超高压射流钻头破岩实验研究

1、第29卷第4期石油钻采工艺Vol . 29No . 42007年8月O I L DR I L L I N G &PRODUCTI O N TECHNOLOGY Aug . 2007文章编号:1000-7393(2007 04-0020-033超高压射流钻头破岩实验研究袁建民赵保忠(胜利石油管理局黄河钻井总公司, 山东东营257064摘要:超高压水射流技术在石油工程中的应用越来越广泛, 目前超高压射流联合机械破岩是提高钻井速度最具潜力和最具可行性的方法。通过室内实验和现场试验研究了淹没条件下超高压水射流破碎岩石的主要规律, 探寻影响破岩效果的主要因素及其规律, 为超高压射流联合机械破岩及超高压P

2、 DC 钻头的进一步研究奠定了基础。研究发现, 影响超高压射流破岩的主要因素有压力、喷距、喷嘴移动速度和喷射角度等, 射流压力越高破岩效果越好, 最优喷距随着压力的升高而增大, 200M Pa 时最优喷距达到32. 5倍喷嘴直径。, MPa 时破岩效率最高, 喷射角为14破岩效果最好。根据实验结果, , 和工具, 现场试验取得了较好的效果, 可进一步推广应用。关键词:超高压水射流; 破岩; 喷距; 冲蚀中图分类号:TE21; TE248文献标识码:技术, 、能量比较集中、传输效率高、能降低机械温度、延长刀具使用寿命等优点, 所以在煤炭、石油、冶金、航空、建筑、交通、化工、机械、建材、市政工程、

3、水利以及轻工业等各部门得到广泛应用。超高压水射流技术在石油工程中的应用也越来越广泛, 尤其是在石1油钻井采油等方面得到了飞速发展。Veenhuizen 等用超高压井下泵所做的现场实验表明, 对于页岩, 超高压射流辅助破岩的速度约为常规破岩速度的2 1. 45倍, 花岗岩的1. 50倍, 而砂岩则高达2倍。国内研制成功的加长喷嘴钻头、自振空化射流钻头、径向水平井钻进技术等的多项应用技术, 都显示了高压射流联合机械破岩技术有着广阔的发展空间。笔者通过实验研究了淹没条件下超高压水射流破碎岩石的主要规律, 探寻压力、喷距、喷嘴移动速度和喷射角度等对破岩效果的影响规律, 为超高压射流联合机械破岩及超高压

4、P DC 钻头的进一步研究奠定基础。3高压射流切割机上完成的, 装置见图1。图1室内实验装置1. 2数据测量最优喷距确定实验参数设置如下:喷嘴移动速度为1. 91mm /s; 驱动压力为150MPa; 喷射角度为0, 即垂直于水平放置的岩石; 喷嘴直径d 为0. 2mm (进口红宝石喷嘴 。角度对冲蚀影响实验参数为:喷嘴移动速度为6. 67mm /s; 驱动压力为150MPa; 喷嘴直径为0. 2mm (进口红宝石喷嘴 。每一角度进行3个方向的冲蚀, 即:前进, 喷嘴方向与射流方向相同; 后退, 喷嘴前进方向与射流方向相反; 侧移, 喷嘴前进方向与射流方向垂直。数据的测量及处理方法:使用密度为

5、1. 374g/cm 的橡皮泥填充冲蚀坑, 用精度为0. 001g 的MP200A 电子天秤测量冲蚀坑内橡皮泥的质量。实验所选用材料为人造大理石, 每块面积为1520c m , 厚度为231实验装置及结果分析1. 1实验装置实验是在石油大学(华东 射流研究中心的超3作者简介:袁建民, 1957年生。1996年毕业于郑州大学制造工艺与设备专业, 现任副经理, 工程师。电话袁建民等:超高压射流钻头破岩实验研究16. 0mm , 抗压入强度即硬度为1633MPa 。1. 3结果分析1. 3. 1喷距对岩石冲蚀效果的影响如图2所示,21嘴移动速度小于2. 9mm /s 时对

6、冲蚀效果影响不大, 当速度进一步增大后, 冲蚀效果明显降低。喷嘴移动速度快慢其实质反映的是射流作用与岩石表面的作用时间长短。 且压力越高, 冲蚀效果越好。在喷嘴直径、喷射角度、喷嘴移动速度一定的情况下, 150MPa 压力下的最优喷距在6. 0mm 左右 。图5超高压淹没射流变喷嘴移动速度冲蚀效果图2淹没状态下150M Pa 冲蚀效果1. 3. 2喷射角对岩石冲蚀效果的影响喷射角度22. 定义为岩石平面垂线与喷射方向线的夹角(锐角 ,即图3中的角。由于喷嘴的倾斜方向与喷嘴的前进方向有几种不同搭配方式, 一般分为3种(后退和侧移 如图 3所示。选取射流喷射角为14, 此, 破岩扭矩和耗费的机械比

7、能见图6 。将7个喷嘴中的4个布置在前面, 角度为与前进方向成14, 另一个为中心直喷嘴, 还有2个侧喷嘴布置在钻头外径上。根据各种刀翼钻头的使用情况, 在清洗钻杆钻井液时, 将钻头设计为外径80mm , 2刀翼, 刀翼长2030mm 。根据水力计算, 将喷嘴直径定为0. 61. 0mm 。高压水射流和刀具联合作用时设定工作参数为:钻压4k N; 水射流压力140MPa; 钻头转速60 80r/min 。图3喷嘴移动方向与岩石面关系图4是压力为150MPa 、最优喷距时的岩石冲蚀情况。从图中可以看出, 在所测角度范围内, 开始随着角度的增加岩石冲蚀体积增大, 到14时冲蚀情况最严重, 然后随着

8、角度的增加, 冲蚀体积开始下降。所以在150MPa 、喷距为6mm 条件下的最优喷 射角度是14。图6钻头示意图2. 2清洗装置试验装置由水循环系统、超高压泵、高压管线、钻头以及钻杆旋转系统、钻头进给系统等组成(图7 。常压下的清水进入柱塞式超高压泵升压并经过稳压罐稳压, 高压水经过高压软管线输送至一根长10m 左右的水平钢喷杆, 喷杆端部连接钻头, 高压水流经钻头喷嘴喷出形成高压水射流。钻杆在电机带动下经过变速箱调节到合适的旋转速度, 另一图4150M Pa 压力下淹没射流冲蚀曲线电机带动的滚动轴旋转, 拉动带钻头的钢喷杆前进, 使产生的高压、高能射流和刀具联合作用于堵塞油管的物体, 对物体

9、进行破碎, 直至将钻杆清洗干净。清洗装置主要设备如下:1. 3. 3喷嘴移动速度对岩石冲蚀效果的影响从图5可见, 当喷嘴直径、喷射压力、喷距、喷射角度不变的情况下, 喷嘴移动速度越快, 冲蚀效果越差。喷 22石油钻采工艺2007年8月(第29卷 第4期高了射流泵压力, 这种方法效果较好, 但射流能耗太大, 造成设备复杂, 投资巨大。若合理设计喷嘴形状和喷嘴布置, 准确确定射流在岩石的冲蚀角度和落点, 优化水力参数设计, 效果会较好。研究发现采用水射流与机械切削刀具联合破岩方式, 能够更有效地增大切割深度, 提高破岩效率, 最大程度地发挥射流的作用, 该种破岩方式主要有以下3种作用:(1 射流实

10、际切削岩石, 为刀具在岩石上切出破岩自由面。(2 射流进入刀具在岩石上开出的裂纹, 并沿岩石的晶界面穿透岩石孔隙及在刀具开出的裂隙中建立极高的瞬变压力, 帮助扩展裂隙直至成碎小岩块。(3 辅助清洗刀具, 冲走刀具切出的岩石碎块, , 若位置布置, 。, 不仅可以将其运用于钻通清洗堵塞钻杆, 而且还可进一步应用于深井钻井及渗透性射孔的重大工作中。图7现场试验装置(1 超高压泵。美国Butter worth 公司生产的TX450H 型超高压泵, 泵体为三缸单作用柱塞泵, 额定压力为140MPa 。柴油机最高输出功率为349. 36k W , 最高转速为2000r/min 。(2 钻杆旋转系统。1台

11、5. 5k W 三相异步电机, 驱动一台涡轮减速机提供油管的旋转。减速机的减速比为120。(3 钻头进给系统。1台2. 2k W 机, 减速机的减速比为140。(4 -40型电磁调速控制器控制, 确定转速, 由此可得钻头的相对转速。2. 3结果分析现场试验是在胜利油田钻井二公司32115钻井队进行的, 共有2500m 钻杆被堵塞。试验中钻杆主要参数为:外径127mm , 内径89108mm , 每根钻杆长度9m 。水射流参数为:压力105MPa, 排量140L /min, 喷嘴68个, 输送管长度40m , 钻头尺3结论(1 在喷嘴直径、喷射角度、喷距等一定的情况下, 射流压力越高破岩效果越好

12、。(2 在喷嘴直径、喷射角度、喷嘴移动速度一定的情况下, 最优喷距随着压力的升高而增大, 200MPa 时达到了32. 5倍喷嘴直径。(3 喷嘴移动速度的实质是反映射流冲蚀岩石的作用时间, 小于2. 9mm /s 时对岩石的冲蚀效果影响不大, 超过此值以后, 冲蚀效果明显降低。(4 通过水射流与机械刀具联合破岩钻头模拟试验, 水射流对破岩效率影响明显, 与常规机械刀具破岩相比, 钻速可提高2倍以上。(5 超高压水射流钻头是以水力与机械刀具联合破岩方式工作的, 岩石主要以体积破碎为主。完全改变了传统钻头单纯机械磨削破岩方式。为石油钻井提供了一种新的破岩方法。(6 在进行钻头设计时, 喷嘴与切削齿

13、之间的相对位置是关键。从实验效果看, 喷嘴与切削齿之间的距离有一个最佳值, 距离过小易造成超高压射流对钻头体的冲蚀, 过大则影响破岩效果。该问题有待于进一步研究。(下转第35页寸7796mm 。高压水射流发生时, 钻杆旋转速度为6080r/min, 钻杆冲蚀速度为2030m in /根。在处理水泥堵塞钻杆中, 由于采用了高压水射流技术, 平均冲蚀速度一般为2030m in /根, 比单纯用机械方式处理时的60m in /根, 效率提高了23倍, 显示了超高压水射流清洗的强大优势。这一优势同样在处理另外几批水泥堵塞钻杆(近5000m 和水泥堵塞油管(近150000m 的试验中得到证明, 采用高压

14、水射流技术后, 处理的水泥堵塞钻杆速度为3040m in /根, 比单纯用机械方式100m in /根的处理速度提高到23倍。高压水射流处理堵塞钻杆时, 当作用于岩面的水射流压力等于或大于岩石的抗压强度时, 利用射流冲击波对岩石的冲击作用和射流的水楔作用, 可大幅度提高破岩速度。为提高射流的冲击作用, 提付建红等:基于ANSYS 的水平井下套管摩阻分析计算后, 井口仍有424. 76kN 的井口载荷, 说明江沙8-H 井 215. 9mm 井眼内下入 139. 7mm 套管是可行的。不计垂直段的摩阻力, 计算出的总摩阻力为114. 56k N 。35(2 模拟结果可以直观地显示套管的横向变形及

15、套管的最大等效应力, 为水平井套管串优化设计提供了重要的手段。(3 在水平井段, 间隔3根套管以上下入刚性扶正器, 2扶正器之间的套管柱大部分仍与井壁接触, 对套管居中度的改善不大, 但旋流扶正器对提高固井质量有一定的帮助。(4 在水平井段建议每12根套管加入1个刚性稳定器, 以改善套管的居中度, 提高固井质量。在弯曲井段, 尽量少加刚性扶正器, 避免由于刚性太强影响套管下入。图6 139. 7mm 套管轴向力沿井深的分布模拟计算了整个井段套管的轴向力, 把套管下入设计井深时, 井口拉力为424. 757k N , 而实际江沙8-H 水平井套管下到位后的井口拉力为436kN, 误差仅为2. 6

16、4%。由于模拟计算中未考虑垂直段套管与井壁的摩擦, 因此值稍偏小。模拟结果表明。值得注意的是, 扶正器, “硬卡”, 12根套管安装1个刚性扶正器, 改善套管的居中程度, 提高水平段固井质量, 而在弯曲井段, 可以间距3根套管以上加入刚性扶正器, 避免弯曲井段套管刚性过大导致套管下入困难。参考文献:1JOHANSI CK C in directi onal wellsp and .I A DC /SPE11380. H p r modeling p r ogra m f or calculatingdrag in directi onl and deep wellsR .SPE 047.3李子

17、丰, 李敬媛, 孔凡君. 钻柱拉力扭矩模型述评J .石油机械. 1993, 21(8 :43-46.4何世明, 郭小阳, 徐壁华, 等, 水平井下套管摩阻计算J .西南石油大学学报, 1997, 19(2 :21-26.5徐苏欣, 段勇, 雒维国. 大位移井下套管受力分析和计算J .西安石油学院院报, 2001, 16(4 :72-74, 88.6沈献良, 曹庆和, 王爱宽, 等. 定向井套管入井摩阻分析J .断块油气田, 2003, 10(2 :73-76.7王建军, 张绍槐, 狄勤丰, 等. 水平井套管摩阻解析分析J .西安石油学院学报, 1996, 11(6 :17-19.(收稿日期20

18、07-05-133结论与建议(1 基于ANSYS 的水平井套管摩阻分析能够用于水平井下套管的摩阻力的预测和大钩载荷预测,模型中考虑的因素是合理的。编辑薛改珍(上接第22页参考文献:1沈忠厚. 水射流理论与技术M.山东东营:石油大学3李根生, 沈忠厚. 高压水射流理论及其在石油工程中应用研究进展J .石油勘探与开发, 2005, 32(1 :96-99.(收稿日期2006-11-13出版社, 1998.2孙家骏. 水射流切割技术M.江苏徐州:中国矿业大学出版社, 1992.编辑薛改珍2ABSTRACTS Vol . 29No . 4on both lab and field experi m e

19、nt . The main fact ors andrelati ons bet w een these fact ors that deter m ine the r ock breaking effect are discussed as well . This p r ovides a basis for further study on ultra 2high p ressure jet assis 2ted by mechanical breaking of r ock and on P DC bit with ultra 2high p ressure . The result s

20、hows that the main fact ors affecting the breaking of r ock are jet p res 2sure, the standoff distance, the nozzle moving s peed, the jet angle . The higher the water jet is, the better the r ock breaking effect is . And the op ti m um standoff distance increases with the rise in p ressure . The op

21、ti 2mu m standoff distance increases t o 32. 5ti m es larger than the nozzle dia meter when the p ressure is 200MPa . Under laborat ory conditi ons, the highest effi 2ciency of r ock breaking is obtained when the p ressure equals t o 150MPa, and the m um jet angle is 14degrees . According t o m enta

22、l results, the on of is op ti m ized and s . Great success m ent .ultra 2high p ressure water jet; r ock standoff distance; er osi onY UAN J ian 2m in, Yell ow R iver D rilling Cor pora 2ti on, Shengli Petr oleu m Adm inistrati on, Dongying 257064, Shandong, ChinaCe m en ti n g technology of W ell T

23、a shen 21. W ANG D ong . OD PT, 2007, 29(4 :23227is filled naturally, and as a result nor mal landing is at 2tained . Based on adjusting drilling asse mbly, drilling para meters, and op ti m izing oil casing strings, the well is comp leted successfully, fulfilling the de mand of de 2sign . It does n

24、ot only lead t o good econom ic benefits, but als o p r ovides valuable experience for the operati on of horiz ontal wells in this area .Key words:horiz ontal well; traject ory contr ol; drilling asse mbly; sus pended sidetrackingZ HANG Shu 2rui, No . 1D rilling Co mpany of Daqing D rilling Gr oup,

25、Daqing 163411, Heil ongjiang, ChinaCon trol az i m uth of the d i recti ona l equ i p m en t to opera te d i 2recti ona l dr illi n g . L I U W e i , YANG Sheng 2yu . OD PT, 2007, 29(4 :16219Abstract:During directi onal drilling, the drilling traject ory needs t o be adjusted by using directi onal d

26、e 2vices t o reach the target successfully . However, the field engineers usually use si m p le directi onal devices, such as an elbow sub, t o conduct l ong 2distance direc 2ti onal drilling during p ractical directi onal They contr ol setting angles only based experience . A s a result, only a tai

27、ned, which has a ory adjust m ent s m angles nee 2ded can be gotten ti m es of revi 2si on . I n this paper, ne method is discussed t o con 2tr ol directi onal drilling only by changing the azi m uth angle of directi onal devices and as a result an op ti m um app r oach t o calculating the azi m uth

28、 angle of directi onal devices is achieved . The app r oach is t o get the first vect or fr om the p resent point t o the level of target and the second vect or fr om the p resent point t o the target, and then the difference of the first vect or fr om the sec 2ond vect or is a ne w vect or . The ho

29、riz ontal p r ojecti on of the ne w vect or deter m ines the azi m uth angle of direc 2ti onal devices t o operate directi onal drilling . The ne w method is si m p le and p ractical t o change the azi m uth of wellbore i m mediately and stably, s o as t o reach the target successfully either in the

30、 mode of increasing or decreasing inclinati on .Key words:directi onal drilling; traject ory con 2tr ol; directi onal equi pment; angleL I U W ei, Petr oChina Exp l orati on and Devel op 2ment Research I nstitute, Beijing 100083, ChinaExper i m en t a l study on rock break i n g w ith ultra 2h i gh

31、pres 2sure jet . Y UAN J i a n 2m i n , ZHAO Bao 2zhong . OD PT, 2007, 29(4 :20222Abstract:U ltra 2high p ressure water technol ogy is widely used in petr oleum engineering . A t p resent, ul 2tra 2high p ressure jet, assisted by mechanical breaking of r ock, is considered as the most potential and

32、feasi 2ble app r oach t o i m p r oving drilling s peed . I n this pa 2per, the la w of r ock drilling with ultra high p ressure water jet under submerged conditi ons is studied basedAbstract:W ell Tashen 21is an ultra 2deep scien 2tific gr op ing well . The risk of ce menting caused by ul 2tra 2dep

33、 th gets higher . I n order t o ensure ce menting quality and finish the casing running perfectly, the in 2ter polati on method is app lied t o the course of ce men 2ting, by which the channeling p r oble m of super 2large casing can be s olved . The contradicti on bet w een ce 2ment density, ce menting quality and