（化工过程机械专业论文）粒子冲击钻井系统中粒子分离回收规律的试验研究及分析.pdf

北京化工大学学位论文原创性声明 姗肌川删f f i f f 咖 y 1 8 7 7 7 9 1 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：羔叠：垒日期：作者签名：生塑：垫日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：2 查查 导师签名：塑囊 导师签名：继3 孩 日期：鲨! ! 兰堡垒兰堂 蹴塑单址 学位论文数据集 中图分类号 t e 2 4 9 学科分类号 4 4 0 4 5 论文编号 l 0 0 1 0 2 0 1 1 0 6 7 3 密级公开 学位授予单位代 1 0 0 1 0学位授予单位名称北京化工大学 码 作者姓名王亦逍学号 2 0 0 8 0 0 0 6 7 3 获学位专业名称化工过程机械获学位专业代码 0 8 0 7 0 6 北京化工大学与中 国石化胜利石油管新型石油装备技 课题来源研究方向 理局钻井工艺研究术的研究 院的合作项目 粒子冲击钻井系统中粒子分离回收规律 论文题目 的试验研究及分析 粒子冲击钻井，分离效率，振动筛， 关键词 磁选机，量纲分析，损失率 论文答辩日期2 0 1 1 年5 月2 1 日宰论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师 张杨 副教授北京化工大学石油化工机械 评阅人l王奎升教授北京化工大学石油化工机械 评阅人2颜廷俊副教授北京化工大学石油化工机械 答辩委员会主席周俊波教授北京化工大学流体机械 答辩委员1 陈香凯 高工 中石油长城公司石油化工机械 答辩委员2王奎升教授北京化工大学石油化工机械 答辩委员3卢涛副教授北京化工大学流体机械 答辩委员4颜廷俊副教授北京化工大学石油化工机械 答辩委员5马润梅讲师北京化工大学流体机械 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) 学科分类 与代码中查询。 四论文编号由单位代码并口年份及学号的后四位组成。 验研究及分析 的新型技术，因 为其使用寿命长，钻速快，作业周期短等特点引起了国内外石油工 作者的广泛关注。其中钢质粒子( 以下简称“粒子”) 的分离回收 是该技术中的重要问题之一。由于在粒子回收分离过程中粒子会有 部分损失，为了使得粒子总数保持稳定不影响工作效率，就必需要 了解粒子的损失规律。本文通过小模型试验研究分离系统的工作规 律，分析粒子损失率与粘度、流量、粒子与岩屑比例等多种物理参 数之间的规律。本文还运用量纲分析的方法建立数学模型，描述粒 子损失率与各影响因素之间的关系。 本文针对粒子冲击钻井分离系统中的振动筛分和磁性分离两个 环节分别进行了试验研究。对于粒子冲击钻井分离系统中的振动筛 分部分，将混合有粒子与岩屑粒子( 以下简称“岩屑) 的钻井液 通过振动筛。同时测定试验中钻井液粘度、流速、密度、最大静切 力、粒子与岩屑的质量比以及粒子与岩屑加入速度等众多参量，试 验观测各项参数同粒子损失率的关系。并利用量纲分析得出具体的 粒子损失率与多种物理参数的无量纲方程。试验研究发现影响粒子 损失的因素主要有钻井液粘度、流速以及粒子与岩屑的质量比，并 且损失率随着这些因素的增大而增大。 对于粒子冲击钻井分离系统中的磁性分离部分，利用粒子材料 i 的磁性与非磁性岩屑的特性进行分离，试验将粒子 合粒子通过磁选机，同时测定磁选机磁辊转速，磁 粒子 量纲 响粒 子与 达式 国内 有较 磁选 a b s t r a c t e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h es e p a 】认t i o n a n dr e c y c l i n ge f f i c i e n c yo fp a r t i c l e si n p a r t i c l ei m p a c td r i l l i n gs y s t e m a b s t r a c t p a n i c l ei m p a c td r i l l i n g ( p i d ) t e c l m o l o g yi so n en e w o i l 一d r i l l i n g t e c l l l l o l o g y 、 ，h i c hh a sb e e nd e v e l o p i n gi nt h en e a rd e c a d e i ti sw i d e l y c o n c e m e db yo i lw o r k e r sf o ri t sl o n gl i f e t i m e ，h i g hd r i l l i n gs p e e da n d s h o r r tw o r k j n g c y c l e ，e t c t h ep a n i c l es e p a r a t i o na n dr e c y c l i n gs y s t e mi s a ni m p o r t a n t p a r ti nt h ew h o l ed r i l l i n gp r o c e s s i o n s t e e lp a r t i c l e sw o u l d e n c o u m e rp a r to fl o s ei ns e p a r a t i o na n dr e c y c l i n gp r o c e s s e s i no r d e rt o k e e pt h et o t a l 嬲o u mo fp a r t i c l e s ，t h el o s sd i s c i p l i n e ss h o u l d b es t l l d i e d e x t e n s i v e l y b a s e do ne x p e r i m e n t s ，t h i sp 印e rg e t sm ef a c t o r sg o v e m i n g t h es 印a r a t i o na n dr e c y c l i n gp r o c e s s ，s u c ha sv i s c o s i 锣，n o w ，a n dr a t i o o fp a n i c l e se t c ，a n dt h em l e sb e 铆e e ns t e e lp a n i c l el o s er a t ea n dt h e s e p h y s i c a lp a r a m e t e r s w h a t sm o r e ，m a t h e m a t i c a lm o d e li sb u i l tt o a 1 1 a l y s i sm er e l a t i o n s h i pb e 似e e ns t e e lp a n i c l el o s er a t ea n ds o m e p h y s i c a lp a r a m e t e r se m p l o y i n gd i m e n s i o na n a l y s i sm e t h o d t 1 1 i sp 印e rf o c u s e do nt h ev i b r a t i n g s c r e e n i n gp r o c e s sa n dm a g n e t i c s e p a r a t i o np r o c e s sr e s p e c t i v e l yt h r o u 曲e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h f o rt h e f i r s tp r o c e s s ，d r i l l i n gf l u i dm i x e dw i t hs t e e lp a n i c l e sa n dr o c kd e b r i s h i 北京化t 人学硕i ：学位论文 p a r t i c l e sg ot h r o u g ht h ev i b r a t i n gs c r e e n c o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r s i n c l u d i n gv i s c o s i t y ，n o wv e l o c i t y ，d e n s i t yo fd r i l l i n gn u i d ，m a s sr a t i oo f s t e e l p a r t i c l e sa n dr o c kd e b r i sp a r t i c l e s ，e t c ，a r em e a s u r e dt h r o u 曲 e x p e r i m e n t s ，d i m e n s i o nt h e o 拶w a se m p l o y e d t o g e t t h es p e c i f i c d i m e n s i o n l e s se q u a t i o n sb e 帆e e ns t e e lp a n i c l e sl o s sr a t ea n dp h y s i c a l p a r a m e t e r s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wm a tm a i nf a c t o r sa f - f e c t i n gs t e e l p 砒i c l el o s sr a t e a r ev i s c o s i t ya n dn o wv e l o c i t yo fd r i l l i n gf l u i d ，a n d m a s sr a t i ob e 似e e ns t e e lp a n i c l e sa n dr o c kd e b r i sp a n i c l e s ，a n dw h o s e i 1 1 c r e a s el e a dt ol a r g el o s er a t e f o rt h em a g n e t i cs e p a r a t i o np r o c e s s ，t h em i x t u r ec o n s i s t e dw i t h s t e e l p a n i c l e s a n dr o c kd e b r i sp a r t i c l e sg ot h r o u 曲t h em a g n e t i c s e p a r a t o r ，a n dt h es t e e lp 叭i c l e sa n d d e b r i sp 眦i c l e sa r es e p a r a t e da st h e d i f f e r e n c ei nm a g n e t i cp r o p e r 妙p a r a m e t e r si n c l u d i n gr o t a t es p e e d ， d i a m e t e ra n ds i z eo fm a g n e t i cr o l l e r ，m a g n e t i cf l u xd e n s i t yo fm a g n e t i c f i e l d ，m a s sr a t i oo fs t e e lp a r t i c l e sa n dr o c kd e b r i sp a r t i c l e s ，a d ds p e e d s o fs t e e lp a i t i c l e sa n dr o c kd e b r i sp a r t i c l e sa r er e c o r d e di ne x p e r i m e n t s ， a sw e l la sm es t e e lp a i t i c l el o s er a t e d i m e n s i o nt h e o 巧w a se m p l o y e dt o g e tt h es p e c i f i cd i m e n s i o ne q u a t i o nt 1 1 a tr e n e c t ss t e e lp a r t i c l el o s sm l e s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tm a i nf a c t o r sa f f e c t i n gt h es t e e lp a r t i c l e l o s sr a t ea r em a s sr a t i ob e t 、e w h o s ei n c r e a s ew o u l dl e a dt o c o m b i n i n ge q u a t i o n s a b s t r a c t s e p 踟a t i o np a na n dm a g l l e t i cs e p a r a t i o np a n ，t h el o s er a t ee q u a t i o no f s t e e lp a r t i c l e so fw h o l es e p a u r a t i o na n dr e c y c l i n gs y s t e mc o u l db eg o t t h ep r o b l e md i s c u s s e di nt h et h e s i si s f i r s t l ys t u d i e dn a t i o n a lw i l d c o r r e s p o n d i n gr e s u l t sc o u l db eh e l p 如lt 0g o v e mt h es u p p l e m e n ts p e e d o fs t e e lp 砌i c l e si np i d s y s t e m k e yw o r d s ： p 疵i c l ei m p a c td r i l l i n g ， v i b r a t i i l gs c r e e n ， s e p a r a t i o ne m c i e n c y ， m a g n e t i cs e p a r a t o r ， d i m e n s i o n a n a l y s i s ， l o s sr a t e v 北京化工人学硕i ：学位论文 目录 - 一一。_ 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景及问题的提出1 1 1 1 粒子冲击钻井技术诞生背景1 1 1 2 粒子冲击钻井技术简述2 1 1 3 粒子冲击钻井中粒子回收分离系统工作原理3 1 1 4 国内外粒子冲击钻井技术研究现状5 1 1 5 本课题的提出9 1 2 钻井液中的粒子分离方法及设备的研究成果1 0 1 2 1 粒子冲击钻井系统中的钻井液固相控制技术1 0 1 2 2 粒子冲击钻井系统分离部分中的设备1 l 1 3 本课题的目的和意义l3 1 4 本课题研究的主要内容1 4 第二章粒子冲击钻井中钻井液的分析1 7 2 1 决定钻井液配方的因素1 7 2 1 1 钻井液的特性1 8 2 1 2 钻井液类型及选择18 2 2 钻井液携带粒子能力的计算1 9 2 3 试验用钻井液的配方确定2 0 2 4 本章小结2 6 第三章试验台的设计搭建和试验方案的确定2 7 3 1 试验目的2 7 3 2 试验方案的确定2 7 3 2 1 粒子与岩屑比例的确定2 7 3 2 2 岩屑和粒子粒径的确定2 8 3 2 3 试验流程2 9 3 3 试验台的建立和相关设备的确定和选型。3 l 3 3 1 振动筛种类、规格和振动模式的确定3 l 3 3 2 磁选机种类、磁选能力和规格的确定3 4 3 4 渣浆泵的选择3 6 3 5 本章小结3 7 第四章振动筛筛分过程中粒子损失率量纲分析数学模型的建立及 v i i 北京化丁人学硕f j 学位论文 试验分析3 9 c o n t e n t s ( ：o n t e n t s c h a p t e r 1h t r o d u c t i o n 。1 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n da n dm ei s s u e sr a i s e d 1 1 1 1d e v e l o p m e n to fd r i l l i n gt e c i l o l o g ) ，a n db a c k g r o u n do fp i dt e c l l l l o l o g y 1 1 1 2i n 仃o d u c t i o no fs e p a r a t i o ns y s t e mo fp i dt e c h n o l o g 2 1 1 3w o m n gp r o c e s so fp l dt e c h n o l o g y 3 1 1 4c u r e ms i t l l a t i o no f p i dt e c l m o l o g yr e s e a r c h e sa l lo f t h e 、0 r l d 5 1 1 5i h s e m a t i o no f t h ei s s u e 9 1 2r e s e a r c hr e s u l t o fm e m o da i l de q u i p m e n ti ns e p a r a t i n gp a no fp i dt e c l l i l o l o g ) r10 1 2 1t e c i m o l o g yo fs o l i dc o n t r o l 1o 1 2 2e q u i p n l e n t si ns e p a r a t i n gp a r to fp i d 11 1 3p u r p o s ea n dm e a i l i n go ft h em e s i s 13 1 4m a i l lc o n t e mo fm es n l i i v 一1 4 c h a p t e r 2 p r e h m i n a r ya n a i y s i so fd r i u i n gn u i di np i d 。1 7 2 1d e t e n n i n a n to f d r i l l i n gn u i dc o m p o s i t i o n 1 7 2 1 1c h a r a c t e r so f d r i l l i n gf l u i d 1 8 2 1 2s e l e c t i n gt y p eo fd r i l l i n gf l u i d l8 2 2a m l y s i so f t a k i n ga b i l i t yo f d r i l l i n gn u i d 1 9 2 3c o m p o n e t so fd r i u i n gn u i di ne x p e r i m e n t s 2 2 2 4s u m m a r y 2 6 c h a p t e r 3d 鹤i g n i n gt e s t - b e da n dd e t e m i n a t i o nt e s 戗n gp r 0 9 1 a m 2 7 3 1t e s to b i e c t i v e 2 7 3 2d e t e h 】【l i i l a t i o nt e s t i n gp r o 舀锄n 2 7 3 2 1d e t e m l i n a t i o nt l l er a t i oo fs t e e lp a n i c l e sa i l dr o c kd e b r i sp a n i c l e s 2 7 3 2 2d e t e m l i n a t i o nt l l ed i 锄e t e ro fs t e e lp a r t i c l e sa n dr o c kd e b r i sp a n i c l e s 2 8 3 2 3t e s t i n gp r o g r 撇2 9 3 3s e t u po ft e s t b e da n dc h o s eo fe q u i p m e n t s 31 3 3 1c h o s eo f v i b r a t i n gs c r e e n 3 1 3 3 2c ：h o s eo f m a m e t i cs e p a r a t o r 3 4 3 4c h o s eo fs l u n yp u m p 3 6 3 5s u m m a r i i ，3 7 c h a p t e r4m a t h e m a 恤a lm o d e lb a 跪d o nd i m e n s i o n a la n a 妙s i sa n d m e c h a n i s mo fs t e e lp a n i c l 鹤i o 鼹i n “b m t i n gs c n e n i n g p r e s s 一3 9 i x 北京化- t 人学硕【j 学位论文 4 1i n t r o d u c t i o no fd i m e n s i o n a la n a l y s i s 3 9 4 2d i m e n s i o n a la n a l y s i so fs t e e lp a r t i c l e sl o s sm e c h a n i s m 4 0 4 3r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n s 4l 4 3 1v i s c o s i wa n ds t a t i cs h e a rs t r e s so f d r i u i n gf l u i d 4 l 4 3 2d e n s i t yo fd r i n i n gn u i d 4 3 4 3 3a n a l v s i so f d a t as h e e ta n dc h a n 4 4 4 4s u n 】m a r y ) ) c h a p t e r5m a t h e m a t i c a lm o d e lb a s e d o nd i m e n s i o n a la n a l y s i sa n d m e c h a n i s mo fs t e e lp a r 6 c l 鹤l o 鹃i nm a g n e t i cs e p a 豫t o rp r e 鼹”5 7 5 1e x p e r i m e n t a lp r o c e s s 5 7 5 2d i m e n s i o n a la n a l y s i so fs t e e lp a n i c l e sl o s sm e c h a m s m 5 8 5 3r e s u l t sa n dd i s c u s s i o i l s 5 9 5 4s 1 u n m a r y 6 5 c h a p t e r6c 蚰c l u s i o n sa n dp r o s p e c t s 一一一一一一”一n 一一一”一6 7 6 1c o n c l u s i o n s 6 7 6 2p r o s p e c t s 6 8 r e f i e r e n c e s 。一。一。6 9 a c k n o w l e d g e m e n t s 。一一。一一一一一一7 3 p u b u c a t i o n s i 。一。一。7 5 a 加u ta u t h o ra n d t l l t o i 。一。一。7 7 x 符号说明 符号说明 受静切力的面积，m 2 钻井的截面积，m 2 粒子单位时间的损失质量，k g 粒子的质量流速，k g s 岩屑的质量流速，k 幽 振动筛的振幅，m 磁选机磁感应强度，t 钻井液粘性系数 振动筛网格边长，m 振动筛直径，m 磁选机磁辊直径，m 粒子的直径，m 岩屑的平均直径，m 粒子直径，m 振动筛的振动频率，h z 粒子的浮力，f 粒子的阻力，f 粒子的沉降力，f 粒子的上升力，f 粒子的重力，f 重力加速度常数，1 1 1 s 2 粘稠系数 岩石吸水的饱水系数 粒子的质量，娃 岩石粒子吸水后的质量，k g 岩石粒子的质量，k g 实际透筛概率 理论透筛概率 钻井液的流量，m 3 s 彳 彳 口 商应6 彦 o d 历新迈幽厂历乃届尼g 置 后 弧巩易只p 北京化- t 大学颀i j 学化论文 雷诺数 粒子体积，m 3 磁选机磁辊转速，r a d s 钻井的钻进速度，i n s 钻井液中粒子的速度，州s 粒子的体积，m 3 岩石粒子的体积，m 3 管路中钻井液的流速，i “s 钻井液与粒子的最大速度矢量差，州s 钻井液的切应变率，1 钻井液的粘度，箩1 被筛物料层厚度对透筛概率的影响 被筛物料颗粒形状对透筛概率的影响系数 被筛物料水分含泥量对透筛概率的影响系数 钻井液粘度，m p a 粒子的密度，k 咖3 岩屑的密度，k 咖3 钻井液的密度，k 咖3 粒子密度，k 咖3 粒子的堆积密度 岩石密度，k m 3 钻井液密度，k m 3 钻井液的静切力，p a 钻井液的切应力，p a 钻井液屈服应力，p a 流性指数 钢 船矿 p 埯 确 ， 7 肋 胗加 矽刃力 脚胁腭雁矿 r 珞蜂 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及问题的提出 石油资源是世界经济的命脉，近十年来的石油价格整体上处于持续上升的 形式，从截止至2 0 1 1 年4 月的最近一年原油价格走势( 如图1 1 ) 可以看出。 石油资源随着全球经济的蓬勃发展正日趋走高，并且未有回落趋势。随着石油 的需求量日益增加，如何开采更多的石油资源成为一个全世界强烈关注的问题。 随着改革开放的日益发展，我国的经济格局由自给自足的内销为主的面向 本国经济格局，逐渐转变成被誉为“世界加工厂”的内外并重的面向全球的经济 格局，到2 0 世纪9 0 年代末期2 1 世纪初期的时候，我国的石油产业由能够完全 自给并且可以适量出口转变为现如今的需要依靠大量进口才能满足我国对于石 油资源的需求【1 1 。 石油同时是各个国家极度重视的军事战略资源，而我国作为独立自主的军 事强国更应该做到有重组的战略石油贮备，以应对瞬息万变的国际政治和军事 形势【2 】。因此，我国的石油工业也需要各种各样的先进技术来保障我国在政治、 经济、军事、交通、文化等各个领域的稳定发展。 由于石油具有一次能源的开发和利用都相对直接方便的特点，因此石油如 今正在被人们大量的开采并利用【2 1 。但是石油同时属于非可再生资源，其形成 时间距今2 0 0 万年以上，由中生代和古生代被埋藏在地下的动物或植物中的有 机质在高温高压的环境下形成，多数埋藏在距地表较远地层深处。因此，石油 资源的开发和利用也存在一定的难度。目前世界上石油工作者都在极力探索新 的石油储层以及发展高效的采油技术。 1 1 1 粒子冲击钻井技术诞生背景 受各国石油公司竭力发现新储层迫切性的驱使，国外深井、超深井数量与 日俱增，近几年来，国内深井、超深井的数量也逐年增加【3 l 。深井、超深井施 工难度主要是缺乏邻井资料、不可预见因素太多、地层压力多变、高温高压、 井身结构复杂、需钻穿异常复杂的地质构造和地层、钻机负荷和钻具载荷增大， 因此作业投资大、风险高，往往造成复杂与事故频发，导致施工周期延长、成 本超支严重，甚至出现井眼报废【4 】。 北京化t 人学硕j j 学位论文 图1 1 近一年以来的原油价格走势 f i g 1 - lc r u d eo i lp r i c ei nl a s ty e a r 对较深储层的开采经常遇到的问题是，在钻井过程中坚硬地层下的钻挖工 作所占得比例更大，而坚硬地层下的石油开采是钻井技术的难点。在坚硬地层 中的钻井会带来一系列的问题，如钻头使用寿命短、作业的成本高和周期长， 以及井斜等【5 6 7 1 。传统的钻井技术已经越来越体现出钻速过低、易出现钻具事 故等局限性和不足之处，钻井作业在发展过程中遇到的种种问题都迫切需要引 进更加新型的钻井技术来克服【8 9 lo 】。粒子冲击钻井技术( p a n i c l ei m p a c td r i l l i n g ， p i d ) 正是为了实现上述目标而设计的一种新型的钻井技术，该技术通过高速 金属粒子冲击岩石，可以有效缩短钻井周期，从而特别适用于坚硬地层的钻井。 1 1 2 粒子冲击钻井技术简述 过去钻井用于破碎高硬度岩石的方法是采用特殊制备的坚硬钻头的方法， 这种钻头主是金刚石钻头。金刚石钻头自身是没有运动部件的，它靠天然或人 造金刚石进行切削工作【l l 】。这些钻头虽然都能进行硬质岩层的钻井，但是具有 很大的局限性。最显著的一点就是它们钻井效率很低而且磨损很快，这就意味 着要经常更换钻头。但是，更换钻头是一件非常占用时间的工作，尤其对于深 井或者超深井这项工作足以导致每u 井的钻井周期延长一个多月。 美国的c u r l e t th b 、s h a 印d p 和g r e g o 巧m a 等人受到射弹冲击破岩思想 的启发，采用钻井液的水力作为驱动力，用高速硬质球型钢粒子( 以下简称“粒 子”) 模拟射弹来破碎坚硬的岩石，提出了粒子冲击钻井技术的新概念，并于2 0 0 2 2 第一章绪论 年和2 0 0 3 年分别申请了相同内容的美国专利【1 2 】。粒子冲击钻井技术是一项先进 的石油钻探技术。粒予冲击钻井系统是一个可移动的系统，可方便地从传统的 钻井系统中连入或拆除。该系统并不用于钻整 j 井的钻挖工作，而是专门针对 于坚硬难钻且费时耗资大的岩层【9 1 。实践表明，常规钻井需要2 4 小时才能完成 的任务，粒予冲击钻井技术只需短短8 小时就能完成，所用时间是常规钻井的 1 3 【9 】。粒子钻井技术的应用是一种更加经济的钻井方式。此项技术缩短了操作 时间，节省了人力、燃料、租金、钻井时间以及其它各种各样的钻井消耗。美 国粒子冲击钻井技术公司( p a n i c l ed r i l l i n gt e c h n o l o g yi n c ，p d t i ) 在2 0 0 6 年11 月3 0 日的第二次商业性试验中，其钻速达到常规钻井速度的3 5 倍以上，证明粒 子冲击钻井技术在高效钻进硬地层方面有着巨大的潜力【9 】。 粒子冲击钻井系统按功能划分可分为三大组成部分：粒子冲击钻井钻头、 粒子注入系统和粒子分离回收处理系统【1 3 l 。不同于传统的钻井技术，该系统并 非依赖施加在钻头上的重量和扭矩进行机械破岩。该粒子钻井系统依赖于高硬 度粒子高速冲击并击碎岩层，高压水射流使岩层上的岩石碎屑剥落。在粒子冲 击钻井系统中，粒子在钻井液经过了钻机泵之后再加入其中，从而不会影响钻 机泵的正常工作。粒子冲击系统将小颗粒在钻头中特别设计的喷嘴中加速，使 它们以大于每分钟4 百万次的粒度冲击硬质岩层，从而达到高效钻进的作用【1 3 】 钻头示意图如图1 2 所示。 粒子冲击钻井的粒子注入系统和粒子分离回收处理系统( 见图1 3 ) 的全 部动力由一台的大功率发电机提供( 电机功率为3 7 5k w ) ，粒子冲击钻井系统 的地面部分设备由p l c 系统完成自动控制。粒子冲击钻井系统的占地面积为 1 2 8 0m 1 2 8 0m ，粒子冲击钻井系统的安装完全不影响钻井系统的正常工作。 美国的c u r l e t th b 、s h 唧d p 和骶g o 巧m a 等人设计的粒子回收系统的外观 见图1 3 、1 4 【1 3 】 1 1 3 粒子冲击钻井中粒子回收分离系统工作原理 粒子回收分离系统的主要作用是回收钻井液中含有的金属粒子，并且使金 属粒子能够循环使用，达到节约成本的目的。粒子冲击钻井利用粒子对岩屑的 高速冲击，实现对岩层的破碎和钻挖过程。破碎的岩屑和金属粒子一同被钻井 液带回到井上，这些混合粒子先通过振动筛。振动筛分离后所产生的较大粒径 的颗粒直接被丢弃；较小粒径的颗粒随之钻井液一起流入常规钻井系统原有的 固液分离系统中进行分离；剩余的金属粒子和与金属粒子粒径相近的岩屑将通 过磁选机进行分离【1 4 l 。 北京化丁人学硕 ：学位论文 s y s t e m 图1 4 粒子注入系统与回收系统 f i g 1 4m o d e io fp a n i c l ei n j e c t i o ns y s t e m & p a r t i c l ep t o c e s ss y s t e ms y s t e m s 在粒子冲击钻井的回收系统中，回收系统的工作效率受到振动筛的筛分效 率和磁选机的磁选效率两个因素的影响。振动筛的筛分效率主要由振动筛振幅、 筛网尺寸、振动频率等因素来决定；而磁选机的磁选效率由磁选机的磁辊直径、 磁辊宽度、磁辊数量、磁辊转速和磁感应强度等因素决定。 1 1 4 国内外粒子冲击钻井技术研究现状 国外对于粒子冲击钻井的研究主要是由这项技术的发明者美国粒子冲击钻 井技术公司( p d t i ) 完成的。该公司在2 0 0 7 年4 月2 日在美国德克萨斯州东部进 行了一次针对粒子冲击钻井系统的试验，此次试验所选取地点的岩层是整个北 美地区最为坚硬耐磨的岩层之一。试验中使用0 2 1 6l 啪的p i d 钻头对试验的地 层进行钻挖。在试验中钻挖的总体深度为1 0 4 5m 。试验中粒子冲击钻井系统的 工作时间为1 2h ，粒子冲击钻井钻挖的深度为6 4 6m 。与之形成对比的是使用 常规钻井工艺在本次试验之前的井段钻挖速度为1 2n 汕；在试验之后的井段钻 速为2 6 砒。与之形成鲜明对比的是粒子冲击钻井系统的平均钻挖速度为5 4 m m 。 我国对于石油的需求逐年增多而随着我国浅层油气资源的不断枯竭，势必 会向钻深井硬地层发展，由于粒予冲击钻井技术在钻进坚硬岩层的优越表现， 北京化工人学硕f ：学位论文 e u 链 趱 韪 职 石油 子冲 第一章绪论 粒子的冲击速度，粒子粒径和入射角度进行了分析( 如图1 5 所示) ，并得出了上 述参数的合理的范围：粒子入射角度范围为0 3 0 。( 图1 5 ( c ) ) ，粒子直径范围为 3 5m m ( 图l 一5 ( b ) ) 。 图l 石粒子处理系统的工艺流程图 1 粒子冲击钻井系统中的粒子注入系统 2 粒子冲击钻井系统中的粒子分离系统 3 粒子冲击钻井系统中的粒子储存系统 f i g 1 6p r o c e s sn o wd i a g r a mo fp a r t i c l ep r o c e s ss y s t e m 1 p a n i c l ei n j e c t i o ns y s t e mi np i d 2 p a r t i c l es e p a 蕾a t i o ns y s t e mi np l d 3 p a n i c l es t o r es y s t e mi np i d 7 北京化工人学硕i j 学位论文 2 0 0 9 年至今北京化工大学机电工程学院与中石化胜利石油管理局钻井工 艺研究所合作对粒子冲击钻井技术的可行性进行了系统研究。本课题组主要进 行了以下几个方面的研究： 图1 7 高压粒子泥浆阀结构 1 液压缸；2 阀侧法兰；3 弹弹簧座；4 密封弹簧；5 填料箱； 6 压盖螺母套；7 手轮；8 小销钉；9 手动阀杆；1 0 阀座； 1 1 阀板；1 2 阀体 f i g 1 - 7s t n j c t u i i eo ft h em u dv a l v ef o rh i 曲p r e s s u i em u dw i t hp a r t i c l e s 1 c y l i n d e r ；2 v a l v es i d en 绷g e ；3 s 州n gs e a t ；4 s e a ls 埘n g ；5 咖塌n gb o x ； 6 g i a n dn u ts l e e v e ；7 h a n dw h e e l ；8 p i n ；9 肌锄u a is t e m ； 10 v a l v es e a t ；1 1 v a l v ep l a t e ；l2 v a l v eb o d y ( 1 ) 分析并设计了粒子冲击钻井系统中的粒子注入系统和粒子处理系统，其 8 第一章绪论 中的粒子分离和处理系统的