和孔隙被增壓到臨界破壞狀態(tài), 隨后這些裂紋會擴展和連通, 導致巖石破壞。目前比較公認的水射流輔助破巖機理有沖蝕破碎、水楔脹裂和結(jié)合破碎及近來發(fā)展較快的損傷破碎機
理“一“ 〕。
水射流沖擊作用下巖石沖擊壓力分布
運用全解藕的流固禍合理論, 建立了超高壓水射流沖擊破巖系統(tǒng)的數(shù)值分析理論模型, 水射流采用標準雙方程模型和控制體積法, 巖石采用各向同性彈性介質(zhì)和有限元法, 給出了水射流與巖石禍合的數(shù)值算法川。按建立的理論模型計算了巖石在水射流速度為、和沖擊下流場規(guī)律和的泵界定為超高壓泵圖我國石油鉆井中, 有時認為壓力超過就是超高壓鉆井。
結(jié)論及建議
運用全解禍的流固藕合理論, 建立了超高壓水射流沖擊彈性固體介質(zhì)的數(shù)值分析模型, 計算分析了淹沒條件下超高壓射流的動力學特性及固體介質(zhì)內(nèi)部的應力分布規(guī)律, 為破巖機理噴嘴的研究提供了一種新的數(shù)值方法。
1、巖石在水射流沖擊作用下的破壞可以分為若干階段, 破壞機制主要有拉伸和剪切兩種形式, 剝落巖塊以穿晶斷裂為主, 為脆性拉伸破壞切槽凹側(cè)面主要是剪切錯動, 為脆性剪切破壞。開展超高壓射流鉆頭井底流場數(shù)值模擬研究,對詳細了解其井底流場結(jié)構(gòu)特性、改進和完善超高壓射流鉆頭的水力結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計具有十分重要的意義。
2、在超高壓射流破巖室內(nèi)試驗和井底流場模擬研究的基礎上, 設計研制了超高壓射流輔助破巖的雙流道牙輪鉆頭和鉆頭, 為超高壓射流輔助鉆井現(xiàn)場試驗提供了配套鉆頭。
由于巖石破碎是一個動態(tài)過程, 在此過程中水射流的特性和巖石的形體模型和受力形式也在發(fā)生改變, 目前的研究主要停留在靜態(tài)或準靜態(tài)上面, 因
此, 需要從動態(tài)的角度對破巖過程進行分析, 提高對超高壓射流破巖機理的認識。
3、由于在超高壓狀態(tài)下, 空化數(shù)容易滿足空化的要求, 在井底有可能產(chǎn)生空化作用, 應開展超高壓水射流空化作用和破巖機理研究。
井下增壓器是超高壓輔助鉆井的關(guān)鍵設備,需要提高其壽命和可靠性, 同時, 還需要進行超高壓水射流噴嘴輔助鉆井參數(shù)和工藝的配套研究。
關(guān)鍵詞語：鉆井用噴嘴，石油噴嘴，礦區(qū)噴嘴
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