現(xiàn)有硬巖石層鉆探工具的局限性分別是：牙輪鉆頭——要求高鉆壓、高扭矩、低到中等的轉(zhuǎn)速，這些鉆井條件通常會(huì)導(dǎo)致井眼打斜，縮短鉆頭壽命和較低的機(jī)械鉆速。潛鑄式鉆頭——要求中等到高的鉆壓，中等到高的扭矩，高轉(zhuǎn)速(井下馬達(dá)和渦輪)，在大多數(shù)情況下，小的切割深度和高轉(zhuǎn)速仍然僅提供了低的機(jī)械鉆速。 PDC鉆頭——良好的設(shè)計(jì)會(huì)帶來(lái)良好的性能表現(xiàn)，應(yīng)用范圍得以擴(kuò)大，包括較硬的地層;然而，鉆頭性能隨著井眼深度和巖石硬度的增加而變差，仍然需要適度的鉆壓和很高的扭矩，依靠適度的高轉(zhuǎn)速(井下馬達(dá))獲取較好的機(jī)械鉆速，井眼的偏移和鉆頭齒的結(jié)構(gòu)壽命可能成了問(wèn)題。
與上述鉆探工具的局限性相比較，一種新的鉆井技術(shù)及系統(tǒng)，即粒子沖擊鉆井(particle impact drilling)技術(shù)可以有效應(yīng)對(duì)硬巖石層，并顯著地提高機(jī)械鉆速。
粒子沖擊鉆井(PID) 有何顯著好處
粒子沖擊鉆井(PID)的主要目的是，顯著提高那些鉆進(jìn)速度很慢和花費(fèi)很大的井段的機(jī)械鉆速，這是因?yàn)橐广@井段的巖石層具有很硬或很高的耐磨特性，這些很硬的或耐磨性的層段可能僅占要打總井深的較小的比例，但常常占去了鉆井的大部分時(shí)間和花費(fèi)，改善這些層段的機(jī)械鉆速對(duì)于鉆硬巖石地層的經(jīng)濟(jì)效益有著重要作用。在美國(guó)和世界各地，這些硬巖石地層包括許多地質(zhì)盆地;粒子鉆井技術(shù)研究者認(rèn)為，這種改善鉆井效率的程度可能會(huì)開(kāi)啟一些地區(qū)許多油氣藏的鉆探，包括經(jīng)濟(jì)地加深開(kāi)發(fā)現(xiàn)有的井，使其到達(dá)產(chǎn)油更多的層段，而在這些區(qū)域油氣藏鉆探之前，被認(rèn)為不經(jīng)濟(jì)劃算。
使用粒子沖擊鉆井技術(shù)還涉及到其它幾個(gè)好處，該技術(shù)運(yùn)用很小的鉆壓(WOB)——僅5,000至10,000磅(2.27至4.54噸)，大多數(shù)其它的常規(guī)鉆井方法鉆達(dá)目的層需要20,000至60,000磅(9.07至27.22噸)的鉆壓，由于粒子沖擊鉆井技術(shù)運(yùn)用了相對(duì)較低的鉆壓進(jìn)行鉆進(jìn)(如圖 1)，這會(huì)大大地減小鉆進(jìn)扭矩、鉆具擺動(dòng)和鉆具的彎曲，這些因素會(huì)顯著地降低井眼的偏移趨勢(shì)。在常規(guī)鉆井中，特殊硬地層井眼偏移問(wèn)題的預(yù)防和修正會(huì)增加很大額外的鉆井成本。業(yè)界認(rèn)為，較低的鉆壓會(huì)從根本上延長(zhǎng)鉆頭的壽命，增加進(jìn)尺，減少更換鉆頭的時(shí)間。
粒子沖擊鉆井(PID) 系統(tǒng)如何工作
在硬巖石層很快到來(lái)之前，粒子沖擊鉆井系統(tǒng)的人員和設(shè)備到達(dá)鉆井現(xiàn)場(chǎng)，設(shè)備與鉆機(jī)的相關(guān)組件結(jié)合安裝為一體，屆時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)用來(lái)鉆達(dá)目的層，粒子沖擊鉆井系統(tǒng)的主要組件是：粒子注入系統(tǒng)——在泥漿泵與立管之間內(nèi)聯(lián)接入;粒子沖擊鉆頭——下入井下，高速運(yùn)送鋼粒子到井底;粒子回收裝置——安裝在鐘形導(dǎo)向短節(jié)附近的泥漿出口管線上，在鉆井液到達(dá)泥漿罐之前，從鉆井液中回收粒子;粒子處理和儲(chǔ)存裝置——從打出的固相顆粒和帶有少量鉆井液的成分中分離出粒子，在重新注入前回收儲(chǔ)存起來(lái)，用來(lái)再注入;一旦設(shè)備和人員各就各位，粒子沖擊鉆頭被下入井內(nèi)，一種微小體積的鋼粒子(小于總流量的5%)通過(guò)注入系統(tǒng)被混入鉆井液。
攜帶粒子的鉆井液通過(guò)鉆具向下行進(jìn)，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的粒子沖擊鉆頭的水眼獲得加速(如圖2)，達(dá)到一個(gè)大約500英尺/每秒(152.4米/每米)的速度，噴射速度相當(dāng)于在井底產(chǎn)生每分鐘高于450萬(wàn)次的撞擊力，這種撞擊力有效地破碎和除去大約90%的被鉆巖石，在與巖石很小的接觸區(qū)域的正上方，鋼粒子對(duì)井底產(chǎn)生強(qiáng)大的撞擊力，這種撞擊力會(huì)產(chǎn)生一個(gè)巨大的觸點(diǎn)應(yīng)力，這種觸點(diǎn)應(yīng)力能產(chǎn)生有序的比破碎巖石所需應(yīng)力更高的強(qiáng)度。
即使提高鉆壓，常規(guī)結(jié)構(gòu)的鉆頭切削齒工作在剛好超過(guò)需要破碎巖石應(yīng)力的臨界值，這是由于常規(guī)鉆頭齒結(jié)構(gòu)與巖石的接觸區(qū)域很大，應(yīng)用機(jī)械能的總量受到限制。
粒子沖擊鉆頭的水眼被設(shè)計(jì)成特殊的形狀來(lái)傳送粒子，以最佳的效率除去巖石，粒子沖擊鉆頭使用了人造金剛石PDC切削齒，切削0.05英寸(1.27毫米)大小的井眼厚度，中心錐體切削齒破碎井眼中部無(wú)支持的巖石環(huán)。
巖石環(huán)不斷地形成，并不斷地被破碎移走，提高了鉆頭的穩(wěn)定性，由于地層材質(zhì)是通過(guò)鋼粒子在環(huán)繞巖石環(huán)的內(nèi)外進(jìn)行爆炸式撞擊而被去除的，隨著深度的改變，巖石環(huán)的內(nèi)應(yīng)力被減弱，巖石的強(qiáng)度被降低，這使得巖石的去除更容易，特殊情況下，可能出現(xiàn)大的不規(guī)則的巖石槽，顆粒狀的和大小不同的巖石環(huán)碎屑會(huì)被去除。
在地面，粒子和巖屑通過(guò)粒子回收裝置，這個(gè)裝置從鉆井泥漿和巖屑中分離出粒子，分離后的物質(zhì)送到粒子處理裝置處理，然后進(jìn)入儲(chǔ)存裝置，這時(shí)粒子還要從仍存有少量泥漿和巖屑的物質(zhì)中進(jìn)一步被清洗和分離，在這之后，粒子等待著再次重新注入井下。
應(yīng)用證明，如圖3，設(shè)計(jì)這項(xiàng)技術(shù)可以顯著地減少鉆井時(shí)間和鉆井花費(fèi)，降低勘探和開(kāi)發(fā)成本，提高整體鉆井經(jīng)濟(jì)效益，縮短油氣生產(chǎn)到油氣銷(xiāo)售時(shí)間，提高鉆井速度，從根本上提高油氣開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益。
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