CN102767333B - 粒子冲击钻井模拟实验方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粒子冲击钻井模拟实验方法及其装置，该方法是：高压泵抽取水箱的水，经高压管线注入混合室，经注入罐过筛的钢质颗粒通过管线进入混合室，高压水和钢质颗粒在混合室充分混合后，形成混合钢粒射流，混合钢粒射流再进入围压模拟井筒，在围压模拟井筒内经两级收缩喷嘴加速后高速撞击岩石，形成破岩，围压模拟井筒通过调压阀来实现围压环境，以模拟地层压力环境。该装置主要包括高压泵、混合室、注入罐和围压模拟井筒，围压模拟井筒内设置两级收缩喷嘴，两级收缩喷嘴入口接高压管线，出口正对围压模拟井筒内岩石。本发明可以在室内条件下模拟深部地层钻井环境，真实反映粒子冲击破岩规律，进一步促进粒子冲击钻井技术的发展。

Description

粒子冲击钻井模拟实验方法及其装置

技术领域

本发明涉及石油开采领域，特别涉及一种粒子冲击钻井模拟实验方法及其装置。

背景技术

近年来，随着我国浅层油气资源的不断枯竭，在深部坚硬地层以及复杂地质条件下寻求油气发现是目前陆上勘探开发的重要工作。但目前深井和超深井硬地层钻井过程中，存在速度慢、钻井周期长、钻井成本高等难题，直接制约着深井和超深井钻井速度和勘探开发的整体效益。因此，研究在深井硬地层中高效钻井的新方法势在必行。

粒子冲击钻井技术是近几年发展起来的一种专门针对深部硬地层的高效钻井技术，它是在位于泥浆泵和钻柱之间的高压管处将球形钢粒子混入钻井液中，钻井液携带粒子进入立管并传递到井下钻头，粒子以高速喷出，通过高频撞击和磨削作用破碎破岩，是以高速水力破岩为主，机械牙齿破岩为辅的一种崭新的高效钻井破岩方法。它将破岩方式由传统的高压水射流等速核对井底岩石的静压作用改变为高速粒子流对井底岩石的冲蚀和磨削作用，大大提高了能量的利用率，其钻井速度是常规钻井的2～4倍，具有广阔的应用前景和开发价值。美国的PDTI(Particle Drilling Technology，Inc.)公司于2002年最早提出并开发这一技术，现已进入商业试验阶段。但目前PID(Particle Impact Drilling)系列钻头的切削模式、喷射系统和岩屑排除方式等还有许多地方需要研究和改进。研制适用于PID的新型泥浆泵、粒子储罐和注入设备、泵送粒子的高压管线和阀门等硬件设备，还有许多研发工作需要做。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：在我国，粒子冲击钻井技术尚处于起步阶段，对粒子冲击钻井的研究还很少，仅仅从理论的可行性上做出了一些工作，还未进行实验阶段的分析研究，对于该技术的现场推广应用，还急需从实验中分析粒子射流破岩参数对提高钻井效率的影响。目前还没有一种能够真实反映深部地层环境和粒子冲击破岩规律的室内实验装置，为粒子冲击钻井技术的进一步发展提供一定的实验支持。

发明内容

本发明实施例的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供一种可以在室内条件下模拟深部地层钻井环境，真实反映粒子冲击破岩规律，进一步促进粒子冲击钻井技术发展的粒子冲击钻井模拟实验方法。

为了实现上述目的本发明采取的技术方案是：一种粒子冲击钻井模拟实验方法，首先高压泵抽取水箱的水，经高压管线注入混合室，注入罐的钢质颗粒通过管线注入混合室，所述高压水和所述钢质颗粒在混合室充分混合后，形成混合钢粒射流，所述混合钢粒射流再经高压管线进入围压模拟井筒，在围压模拟井筒内经两级收缩喷嘴加速后高速撞击岩石，形成破岩，所述围压模拟井筒通过调压阀来实现围压环境，以模拟地层压力环境

所述混合钢粒射流破碎岩石后通过过滤装置实现固液分离，废水和回收钢粒进行重复利用。

所述钢质颗粒为不锈钢丝切丸，密度为7.0-8.0g/cm³，粒径为0.2-0.8mm，钢粒最小平均硬度41-59HRC。

所述注入罐最大给料速度不超过20Kg/min，给料速度通过设置在管线上的截止阀调节。

所述围压模拟井筒的围压为0-40MPa。

所述两级收缩喷嘴加速后的混合钢粒射流的速度为150～250m/s。

本发明实施例还提供一种粒子冲击钻井模拟实验装置，包括通过高压管线依次相连的水箱、高压泵、混合室和围压模拟井筒，所述混合室上方通过管线连接注入罐，所述管线上设有截止阀，所述围压模拟井筒内设置两级收缩喷嘴，所述两级收缩喷嘴入口接高压管线，出口正对围压模拟井筒内岩石，所述围压模拟井筒上设置调压阀和压力表，所述调压阀连接过滤装置。

所述高压泵额定压力50MPa，额定排量60L/min，两台高压泵并联设置，所述高压泵的出口高压管线连接安全阀一端，所述安全阀的另一端连接排出管，所述排出管连接所述水箱。

所述高压泵连接混合室的高压管线上依次设有压力表和控制阀，所述注入罐通过高压管线连接高压泵出口，所述注入罐与高压泵连接的高压管线上设有控制阀和单向阀。

所述两级收缩喷嘴采用40°和13°双锥度喷嘴，喷嘴直径3.0mm，材质为硬质合金，所述两级收缩喷嘴内壁粗糙度1.0-1.6。

为了实现上述目的本发明采取的技术方案是：

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明装置可以在室内条件下模拟深部地层钻井环境，真实反映粒子冲击破岩规律，为粒子冲击钻井技术研究提供模拟实验平台，为深井硬地层中高效粒子冲击钻井工具的研发提供技术支撑，进一步促进粒子冲击钻井技术的发展。

附图说明

图1是本发明实施例提供的工艺流程图；

图2是本发明实施例提供的实验装置原理图。

图中：1.水箱，2.过滤网，3.高压泵，4.压力表，5.安全阀，6.控制阀，7.单向阀，8.注入罐，9.截止阀，10.混合室，11.围压表，12.调压阀，13.两级收缩喷嘴，14.围压模拟井筒，15.岩石，16.实验架，17.过滤装置，18.管线，19.排出管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

参见图1，一种粒子冲击钻井模拟实验方法，高压泵3抽取水箱1的水，然后将产生的高压水通过高压管线注入混合室10，经注入罐8过筛的钢质颗粒通过管线18注入混合室10，高压水和钢质颗粒在混合室10充分混合后，形成混合钢粒射流，混合钢粒射流再经高压管线进入围压模拟井筒14，在围压模拟井筒14内经两级收缩喷嘴13加速后高速撞击岩石，形成破岩，经粒子射流冲击岩石后的混合物通过过滤装置实现固液分离，过滤的废水进入水箱1重复利用，回收钢质颗粒排出后也可以进行重复利用，其中，围压模拟井筒可以通过调压阀来实现特定的围压环境，以模拟地层压力环境。

作为优选，围压模拟井筒的围压为0-40MPa，即可模拟4000m井深的压力环境；钢质颗粒为不锈钢丝切丸，密度为7.0-8.0g/cm³，粒径为0.2-0.8mm，钢粒最小平均硬度41-59HRC；注入罐最大给料速度不超过20Kg/min，给料速度通过设置在管线上的截止阀调节。

参见图2，一种粒子冲击钻井模拟实验装置，包括通过高压管线依次相连的水箱1、高压泵3、混合室10和围压模拟井筒14，混合室10上方通过管线18连接注入罐8，管线18上设有截止阀9，围压模拟井筒14内设置两级收缩喷嘴13，两级收缩喷嘴13入口接高压管线，出口正对围压模拟井筒14内岩石15，围压模拟井筒14上连接调压阀12和围压表11，调压阀12连接过滤装置17。

作为优选，高压泵3连接水箱1的进口设置过滤网2，高压泵3连接混合室10的高压管线上依次设有压力表4和控制阀6。注入罐8通过高压管线连接高压泵3出口，给注入罐8内通入高压水，便于钢质粒子与水的充分混合，注入罐8与高压泵3连接的高压管线上设有控制阀和单向阀，单向阀防止注入罐8内的钢质颗粒倒吸入高压泵。

为防止两级收缩喷嘴13堵塞后的压力冲毁管线，高压泵3的出口高压管线连接安全阀5一端，安全阀5的另一端连接排出管19，排出管19连接水箱1，用于将经过安全阀5的废液排入水箱1中，安全阀5也可以连接在如图2所示的虚线位置，即连接在竖向高压管线上。

在实验过程中，围压模拟井筒14放在实验架16上，高压泵3、混合室10、围压模拟井筒14顺序连接，往注入罐8中加入一定量的钢质颗粒，启动高压泵3，高压泵3从水箱1中抽取水进入高压管线，经两级收缩喷嘴13加速后形成高压水射流，待高压泵3泵压稳定后，利用调压阀12设定好井筒内的围压，围压大小可通过围压表11来读取，调节截止阀9控制钢质颗粒以一定的速度注入混合室10，钢质颗粒与高压水在混合室10内充分混合后进入围压模拟井筒14，经两级收缩喷嘴13加速后形成高速钢粒射流，以150～250m/s的速度冲击破碎岩石。设计的两级收缩喷嘴可将钢粒速度提高到液相速度的95％以上，为确保喷嘴畅通，钢质颗粒直径取0.2～0.8mm；钢质颗粒射流破碎岩石后通过过滤装置实现固液分离，废水和没有损坏的钢质颗粒可以回收利用。

如图2所示，高压泵额定压力50MPa，额定排量60L/min，实验过程中将两台高压泵3并联使用；截止阀9可调节钢粒供给速度在0～20Kg/min之间；围压模拟井筒14可实现最大围压40MPa，即模拟4000m井深的压力环境；两级收缩喷嘴13采用40°/13°双锥度喷嘴，喷嘴直径3.0mm，喷嘴的设计结合了某油田钻井现场2000m深处的钻头喷嘴水力数据，通过相似性原理确定了模型喷嘴的结构尺寸，设计的两级收缩喷嘴13可将钢粒速度提高到液相速度的95％以上，为确保喷嘴畅通，钢质颗粒直径优选0.2～0.8mm。

本发明破碎岩石原理：高压水与钢制颗粒充分混合后形成的混合钢粒射流，经两级收缩喷嘴加速后，速度可以达到液体速度的95％以上，高速钢质粒子(150m/s～250m/s)离开喷嘴后瞬间撞击岩石表面，当粒子突然撞击岩石时，会在岩石的某个地方产生应力波，此后应力波会以一定的速度向撞击方向传播，同时向撞击点四周扩散，使周围岩石受到不同程度的冲击，在冲击接触区边界周围能产生拉应力和剪应力。由于岩石的抗拉强度仅为其抗压强度的1/80～1/16，抗剪强度仅为抗压强度的1/15～1/8，当拉应力和剪应力分别超过了岩石的抗拉和抗剪的极限强度时，在岩石中将形成裂隙、压缩“锥”、显性裂纹和隐性微裂纹，同时产生破碎的岩屑。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种粒子冲击钻井模拟实验方法，其特征在于，首先高压泵抽取水箱的水，经高压管线注入混合室，注入罐的钢质颗粒通过管线注入混合室，高压水和所述钢质颗粒在混合室充分混合后，形成混合钢粒射流，所述混合钢粒射流再经高压管线进入围压模拟井筒，在围压模拟井筒内经两级收缩喷嘴加速后高速撞击岩石，形成破岩，所述围压模拟井筒通过调压阀来实现围压环境，以模拟地层压力环境。

2.根据权利要求1所述的粒子冲击钻井模拟实验方法，其特征在于，所述混合钢粒射流破碎岩石后通过过滤装置实现固液分离，废水和回收钢粒进行重复利用。

3.根据权利要求1或2所述的粒子冲击钻井模拟实验方法，其特征在于，所述钢质颗粒为不锈钢丝切丸，密度为7.0-8.0g/cm³,粒径为0.2-0.8mm，钢粒平均硬度41-59HRC。

4.根据权利要求1或2所述的粒子冲击钻井模拟实验方法，其特征在于，所述注入罐最大给料速度不超过20Kg/min，给料速度通过设置在管线上的截止阀调节。

5.根据权利要求1或2所述的粒子冲击钻井模拟实验方法，其特征在于，所述围压模拟井筒的围压为0-40MPa。

6.根据权利要求1或2所述的粒子冲击钻井模拟实验方法，其特征在于，所述两级收缩喷嘴加速后的混合钢粒射流的速度为150～250m/s。

7.一种粒子冲击钻井模拟实验装置，其特征在于，包括通过高压管线依次相连的水箱、高压泵、混合室和围压模拟井筒，所述混合室上方通过管线连接注入罐，所述管线上设有截止阀，所述围压模拟井筒内设置两级收缩喷嘴，所述两级收缩喷嘴入口接高压管线，出口正对围压模拟井筒内岩石，所述围压模拟井筒上设置调压阀和压力表，所述调压阀连接过滤装置。

8.根据权利要求7所述的粒子冲击钻井模拟实验装置，其特征在于，所述高压泵额定压力50MPa，额定排量60L/min，两台高压泵并联设置，所述高压泵的出口高压管线连接安全阀一端，所述安全阀的另一端连接排出管，所述排出管连接所述水箱。

9.根据权利要求7所述的粒子冲击钻井模拟实验装置，其特征在于，所述高压泵连接混合室的高压管线上依次设有压力表和控制阀，所述注入罐通过高压管线连接高压泵出口，所述注入罐与高压泵连接的高压管线上设有控制阀和单向阀。

10.根据权利要求7所述的粒子冲击钻井模拟实验装置，其特征在于，所述两级收缩喷嘴采用40°和13°双锥度喷嘴，喷嘴直径3.0mm，材质为硬质合金，所述两级收缩喷嘴内壁粗糙度1.0-1.6。