钻井高效破岩技术.ppt

西南石油大学熊继有,钻井高效破岩技术,新型高效射流破岩钻井技术高压射流破岩钻井技术新型高效破岩方法,喷嘴是形成射流的最重要元件,也可以说喷嘴是一种水力能量转换器。随着水射流技术应用领域的不断扩展，喷嘴的研究与应用发展迅猛，由于射流是通过喷嘴产生的。因此，射流特性与喷嘴结构特性有着密切的关系。不同的喷嘴结构又产生不同的射流特性。随着高压水射流技术的深入发展和应用领域的拓展，研究者通过改变和控制水射流的内部结构和调节喷嘴的射流流量，研制了几种新型射流喷嘴。新型射流喷嘴的使用，大幅度地提高了喷嘴射流的冲击力和压力梯度，到达井底的有效水力功率成倍增加，提高了破岩效率。,1断续射流,断续射流与连续射流的不同之处在于射流是间断的射流。产生断续射流的方法也较多，可以设计出各种不同的装置来产生断续射流。有机械截断式和调制式多种。主要是采用调节流量方式的内置式断续射流喷嘴。该种喷嘴的结构是在连续射流喷嘴内安装一个可旋转圆盘，如图1所示。,图1断续射流喷嘴结构原理图,当钻井液流经喷嘴时，圆盘必然绕自己的轴转动，那么喷嘴直径A随之作周期性变化，当圆盘处于垂直位置时面积最大，圆盘处于水平位置时面积最小，这样就形成了断续射流。实验结果表明，当喷嘴有效面积从100减小到20时，射流冲击压力提高2倍多，水功率提高3倍多，增加了井底压力梯度，改善了射流清除钻头下方岩屑的作用，同时具有辅助破岩作用，从而提高了破岩效率。,另外，产生断续射流的方法还有如下几种。,①机械阻流式②活塞增压式③激光束汽化式④液电效应式,2马蹄形喷嘴（或心形喷嘴）该喷嘴的入口一般为圆锥形，出口为马蹄形，如图2所示。,图2马蹄形喷嘴出口构型形图,这种喷嘴主要用于牙轮钻头钻容易泥包钻头的地层，它的出口射流可分为两部分，一部分是主射流，另一部分为扩散射流。扩散射流主要是清洗牙轮牙齿，主射流参与辅助破岩，该喷嘴为不对称流道，对钻容易泥包钻头的地层具有良好的应用前景。其不足之处是加工难度大。,3水力脉冲式钻井装置,水力脉冲的产生机理主要分为压力波调制和剪切波整流两大类。其中压力波调制是指淹没条件下使喷速瞬间发生变化，促使射流中产生压力波的激励过程，可产生频率相对固定的压力波，此压力波能够改变岩石的压力状态，从而有利于机械钻速的提高。压力波调制最简单有效的方法是采用机械阻断。利用机械阻断产生的水力脉冲射流提高机械钻速。,水力脉冲射流轴心的高动压力克服井底“压持效应”，井底流场的动态压力大于或等于平均冲击压力都有助于清理岩屑和破碎岩石。井底局部脉冲负压提高机械钻速，水力脉冲产生的水击降压波在井底钻头附近形成脉动性负压流场，这种井底局部脉冲负压降低井底岩石的法向主应力，改善了井底岩石的受力状况;降低了岩屑压持效应，在井底平均清洗水功率条件下，比较容易获得好的净化效果，从而提高钻井速度。,如图所示，SLPMC水力脉冲式钻井工具包括3部分①悬挂机构，包括上接头、悬挂盘及端帽，用于悬挂分流变向器等；2动力机构，包括分流变向器、叶轮、轴、套子等，分流变向器改变流体方向，驱动叶轮旋转产生动力；3执行机构，包括密封压盖、转子、定子、球轴承及本体等。工作原理为该工具分别与钻铤和钻头相连，当下钻到底进行钻井液循环时，一部分钻井液进入分流变向器带动叶轮进而带动转子旋转；当转子与定子互相封闭时，通道而积最小;当转子与定子互相流通时，流道面积最大，从而造成流道面积周期性变化，在下游形成持续的高压脉动射流。,图3SLPMC型脉冲式钻井井工下具结构及原理图,4旋转射流,旋转射流是指在射流喷嘴不旋转的条件下产生具有三维速度的，射流质点沿螺旋线轨迹运动而形成的扩散式射流。这种射流与常规普通圆射流的主要不同点在于其外形呈明显扩张的喇叭状，具有较强的扩散能力和卷吸周围介质参与流动的能力，并能够形成较大的冲击面积，产生良好的雾化效果。,通常用圆柱坐标来描述旋转射流的运动，将射流各质点的流速分解为三个分量轴向流速（u），径向流速（v）和切向流速（w），如图4所示。这三个流速分量的时均流场和脉动流场就可以表示旋转射流的运动状态。,图4旋转射流流动示意图,旋转射流的产生有多种方式，但一般都需要在圆柱形喷嘴的上游采用一定的加旋措施。不同的加旋方式得到的射流出口轴向速度和旋转速度（切向速度）的分布不相同，紊动特性也有差异，常见的加旋方式有三种。,,切向注入法固定导叶加旋法机械旋转法,固定导叶加旋法方式产生旋转射流是工程中常用的喷嘴结构，其整个流道由柱形内腔、收缩加速段和直圆柱出口三部分组成。由导向叶轮固定在喷嘴内腔而组成旋转射流喷嘴，整体结构如图5所示。,图5旋转射流喷嘴结构示意图,5空化射流,所谓空化射流，就是人为地在水射流流束内产生许多空泡，利用空泡破裂所产生的强大冲击力来增强射流的作用效果。空化和空蚀现象对物体的破坏作用十分强大，空泡溃灭同时产生强烈的振动和噪声，对水力机械的工作效率和寿命也有较大的危害作用。如果设法把有害变成有利，在工业清洗、切割和破碎作业中的射流人为地引入空化和空蚀，从而提高了作业效率。空化射流的基本原理就是在流体射流内诱使空化发生并让空化长大，当含有这些空泡的射流冲击物体时，使空泡在物体表面及其附近破裂。,空化射流的关键是如何在射流中产生空化，其关键是喷嘴结构形状和几何尺寸的配合。早期的典型空化射流喷嘴的结构有两种，1968年由美国水航公司的kohl发明，如图6所示。,（a）旋叶式,（b）中心体式,图6旋转叶片空化喷嘴、中心体式空化喷嘴结构示意图,图6（a）是旋转叶片式空化喷嘴结构原理示意图。它是在喷嘴下部的锥形收缩段内放置一个本身不动的旋转叶片，液体进入喷嘴内径过旋转叶片导流作用后，喷出的射流变成旋转射流，射流中心压力降低，从而产生空化。这种喷嘴的叶片数目和叶片倾角对冲蚀强度有重要影响。图6（b）所示的喷嘴结构是在喷嘴前部出口处放置一中心体，使射流在中心体周围分离而产生尾流空化，称为中心体式空化喷嘴。中心体是一件纯头圆柱体，用一个框架把它准确地安置在喷嘴的出口端。,6自激振荡气蚀射流,自激振荡气蚀射流是一种应用空化起始与气蚀理论、水声学、瞬变流、紊流大尺度相干拟序结构生成与发展的理论而产生的一种新型高效射流。自激振荡气蚀结构射流是在20世纪70年代许多研究者就空气射流剪切层的大尺度相干拟序结构进行了大量实验研究的基础上，80年代初期由VEJohnson等人提出的一新型高效射流。随后国内外研究者研究和开发出几种调制射流流场结构的射流发生器。我国在20世纪80年代后期研究开发出几种自激振荡射流发生器，如图7所示。,图7自激振荡气蚀射流喷嘴结构图,这种喷嘴通过实验研究发现，它的射流具有较大的变压特性，并伴有很强的气蚀作用，工作效率是连续射流的3倍。射流中空泡的产生、长大和破裂需要一定的时间和条件，空泡的破裂取决于空泡产生和破裂的特性时标与特征流动时标之比。空泡生成后，随着射流的运动而长大，运动到离喷嘴距离为几倍于喷嘴直径的位置时，射流速度减小，压力增大到一定程度时，空泡集中破裂，产生压力脉动作用。空泡爆破时的最大压力值可为喷嘴压降的8.6～124.0倍。,7自激振荡脉冲射流,石油钻井常用的常规喷嘴是一种连续射流喷嘴。作为破碎岩石的工具，在能量级别相等时断续射流比连续射流更为有效，这是因为断续射流使岩石周期性地卸载而加速了它的脆性破坏。产生脉冲射流的方法之一就是让流体穿过一个位于喷嘴上游的轴对称空腔而对流量进行自持调制。自激振荡脉冲射流喷嘴的研制是以亥姆赫兹共振腔原理为基础的，其物理模型如图8所示。,图8脉冲射流喷嘴结构示意图1-上喷嘴体；2-下喷嘴体；3导流口；4-上喷嘴；5-腔室；6-下碰撞壁；7-下喷嘴,依靠流体本身在合适的腔室结构中产生振荡，不需外加其它装置，通过系统本身将射流的初始振荡，通过反馈和放大，使持续作用能量转化为周期性作用能量。自激振荡的产生必须具备以下三个条件,1具有持续作用能量；2射流或所研究的系统具有一定的初始自由振荡；3具有能量变化的反馈系统和选择性放大作用。,流体在固体壁面上流动时，在固体壁附近存在边界层。在两股有相对运动的流体交界面附近区域内也存在边界层，即剪切层。当稳定的连续高压水射流由上喷嘴喷出，穿过一轴对称腔室后，经下喷嘴喷入大气，如图9所示。,图9自激振荡反馈原理图,脉冲射流喷嘴振荡腔调制机理是流体由上喷嘴进入腔室后存在一个界面。腔室内流体流动的压力分布存在明显的三区腔室轴心流体形成射流区域I；腔室流体反馈区域II；涡旋滞止区域III，如图10所示。,图10振荡腔室流体压力区域图,8井下水力它激振荡脉冲射流,随着高压水力射流辅助钻井破岩的应用研究，人们更加重视如何向井底输送水力能量和如何充分利用井下水力能量的研究与应用。在研究自激振荡脉冲射流振荡腔调制机理时发现，利用环空流体的水力能量作为外加激励源，实现它激振荡脉冲射流的振荡幅值及动压力更大。于是首次提出了利用井下环空流体液柱压力实现它激振荡脉冲射流的探讨。,井下水力它激振荡脉冲射流机理,理论与实验研究表明，自激振荡脉冲射流喷嘴振荡腔的调制机理是射流在腔室内经过扰动、放大、碰撞及有效反馈作用。振荡腔对应的是一个非线性系统，引入扰动后腔室内流体流动状态、边界层及射流状态的影响因素以及调制机理均有变化，是它激振荡脉冲射流的重要研究内容。为了探讨利用井下环空流体液柱压力作为它激激励源，实现它激振荡脉冲射流，建立的物理模型如图13所示,,图13它激共振腔结构物理模型,当具有一定速度的流体流入共振腔后，在腔室的上游区域由于紊动射流强烈的卷吸，加上环空流体引入的激励扰动作用，若它激扰动波与自激扰动波有合适的相位关系或激振频率与自激振荡频率匹配，就实现了它激振荡脉冲射流。由此可见，井下它激振荡脉冲射流主要依靠三种作用方式射流的卷吸作用；共振腔反馈负压区的形成作用；环空液体压力的它激作用。,它激振荡脉冲射流的激励条件,实现它激振荡脉冲射流的方法在地面上有多种，有人曾采用电磁它激振荡来实现。井下它激的有效激励条件有4条①进入共振腔的流体形成射流后具有一定的速度；②井下环空流体激励源的压力大于0；③它激振荡与自激振荡具有合适的相位；④它激频满足下式式中斯特哈罗数（0.10.9）；为上喷嘴直径，m；为射流速度，。,,,,,,,,,,,,,,图14数值模拟结果图,高压射流钻井技术,高压水射流技术的出现，是石油钻井技术的一场革命，使钻井速度上了一个台阶。早在50年代，前苏联、中国和美国就开始利用低压大流量的水射流进行水力采煤的试验和应用。1949年美国首次在钻头上试用小喷嘴。随着喷射钻井技术的不断发展和高压水射流在钻井工程中的应用，人们发现泵压越高，机械钻速越高。国内外有关专家学者为了充分发挥钻头喷嘴射流这个“水力机械”的破岩作用。我国进行高压喷射钻井的井下试验，随着泵工作压力的增加，机械钻速成线性增加，未见到拐点，确证了超高压喷射钻井能够大幅度提高机械钻速。,随后又进行了超高压钻井系统和机械增压辅助钻井装置的研制与应用，使机械钻速成倍增加。20世纪70年代末，美国瑞德公司在东得克萨斯的中软地层进行了超高压的喷射钻井井下工业试验，试验井深达3000m，工作泵压为138MPa。试验结果表明，机械钻速比同类钻头提高30～50。在石油钻井工程中水射流增压技术研究路线有两条一是地面增压（包括整个循环系统或部分循环系统两种方案），二是井下增压（包括机械增压或水力增压两种方案）。,1地面增压技术,20世纪70年代初，美国Maurer等人便开始了超高压射流钻井的试验研究。他们在佛罗里达州和得克萨斯州进行了试验，利用地面增压器把整个循环泥浆压力提高到68～105MPa，设备功率高达2800～11200kW，在5口3000m左右的井中进行了试验，试验结果表明，可提高机械钻速2～3倍，证明了超高压射流钻井方法能够大幅度地提高机械钻速。,1985年美国FlowDril公司研制出一套用于射流辅助双管钻井系统。该系统装置主要由两部分组成，即地面装置和井下工具。地面装置将钻井液处理、清洁并将其增压泵送到钻柱。井下工具包括常规旋转钻井中的所有组成部分即方钻杆、钻杆、钻铤、稳定器、接头和钻头，所不同的是提供了两条独立到达井底的流体通道。如图11所示。,图11双层管射流钻井系统图,2井下增压技术,井下增压钻井技术与常规钻井方法的机理有本质区别。目前国内外出现了串联和并联两种增压回路。串联回路是利用钻井泵的全部流量作动力增压破岩，动力缸泄荷的钻井液净化井底。并联回路是利用钻井泵的部分流量作动力增压破岩，其余部分用来净化井底。井下增压泵采用并联回路比较合理。增压泵最大输出压力应该大于岩石的破碎压力。井下增压多用于深井中硬地层，因此泵的最高输出压力一般为150～250MPa。,井下增压器（泵）的研制开发是以美国为代表，从二十世纪六十年代后期开始，历时三十余年，经过反复研究与实验，先后开发了三代井下增压器，井下增压器结构如图18所示。,图12井下泵和钻井组合,井下增压器参数井下增压器参数在设计中的有效配合是最关键的，它直接影响增压泵的应用条件和寿命。结构参数见表1。,,,,,国内井下增压器研究进展控制机构研究,把来自钻井泵的钻井液连续增压，采用了一套自动闭环控制系统。其中对先导阀实现定位、复位和控制功能的控制机构时该系统中的第一环节，其性能如何，直接关系到增压泵的成败。由于空间所限，井下增压利用缓冲压力进行控制困难很大；另外采用此种结构又会时增压衰减，不利于钻井。研制成的机械控制结构，使井下水头远大于压头的障碍变成了有利条件。,换向元件的研究,由于井下增压有很多特殊性，因此对换向元件要求很高。常规间隙密封滑阀控制井下高温大流量钻井液介质，可靠性不言而喻，启闭特性也无法适应控制结构的要求。最终研制的换向阀、先导阀，其主密封均采用特殊硬化处理的金属密封结构，具有换向速度快、流量系数大、抗污染能力强和耐冲蚀等特点，并能适应井下温度的变化。,井下动密封技术,由于采用并联回路增压，往复运动线速度已降到远低于国外串联回路时的1m/s，无疑为有效延长密封件的使用寿命带来了希望。单要在50h内可靠地工作，行程必须达到200km左右。这个数字对普通工况是个小数，对于井下高温钻井液介质条件，仍然是个难题。,井下水力它激增压研究,根据紊动射流理论、自激振荡脉冲射流形成机理以及井下实际钻井情况分析得出井下水力它激增压主要依靠以下三种作用1自激振荡腔反馈负压区的形成作用；2脉冲射流的卷吸引射作用；3环空流体的它激作用。,,井下它激增压器物理模型,井下水力它激增压器腔室内对应的是一个非线性系统，引入扰动后腔内的流体流动状态、边界层和射流特性的影响因素和调制机理均发生变化。扰动波在腔室内剪切层中的传播由以下五部分组成。,1.在上喷嘴出口处初生的涡量扰动；2.液体它激或自增流量的激励扰动；3.这些扰动在向下游传播的过程中脉动幅值增大；4.涡量扰动和激励扰动与碰撞壁的相互作用；5.在碰撞区域的扰动波不是以声频、弹性效应就以水动力学方式向上游传播，诱发分离区产生新的涡量扰动和激励扰动。,振荡腔扰动特性如图所示,增压器腔室内扰动特性图,新型钻井破岩方法激光钻井破岩新方法,激光是60年代迅速发展起来的一项新兴技术，在工业、国防等领域的应用日益显示其优越性。1997年开始，美国天然气研究所与美国国防部合作，把星球大战激光技术应用于钻井破岩的可行性、成本、利益及环境影响进行了探讨。随后进行了专项研究，项目由天然气研究所负责管理，由科罗拉多矿冶学院主承包，参加单位有美国空军和陆军、麻省理工学院、雷克伍德工程公司和菲利普斯石油公司。,主要研究目标有五个,确定从激光技术中可获取的数据量评价应用激光技术进行钻井和完井的可能性和局限性确定需要解决的激光钻井研究领域定量评价激光钻井所能得到的好处，如提高机械钻速，减少钻井装置日费，降低套管要求及提高安全性和经济效益等弄清激光岩石流体之间相互作用的实验研究,实验取得了鼓舞人心的结果，用六种岩石进行了100多块岩石样品的激光穿透实验，激光能穿透所有类型的岩石。研究的关键技术是激光器功率发生、效率和传输能力,电热能钻井新方法,俄罗斯采用热熔法用特殊材料做成的高温“钻头”压在孔底岩石表面，通过热作用使岩石成分的团聚状态发生改变，导致其岩石熔化。热熔法钻井过程的效果主要取决于岩石的温度和热物理性质。圣彼得堡矿业学院用新型耐热合成材料制成的高温“钻头”，在砂岩中钻孔模拟实验中取得了突破性进展。岩石在高温焰流下发生破碎的机理是一个比较复杂、有待于深入研究的热动力效应问题。研究的关键技术是热动力效应岩石和特殊钻头的研制。,