任福深，馬若虛，程曉澤，3，王寶金

（1.東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶163318；2.中國石油渤海鉆探工程有限公司，天津300457；3.中國石油天然氣集團公司，北京100724）①

粒子沖擊鉆井技術研究進展及關鍵問題

任福深1，2，馬若虛1，程曉澤1，3，王寶金1

（1.東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶163318；2.中國石油渤海鉆探工程有限公司，天津300457；3.中國石油天然氣集團公司，北京100724）①

粒子沖擊鉆井技術利用鉆井液的水力動力攜帶高速球形顆粒沖擊堅硬和弱研磨性巖石，并通過鉆井液的循環(huán)攜帶出井底粒子，是目前世界上很有發(fā)展?jié)摿Φ纳罹统罹畧杂驳貙拥你@探技術。闡述了高效破巖技術現狀；重點介紹了粒子沖擊鉆井技術的發(fā)展背景；總結了國內外粒子沖擊鉆井技術現有的研究成果；分析了粒子沖擊鉆井工藝的關鍵技術、工作原理和工作特點；闡明了該技術的技術難點，并結合國內實際情況，提出了粒子沖擊鉆井技術未來的發(fā)展趨勢和攻關方向，為國內該技術的研究提供參考。

粒子沖擊鉆井；PID鉆頭；深井；超深井；硬地層

隨著淺層油氣資源的不斷枯竭，在深部硬地層以及復雜地質條件下尋求油氣是目前陸上勘探開發(fā)的重要工作。在鉆井過程中，地層硬度及其相應的鉆進難度會隨著井深的增加而呈指數形式增加。目前，國內各油田在深井和超深井、硬巖地層鉆進中存在著鉆井速度慢、鉆具壽命短、鉆井周期長、鉆井成本高等難題，直接制約了深井和超深井鉆井速度和勘探開發(fā)的整體效益。據統(tǒng)計：深井、超深井鉆井時，硬地層及高研磨性進尺占全井進尺的20%，鉆井成本卻占到了總成本的70%。因此，研究深井、超深井難鉆地層高效鉆井的新方法、提高硬地層鉆井速度是世界公認的鉆井難題之一。

1 高效破巖技術

近幾十年來，科研人員為了提高硬地層鉆探效率，進行了多方面的研究工作，取得了較多的研究成果。

1.1 高效高強度鉆頭

為了提高堅硬、高研磨地層的鉆進速度，研發(fā)了新型牙輪鉆頭、潛鑄式鉆頭、多晶金剛石鉆頭和浸漬金剛石鉆頭等高效鉆頭。該方式通過增大鉆頭的鉆壓和轉矩，改進材料并優(yōu)化鉆頭設計，在一定程度上提高了破巖效率，但仍存在鉆頭齒磨損嚴重、井眼偏移較大的現象［1］。

1.2 機械鉆進的同時加入新的破巖因素

20世紀50年代，美國提出的欠平衡鉆井破巖技術采用井筒負壓，即利用井筒液柱壓力小于所鉆地層孔隙壓力，提高機械鉆速。該技術對于水平井和大尺寸、長井段井眼較為適用［2］。

20世紀50年代末提出的高壓水射流破巖技術，利用高壓水射流和機械方法引起巖石損傷破壞。雖然該技術應用工藝范圍較大，但系統(tǒng)配套及運行成本等問題，在某些程度上限制了其工程應用［3］。

20世紀60年代推廣的沖擊回轉鉆進方法，通過調節(jié)沖擊功和優(yōu)化鉆進參數完成鉆頭的回轉鉆進，應力較為集中，破巖效果較好，取得了有限的進尺增加，但鉆頭的磨損嚴重［4］。

1.3 激光破巖技術

激光破巖技術始于20世紀60年代，利用高能光束直接作用于巖石，使巖石局部快速加熱到熔化和汽化，形成氣液兩相混合物，再利用高速輔助氣流將其攜帶出井底。雖然試驗效果較好，但該前沿技術的理論研究和試驗模擬仍在繼續(xù)［5］。

1.4 等離子體破巖技術

等離子體破巖技術始于20世紀60年代中期，該技術的核心是形成高溫、高速的等離子弧并作用于巖石，使巖石表面和內部的熱膨脹差異產生的熱應力超過巖石的強度極限，由此完成破巖。該技術適用于高硬質大巖石地層，但風險較高，鉆井可行性有待驗證［6］。

1.5 電子束破巖技術

電子束破巖技術始于20世紀70年代，電子在強電場的聚焦作用下，形成高速電子束切割巖石，目前已經研發(fā)聚焦電子束和脈沖電子束2種裝置。該技術能量密度大，且無機械鉆井的反沖問題；但能耗大，照射距離小，仍處于實驗室階段［2］。

1.6 粒子沖擊鉆井技術

2002年，美國工程師Curlett H B，Sharp D P和Gregory M A等人受到射彈沖擊破巖思想的啟發(fā)，突破傳統(tǒng)的機械破巖方式，提出了粒子沖擊鉆井（Particle Impact Drilling，簡稱PID）技術［7-8］。

2 粒子沖擊鉆井工作原理及關鍵技術

粒子沖擊鉆井是以高速球形硬質鋼粒子沖擊破巖為主，聯合高速水利破巖和機械牙齒破巖為輔的一種新的鉆井破巖方法。鉆井過程中，在原有的鉆井液中摻入2%～3%的金屬球形粒子，利用鉆井液的水力動力攜帶粒子；通過PID專用鉆頭將金屬粒子加速到亞音速速度，高速噴出沖擊井底堅硬巖石。粒子撞擊巖石時，粒子沖擊力作用在非常小的接觸區(qū)域上，產生非常大的瞬時沖擊接觸應力。當瞬時應力超過極硬巖石的抗壓強度時，粒子嵌入并破碎巖石，在沖擊接觸區(qū)邊界會產生拉應力和剪應力［9-10］。由于巖石的抗拉強度僅為其抗壓強度的1／16～1／80，抗剪強度僅為抗壓強度的1／8～1／15，當拉應力和剪應力分別超過了巖石的抗拉和抗剪的極限強度時，將形成顯性裂紋和隱性微裂紋［11］，如圖1所示。由于沖擊頻率可高達2 000次／s［12］以上，因此在粒子與射流作用下，產生大量破碎的巖屑，從而提高了破巖速度。

圖1 粒子沖擊破巖示意

井底的巖石碎屑和金屬粒子通過鉆井液的循環(huán)帶出井底，在地面上利用磁選機等地面設備將粒子與巖石碎屑分離和篩選，將篩選后的粒子再重新摻入到鉆井液中，實現堅硬巖層高效破巖的目的。

2.1 粒子沖擊鉆井裝置

粒子沖擊鉆井裝置主要由粒子注入系統(tǒng)（升降機、加料機、沉降管和螺旋擠壓機）、PID專用鉆頭和粒子回收處理系統(tǒng)（環(huán)形分離器、磁鐵分離器和旋轉儲罐）3大部分組成。美國第3代粒子沖擊鉆井裝置如圖2所示。

圖2 美國第3代粒子沖擊鉆井裝置

粒子注入系統(tǒng)主要完成將大氣壓下的金屬粒子連續(xù)、均勻地混入到高壓鉆井液的工作。美國第3代粒子鉆井裝置中，采用粒子升降機將金屬粒子舉升到加料斗中，通過粒子儲存罐到達螺旋擠壓機，在螺旋擠壓機的作用下將金屬粒子壓入到高壓鉆井液混中，通過調整螺旋擠壓機來控制金屬粒子的摻入比例。

2.2 PID專用鉆頭

金屬粒子和鉆井液的混合液順著鉆桿到達PID專用鉆頭，經PID專用鉆頭噴嘴加速后形成亞音速的高速射流流體沖擊巖石；同時PID專用鉆頭正常鉆進，進而實現以高速水利破巖為主、機械牙齒破巖為輔的聯合破巖工藝。PID專用鉆頭主體包括保徑齒、鉆頭主體、加速噴嘴和切削齒，結構如圖3所示。

圖3 PDTI公司的PID專用鉆頭結構

在高速粒子沖擊作用下，鉆頭底部形成波狀井底，鉆頭中部布置的硬質合金切削齒不需高壓和高轉矩便可對環(huán)形巖脊擠壓、研磨和破碎，保證了鉆頭的穩(wěn)定性，同時具備防斜功能。鉆頭外緣布置的保徑齒可修正出規(guī)整的井眼形狀邊緣，巖石破壞形態(tài)如圖4所示。

圖4 PID鉆用鉆頭巖石破碎形態(tài)

根據鉆井工藝要求，不同的井眼尺寸需要配備不同的PID鉆頭尺寸，并布置不同的噴嘴個數。參數如表1所示。

表1 不同尺寸鉆頭布置的噴嘴個數

2.3 粒子回收處理系統(tǒng)

粒子沖擊鉆井回收處理系統(tǒng)主要是處理隨鉆井液攜帶到地面的巖屑與磨損粒子。巖屑與沖擊巖石后的粒子在鉆井液的水力作用下，隨著鉆井液固相在旋轉磁滾筒內被分開，分離出的金屬粒子通過篩選機，再次分離出即可循環(huán)利用。粒子處理流程如圖5所示。

圖5 粒子處理流程

3 粒子沖擊鉆井技術現狀

3.1 國外現狀

為了解決堅硬和弱研磨性地層難以鉆進的問題，2002年由美國工程師Thomas Hardisty等人首先提出了新概念的粒子沖擊鉆井技術［13-14］。

粒子沖擊鉆井概念提出之后，PDI公司對該項技術展開了最初的理論和試驗研究，由于虧損巨大而被迫停止。2005-01，Medxlink Corp.公司參股，收購了該項研究的專利，進行了技術壟斷，新公司PDTI（Particle Drilling Technologies Inc.）的研究工作漸入正軌。

2005年初，PDTI公司進行了第1次試驗，試驗結果初步體現了粒子沖擊鉆井超強的鉆探能力，但由于鉆機集成問題和粒子回收裝置存在缺陷，致使粒子沉積井底，鉆探工作被迫停止。

2006年，PDTI公司對鉆井系統(tǒng)集成問題進行了改進。將粒子回收裝置替換為1個新的開放系統(tǒng)。振動篩中的粒子和巖屑以同樣的方式流向泥漿池，新的回收系統(tǒng)將鋼粒子從非金屬巖屑中分離，保證了粒子的完全回收。

PDTI公司的第1代注入系統(tǒng)是利用鉆井液在管匯中高速流體產生的負壓抽吸作用實現的，注入流程如圖6所示。由于無法精確把握摻入粒子與鉆井液的體積比，因此破巖效果不是十分理想。

圖6 PDTI公司第1代粒子注入系統(tǒng)流程

之后，PDTI公司對粒子注入系統(tǒng)進行了二代更新。二代粒子注入系統(tǒng)是從泥漿泵分離出一部分高壓鉆井液，先與粒子混合，再利用活塞擠壓設備將已經混合的鉆井液與粒子擠壓到粒子儲罐，進行鉆井液與粒子的第2次混合。這樣既保證了混合的均勻性，又保證了粒子的摻入比例，實現了較好的破巖效果。粒子摻入流程如圖7所示［15］。

圖7 PDTI公司第2代粒子注入系統(tǒng)流程

2008年，該公司完成了第3代粒子注入系統(tǒng)的更新，采用2套完全一致的注入系統(tǒng)，二者匯合進入鉆井液主管線，完成粒子與鉆井液的混合，如圖8所示。

圖8 PDTI公司第3代粒子注入系統(tǒng)流程

第3代粒子注入系統(tǒng)主要由粒子垂直提升裝置、螺旋推進機、井架、高壓閥和液控系統(tǒng)構成。粒子從地面上的儲存大罐被垂直提升至注入系統(tǒng)頂部，利用螺旋推進機注入鵝頸管，通過粒子進料口進入粒子儲存罐，輸送至高壓管線進入鉆桿，實物如圖2所示。

2009年，PDTI公司使用研發(fā)成功的PID鉆頭完成了多口?165.1 mm（61/2英寸）井眼，之后設計了?165.1～250.8 mm（61/2～97/8英寸）等一系列尺寸的鉆頭，滿足了鉆探美國頁巖需要的所有鉆頭型號。

2011—2012年，PDTI公司針對粒子沖擊鉆井中出現的工程現象（例如：井眼損傷、側鉆、落魚、跟管鉆進、隨鉆擴孔、取芯、射孔、有效循環(huán)密度調整、輔助環(huán)空液流和定向控制等）進行了研究，并申請了多項技術的專利［16-17］。

3.2 國內現狀

國內眾多專家學者針對粒子沖擊破巖機理、粒子注入系統(tǒng)、粒子回收處理系統(tǒng)、流場模擬等粒子沖擊鉆井關鍵技術開展了研究。

2008年，西南石油大學伍開松等人應用一維應力波基本理論和沖擊動力學有限元分析軟件IDFEM研究了單個粒子沖擊破巖的規(guī)律，提出粒子入射角度、粒子直徑和沖擊速度對破巖效果的影響［18］。

2009—2013年石油大學（華東）徐依吉等人將圍壓作用簡化為巖石內部的預應力效應，對比了巖石在有無圍壓作用下破巖效果的差別，分析了不同濃度粒子對破巖效果的影響，根據仿真結果提出了粒子的最佳濃度和速度比配［19-20］；利用LS-DYNA模擬粒子沖擊破巖的三維非線性沖擊動力學問題，演化了粒子沖擊過程，得到了破巖過程中能量的轉化關系，分析了應力波對巖石破碎的作用，提出粒子最優(yōu)沖擊速度為150 m／s［20］。此后，相繼對粒子分級裝置［21］、粒子回收系統(tǒng)［22］、粒子注入系統(tǒng)［9，23，24］開展了研究工作。

2010年，北京化工大學王奎生、張楊等人設計了高壓粒子泥漿閥［25］，根據第3代粒子注入系統(tǒng)設計了國內新型螺旋輸送機［26］，提出粒子分離過程中巖屑含量分數越高，粒子損失率越大［27］。

2011年，中國石油集團陳志學、紀國棟等人設計了新型粒子沖擊鉆井試驗用噴嘴，采用兩級收縮和直柱段組合來優(yōu)化粒子射流流動狀態(tài)［28］。

2012年，馬振中等人采用清水泵、液壓馬達、螺旋推進器、儲液桶等設備，證明垂直井筒的環(huán)空間隙越小，粒子成功上返所需的清水臨界流速就越大，響應的臨界粒子雷諾數也就越大；提出適當調整鉆井液流量可以方便鋼粒子的回流［29］，并通過試驗證明粒子沖擊鉆井中，各個鉆桿磨損部位不同，但磨損程度很小，在實際生產中可以忽略不計［30］。

顏廷俊等人利用ANSYS建立粒子侵徹巖石三維實體的模型，提出圍壓的存在增大了巖石破損的難度。綜合考慮各種因素，提出粒子直徑約3 mm、入射角度＜10°、速度為150～250 m／s時，效果最佳［31］。

2013年，在西南油氣田龍崗采用加長噴嘴牙輪鉆頭，順利完成了國內首次粒子沖擊鉆井技術現場試驗［32］。該試驗經歷時近1.5 h，注入8 t粒子，鉆至井深2 846.34 m。試驗初步表明：使用粒子沖擊鉆井技術較常規(guī)鉆井機械鉆速可提高3～4倍。

除此之外，中石油渤海鉆探工程有限公司、東北石油大學、中國礦業(yè)大學、中國石油大學（北京）、中國工程物理研究院總體工程研究所、中國石油化工股份有限公司研究院等高校和科研機構，也針對該項技術展開了各自的研究工作。

4 粒子沖擊鉆井工藝特點及技術難點

4.1 工藝特點

1） 粒子沖擊鉆井技術相當于在常規(guī)鉆頭旋轉鉆進和高壓水力射流聯合破巖的基礎上，增加了硬質鋼粒子對巖石的高頻沖蝕，既延續(xù)了旋轉鉆頭和高壓水射流的優(yōu)勢，又融合了更高效的沖擊破巖方式，效果顯著。

2） 粒子沖擊破巖方式特定的PID鉆頭外緣布置的保徑齒可以較為精確地預期井眼直徑和井眼軌跡，因而能有效防止井斜。

3） 粒子沖擊鉆井不需要在鉆頭上施加太大的鉆壓和轉矩，減弱了鉆柱的擺動和疲勞破壞，延長了設備的壽命，減少了處理井下事故起下鉆的次數，縮短了鉆井周期。

4.2 技術難點

1） 金屬粒子與鉆井液的均勻混合程度直接影響破巖效果，二者混合不均勻將無法準確把握粒子的質量濃度，很容易造成局部粒子質量濃度過大無法有效回收，引起卡鉆或憋漏地層。因此，如何將粒子舉升到注入系統(tǒng)，并與鉆井液充分均勻混合是一個技術難點。

2） 粒子在特殊噴嘴里的加速過程是破巖效果的重要保證，因此噴嘴設計是核心環(huán)節(jié)。研發(fā)PID專用噴嘴，合理設計的噴嘴結構布局及鉆頭配套功能，進而形成獨具特色的PID鉆頭是該項技術不可回避的技術難題。

3） 粒子的加速噴射與粒子從井底的返回和泥漿表面水力特性息息相關，在保證泥漿合理比重的前提下，研究粒子沖擊鉆井用泥漿，可以提高粒子沖擊鉆井技術的實用性。

4） 產業(yè)化方面，作為一項新興技術，存在不斷摸索、不斷成長的過程。例如，鉆機裝置進一步的集成化、PID鉆頭的優(yōu)化設計、設備管線的維護和壽命等技術正處于研究階段，由于投入資金較大，且短期無法創(chuàng)造明顯經濟效益，很大程度上制約了該項技術的進一步研發(fā)［33］。

5 結論與建議

1） 研究粒子沖擊鉆井的井底流場規(guī)律，合理布局井底噴嘴，以滿足沖擊破巖的動力特征，滿足粒子上返的工藝要求。

2） 設計PID鉆頭的新型噴嘴，合理規(guī)劃噴嘴相對井底的布局設計，研發(fā)具有自主知識產權的PID專用鉆頭。

3） 借鑒國內外脈沖射流的研究成果，研究粒子脈動沖擊鉆井工藝，提升粒子破巖能力。

4） 開展粒子沖擊與機械聯合破巖的室內綜合試驗，確定合理的鉆井工藝參數匹配關系。

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Research Progress and Key Problems of Particle Impact Drilling Technology

REN Fu-shen1，2，MA Ruo-xu1，CHENG Xiao-ze1，3，WANG Bao-jin1
（1.School of Mechanical Science and Engineering，Northeast University of Petroleum，Daqing 163318，China；2.CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited，Tianjin 300457，China；3.China National Petroleum Corporation，Beijing 100724，China）

The purpose of particles impact drilling technology is to increase the rate of penetration when drilling extra-hard and strong-abrasive rocks.The technology makes a big break through on traditional rock-breaking mode to become the world’s most potential drilling technology for deep wells and ultra-deep well.The basic three parts of the technology，its work principle and the key features are introduced.By concluding the achievement and In terms of the real situation of China，the development direction and key research subjects are put up.

particles impact drilling；PID；deep wells；ultra-deep well；hard formation

TE921.2

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.07.006

1001-3482（2014）07-0020-06

2014-02-19

黑龍江省新世紀優(yōu)秀人才培養(yǎng)計劃項目

任福深（1976-），男，遼寧遼陽人，副教授，主要從事石油礦場機械及其控制理論研究，E-mail：renfushen＠126.com。