（机械电子工程专业论文）粒子冲击钻井中粒子流动特性的数值模拟及相关试验研究.pdf

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 1 0 0 1 0 2 0 1 2 0 6 9 6 密级公开 学位授予单位代 码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名马振中学号 2 0 0 9 0 0 0 6 9 6 获学位专业名称机械电子工程获学位专业代码 0 8 0 2 0 2 北京化工大学与中石钻井工程中流体仿真 课题来源 研究方向 化合作项目及钻杆摩擦磨损 论文题目粒子冲击钻井中粒子流动特性的数值模拟及相关试验研究 粒子冲击钻井 环空间隙 冲蚀磨损 f l u e n t 临界流速 量纲 关键词 分析 论文答辩日期 2 0 1 2 5 2 6 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流体机械 评阗人1张有忱教授北京化工大学机械设计 评阅人2赵惠清副教授北京化工大学化工过程机械 答辩委员会主席 周俊波教授北京化工大学化工过程机械 答辩委员1王奎升教授 北京化工大学化工过程机械 中国石油长城钻 答辩委员2陈香凯高工石油钻井 井公司 答辩委员3颜廷俊教授 北京化工大学石油装备与检测技术 答辩委员4赵惠清副教授北京化工大学 化工过程机械 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和年份及学号的后四位组成 摘要 粒子冲击钻井中粒子流动特性的数值模拟及相关试验研究 摘要 粒子冲击钻井技术作为专门针对深井硬质地层钻探的新型钻井技术 由于其自身的优点 近些年的研究发展非常迅速 在粒子冲击钻井技术中 球形钢质粒子 以下简称 粒子 能否随钻井液从井筒底部成功上返及 上返的相关规律是决定该技术可行性的重要因素 同时钻井液携带粒子流 动过程中粒子对钻杆冲蚀磨损程度是否会直接影响该系统的使用寿命也 是值得研究的问题 本文首先通过模拟和试验研究了粒子在环空中上返相 关规律问题 并借助量纲分析理论建立数学模型 描述了环空间隙和流体 临界上返速度之间的关系 然后利用试验研究了粒子对钻杆的磨损情况 本文研究主要采用模拟和试验两个方法 模拟采用的是f l u e n t 软 件 试验所用试验台为自主设计搭建 针对粒子环空返流问题 利用软件模拟了清水和四种不同黏度的泥浆 携带粒子分别在不同环形空间上返 根据模拟的粒子体积分数图和速度矢 量图确定出环空中流体临界上返速度 并结合量纲分析方法推导出环空间 隙和粒子粒径比 以下简称 间隙粒径比 与粒子雷诺数 间隙粒径比 与粒子弗劳德数 环空间隙与临界上返速度三个经验公式 由公式可知 随着间隙粒径比逐渐增大 粒子雷诺数和粒子弗劳德数渐渐减小 而且随 着环空间隙逐渐增大 临界上返速度逐渐减小 试验研究了粒子环空返流和粒子对钻杆冲蚀磨损两个问题 在粒子环 空返流试验中 通过观察测出清水携带粒子分别在不同环形空间成功上返 时清水的i 临界上返流量 并结合量纲分析方法推导出间隙粒径比与粒子雷 诺数 间隙粒径比与粒子弗劳德数 环空间隙与临界上返速度三个经验公 式 由公式可知 随着间隙粒径比逐渐增大 粒子雷诺数和粒子弗劳德数 渐渐减小 而且随着环空间隙逐渐增大 临界上返速度逐渐减小 并且通 过与模拟结果的分析对比 进而用试验验证了模拟 在钻杆磨损试验中 利用电子秤称出粒子对三种不同形状钻杆冲蚀相同时间三种钻杆的质量 变化 并求出钻杆单位长度磨损量 由磨损量结果得知 三种钻杆单位长 度磨损量随着冲蚀时间的增加而逐渐增大 但是三种钻杆粒子对其的磨损 量都很小 可忽略不计 关键词 粒子冲击钻井 环空间隙 冲蚀磨损 f l u e n t 临界流速 量 纲分析 北京化工大学硕士学位论文 塑苎 坠塑 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o no fp a r i c l e sf l o w i n gp r o p e r t y i n p a r t i c l ei m p a c td i u l l i n gs y s t e m a b s t r a ct p a r t i c l ei m p a c td r i l l i n gt e c h n o l o g y p i d i san e wd r i l l i n g t e c h n o l o g y w h i c hi s d e s i g n e de s p e c i a l l yt os o l v et h eo i la n dg a se x p l o r a t i o no fh a r d t e r r a n e i nr e c e n ty e a r s d u et oi t sa d v a n t a g e s p i dh a sb e e n d e v e l o p i n gr a p i d l y i np i dt e c h n o l o g y i ti sa ni m p o r t a n tf a c t o rt oa d j u s ta p p r o p r i a t ed r i l l i n gf l u i d f l o wr a t ef o rs t e e l p a r t i c l e sr e f l u x a n de r o s i v ew e a ro nt h ed r i l l p i p eb y p a r t i c l e sh a sad i r e c ti m p a c to nt h el i f eo ft h es y s t e m b a s e do ns i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t s t h i sp a p e rs t u d i e d p a r t i c l e s r e f l u xi na n n u l a r g a p a n d m a t h e m a t i c a lm o d e li sb u i l tt oa n a l y s i st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na n n u l a rg a p a n dd r i l l i n gf l u i df l o wr a t ee 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 h e nt h i s p a p e rs t u d i e de r o s i v ew e a ro nt h ed r i l l p i p et h r o u g he x p e r i m e n t t h em e t h o d so ft h i s p a p e rw e r em a i n l ys i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t s i m u l a t e ds o f t w a r eu s e df l u e n t a n das e to fe x p e r i m e n t a la p p a r a t u sw a s d e s i g n e di n d e p e n d e n t l y t h ep r o b l e m w h i c hi sf l u i dc a r r y i n gp a r t i c l e st of l o wi na n n u l a rg a p w a s 北京化工大学硕士学位论文 s i m u l a t e db yf l u e n t f l u i dm e d i u m sa r ew a t e ra n dm u d t h e r ea r ef o u r v i s c o s i t yo ft h es l u r r y a c c o r d i n gt o v o l u m ef r a c t i o na n dv e l o c i t yv e c t o ro f p a r t i c l e s c r i t i c a l f l u i dv e l o c i t yv a l u e sc a nb eo b t a i n e di na n n u l a rg a p s i m u l a t i o nd a t ah a sb e e na n a l y s e du s i n gd i m e n s i o n a lt h e o r y i ns p e c i a l c o n d i t i o n s t h er e l a t i o n a le x p r e s s i o nb e t w e e nt h er a t i oo fa n n u l a rg a pa n d p a r t i c l ed i a m e t e ra n dp a r t i c l er e y n o l d sn u m b e rw a so b t a i n e d t h er e l a t i o n a l e x p r e s s i o nb e t w e e nt h er a t i oo fa n n u l a rg a pa n dp a r t i c l ed i a m e t e ra n dp a r t i c l e f r o u d en u m b e rw a so b t a i n e d a n dt h er e l a t i o n a le x p r e s s i o nb e t w e e nt h eg a p s a n dc r i t i c a lf l u i dv e l o c i t yw a so b t a i n e d t h es i m u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tw i t h t h ei n c r e a s i n gr a t i oo fa n n u l a rg a pa n dp a r t i c l ed i a m e t e gp a r t i c l er e y n o l d s n u m b e ra n df r o u d en u m b e rg r a d u a l l yd e c r e a s e a n dw i t ht h ei n c r e a s i n g a n n u l a rg a pt h ec r i t i c a lf l o wr a t ea l s og r a d u a l l yd e c r e a s e s t h et w op r o b l e m s w h i c ha r ep a r t i c l e sr e f l u xi na n n u l a rg a pa n de r o s i v e w e a ro nt h ed r i l l p i p eb yp a r t i c l e s a r es t u d i e du s i n ge x p e r i m e n t a lm e t h o d s i n p a r t i c l e sr e f l u x w a t e rc r i t i c a l f l o wc a nb eo b t a i n e dr e l y i n go no b s e r v a t i o n w h e nw a t e rw a sc a r r i e dp a r t i c l e si na n n u l a rg a p e x p e r i m e n t a ld a t ah a sb e e n a n a l y s e du s i n gd i m e n s i o n a lt h e o r y t h r e ee m p i r i c a lf o r m u l aw e r eo b t a i n e di n s p e c i a lc o n d i t i o n s a n dt h e y r e f l e c t e dt h e i n f l u e n c ea m o n ga n n u l a r g a p p a r t i c l ed i a m e t e r p a r t i c l er e y n o l d s n u m b e ra n d f r o u d en u m b e r t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tw i t ht h ei n c r e a s i n gr a t i oo fa n n u l a rg a pa n d p a r t i c l ed i a m e t e r p a r t i c l er e y n o l d sn u m b e ra n df r o u d en u m b e rg r a d u a l l y d e c r e a s e a n dw i t ht h ei n c r e a s i n g a n n u l a r g a pt h ec r i t i c a l f l o wr a t ea l s o i v a b s t r a c t g r a d u a l l yd e c r e a s e s a tt h es a m et i m e t h es i m u l a t i o nr e s u l t sc a nb ev e r i f i e d b ye x p e r i m e n t i ne r o s i v ew e a re x p e r i m e n t t h eq u a l i t yo fd r i l l p i p ew h i c hh a v e t h r e es h a p e sc a nb ew e i g h e db ye l e c t r o n i cs c a l e s a n da m o u n to fw e a ro f d r i l l p i p ep e rl e n g t hc a nb ec a l c u l a t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tw i t h i n c r e a s i n ge r o s i o nt i m ea m o u n to fw e a ro fd r i l l p i p ep e rl e n g t hg r a d u a l l y i n c r e a s e s b u tt h ea m o u n to ft h e mi sv e r ys m a l la n dn e g l i g i b l e i ti so fg r e a t s i g n i f i c a n c et os t u d yt h es u b j e c tt ot h ed e v e l o p m e n to fp a r t i c l ei m p a c td r i l l i n g t e c h n o l o g y k e y w o r d s p a r t i c l ei m p a c td r i l l i n g a n n u l a rg a p e r o s i o nw e a r f l u e n t c r i t i c a lv e l o c i t y d i m e n s i o n a la n a l y s i s v 北京化工大学硕士学位论文 v l 目录 目录 第一章绪论 1 1 1 课题的研究背景及提出 1 1 1 1 钻井技术的发展现状 1 1 1 2 国内外粒子冲击钻井技术的研究现状 3 1 1 3 课题的提出 6 1 2 计算流体力学概述 6 1 2 1 计算流体力学发展现状 6 1 2 2f l u e n t 软件简述 7 1 3 磨损的概述 一8 1 3 1 磨损的发展现状 8 1 3 2 冲蚀磨料磨损的相关理论 9 1 4 课题的研究意义和内容 1 0 1 4 1 课题的研究意义 1 0 1 4 2 课题的研究内容 1 1 第二章粒子环空返流数值模拟 13 2 1 粒子环空返流理论分析 13 2 1 1 粒子环空返流理论模型 1 4 2 1 2 环空间距和粒子直径对携带速度的影响 1 6 2 2 粒子环空返流模拟 17 2 2 1 模型建立及网格划分 17 2 2 2 计算模型选择和边界条件确定 1 8 2 2 3 数值模拟结果 18 2 3 粒子环空返流量纲分析 2 2 2 3 1 钻井液携带粒子由钻杆到达井底量纲分析 2 2 2 3 2 钻井液携带粒子由井底返回地面量纲分析 2 3 2 3 3 模拟结果分析 2 6 2 4 本章小结 2 8 第三章粒子环空返流的试验研究 2 9 v i i 北京化工大学硕士学位论文 3 1 试验方案及试验台的搭建 2 9 3 1 1 试验选购主要设备 2 9 3 1 2 试验设计加工主要部件 3 1 3 1 3 搭建的试验台 3 3 3 2 试验工作方式及步骤 3 3 3 2 1 试验工作方式 3 3 3 2 2 试验步骤 3 4 3 3 试验结果分析 3 5 3 3 1 试验所得结果 3 5 3 3 2 试验结果研究分析 3 5 3 4 试验与模拟结果对比分析 3 8 3 5 本章小结 3 9 第四章粒子对钻杆磨损的试验研究 4 l 4 1 粒子对钻杆磨损理论分析 4 1 4 1 1 粒子对钻杆磨损的影响因素 4 l 4 1 2 粒子对钻杆磨损机理分析 4 2 4 2 磨损试验方案及试验台搭建 4 3 4 2 1 磨损试验方案设计 4 4 4 2 2 磨损试验台搭建 4 5 4 3 磨损试验工作方式及步骤 4 8 4 3 1 试验工作方式 4 8 4 3 2 试验步骤 4 8 4 4 试验结果分析 5 0 4 5 本章小结 5 2 第五章结论与展望 5 5 5 1 结论 5 5 5 2 展望 5 6 参考文献 5 7 致谢 5 9 研究成果及发表的学术论文 61 v l i t 目录 作者和导师简介 6 3 i x 北京化工大学硕士学位论文 x c o n t c n t s c o n t e n t s c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n da n dt h ei s s u e sr a i s e d 1 1 1 1c u r r e n ts i t u a t i o no f d r i l l i n gt e c h n o l o g yd e v e l o p e d 1 1 1 2c u r r e n ts i t u a t i o no f p dt e c h n o l o g yr e s e a r c h e si nt h ew h o l ew o r l d 3 1 1 3p r e s e n t a t i o no f t h ei s s u e 6 1 2i n t r o d u c t i o no f c f d 6 1 2 1c u r r e n ts i t u a t i o no f c f d d e v e l o p e d 6 1 2 2c o m p e n d i u mo f f l u e n ts o f t w a r e 7 1 3i n t r o d u c t i o no f w e a r 8 1 3 1c u r r e n ts i t u a t i o no f w e a rd e v e l o p e d 8 1 3 2c o r r e l a t i o nt h e o r yo f e r o s i o nw e a r 9 1 4m a i nc o n t e n ta n dm e a n i n go f t h et h e s i s 1 0 1 4 1m e a n i n go f t h et h e s i s 1 0 1 4 2m a i nc o n t e n to f t h es t u d y 1l c h a p t e r2n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fp a r t i c l e sr e f l u xi na n n u l a rg a p 1 3 2 1t h e o r ya n a l y s i so f p a r t i c l e sr e f l u xi na n n u l a rg a p 1 3 2 1 1t h e o r ym o d e lo f p a r t i c l e sr e f l u xi na n n u l a rg a p 1 4 2 1 2i n f l u e n c eo f a n n u l a rg a pa n dp a r t i c l ed i a m e t e r 1 6 2 2s i m u l a t i o no f p a r t i c l e sr e f l u xi na n n u l a rg a p 1 2 2 1m o d e l i n ga n dm e s h i n g i 2 2 2s e l e c t i n gc o m p u t a t i o n a lm o d e la n ds e t t i n gt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s 1 g 2 2 3s i m u l a t i o nr e s u l t s 18 2 3d i m e n s i o n a la n a l y s i so f p a r t i c l e sr e f l u xi na n n u l a rg a p 2 2 2 3 1d i m e n s i o n a la n a l y s i so f p a r t i c l e sf r o md r i u p i p et ot h eb o t t o mo f w e l l b o r e 2 2 2 3 2d i m e n s i o n a la n a l y s i so f p a r t i c l e sf r o mt h eb o t t o mo f w e u b o r et og r o u n d 2 3 2 3 3a n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t s r 2 6 2 4s u m m a r y 一 2 8 c h a p t e r 3e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fp a r t i c l e sr e f l u xi na n n u l a rg a p 2 9 3 1e x p e r i m e n t a lp r o g r a ma n db u i l d i n ge x p e r i m e n t a lb e n c h 2 9 一 j 塞些三奎堂堡主堂垡笙苎 一 p 一 一 3 1 1p u r c h a s i n gm a j o re x p e r i m e n t a le q u i p m e n t 2 9 3 1 2d e s i g n i n ga n dp r o c e s s i n gm a i ne x p e r i m e n t a lc o m p o n e n t s 3 1 3 1 3b u i l d i n ge x p e r i m e n t a lb e n c h 3 3 3 2p r i n c i p l e sa n dp r o c e d u r e so fe x p e r i m e n t 3 3 3 2 1e x p e r i m e n t a lp r i n c i p l e s 3 3 3 2 2e x p e r i m e n t a lp r o c e d u r e s 3 4 3 3a n a l y s i so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s 3 5 3 3 1e x p e r i m e n t a ld a t a 3 5 3 3 2a n a l y s i so f e x p e r i m e n t a lr e s u l t s 3 5 3 4c o n t r a s to fe x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s 3 8 3 5s u m m a r y 3 9 c h a p t e r4e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fe r o s i v ew e a ro nt h ed r i l l p i p eb y p a r t i c l e s 4 1 4 1t h e o r e t i c a la n a l y s i so f e r o s i v ew e a ro nt h ed r i l l p i p eb yp a r t i c l e s 4 1 4 1 1i n f l u e n c i n gf a c t o r so f e r o s i v ew e a r o nt h ed r i l l p i p e b y p a r t i c l e s 4 i 4 1 2m e c h a n i s ma n a l y s i so fe r o s i v ew e a ro nt h ed r i l l p i p eb yp a n i c l e s 4 2 4 2e x p e r i m e n t a lp r o g r a ma n db u i l d i n ge x p e r i m e n t a lb e n c h 4 3 4 2 1e x p e r i m e n t a lp r o g r a m 4 4 4 2 2b u i l d i n ge x p e r i m e n t a lb e n c h 4 5 4 3p r i n c i p l e sa n dp r o c e d u r e so fe x p e r i m e n t 4 8 4 3 1e x p e r i m e n t a lp r i n c i p l e s 4 8 4 3 2e x p e r i m e n t a lp r o c e d u r e s 4 8 4 4a n a l y s i so f e x p e r i m e n t a lr e s u l t s 5 0 4 5s u m m a r y 5 2 c h a p t e r5c o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t s 5 5 5 ic o n c l u s i o n s 5 5 5 2p r o s p e c t s 5 6 r e f e r e n c e s 5 7 a c k n o w l e d g e m e n t s 5 9 p u b l i c a t i o n s 6 1 x i i c o n t e n t s a b o u ta u t j 瞳o ra n dt u t o r 6 3 x l i i 原书空白页 不缺内容 一一 笪量望堕 一一 一一一 符号说明 流体密度 k g m 弓 流体速度矢量 m s 散度 湍动能 m s 2 耗散率 单位质量流体体积力矢量 n 压强 m p a 流体动力黏度 p a s 湍流黏度 p a s 相体积分率 相物理密度 k g m 3 相间质量传递 k g 颗粒i 的质量 埏 颗粒i 的运动速度 m s 1 固体颗粒速度 m s 1 固体颗粒密度 k g m 3 固体颗粒直径 m 形状系数 与实际颗粒具有相同体积的球形颗粒表面积 1 t i 实际颗粒的表面积 m 2 钻杆内径 r a i n 钻杆外径 n 如 井筒内径 r n n l 湍流强度 流体入口初始速度 m s 1 环空间隙 m m 环空中流体临界上返速度 m s 1 钻杆出口到井筒底间距离 m m 特征高度 i l n l 钻井液密度 k g m p v v 七 g 厂p 以吼风 撇 耽 u 风以矽 s l 2 3 d 帕 i s协眈功 v 酣 应胪 m 北京化工大学硕士学位论文 钻井液粘性系数 重力加速度 m s 2 粒子密度 k g m o 粒子直径 彻n 雷诺数 弗劳德数 粒子体积分数 钻井液临界上返流速 m s 1 粒子雷诺数 粒子弗劳德数 螺旋推进器转速 r a d m 1 螺旋推进器每转一圈粒子推出的质量 k g 清水体积流量 m 3 h 冲蚀率 冲蚀角 o 磨损率 粒子速度 m s 粒子质量 埏 粒子与靶材问的弹性流动压力 m p a m g 见j 恐丹 9 y 胎乃 靠如q n 么矿u m p 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及提出 第一章绪论 随着我国工业化进程进一步深入 石油资源的需求量逐年增大 目前我国所产原 油已经不能满足本国的需求 近些年来 虽然主要集中于我国中东部地区的浅层油气 资源不断枯竭 但是在我国的西北地区分布着丰富的深层油气资源 勘探开发深地层 石油对于解决我国当前石油需求具有重要意义 但是与浅层油气相比深层油气的钻探 十分困难 目前深井 超深井钻探面临的主要问题是地质条件错综复杂 深部地层高 温高压 钻井速度慢 套管磨损问题突出 山前高陡构造和地层坚硬 井壁失稳以及 井漏井塌缩径的预防和处理 因此 研究深层油气资源新的钻井方法势在必行 1 1 1 钻井技术的发展现状 现代钻井技术发展了一个多世纪 现在发展比较成熟的钻井技术主要有水平井 大位移井 欠平衡井 小井眼井和深井超深井钻井技术等 下面主要介绍了几种常用 的钻井技术 1 水平井钻井技术 水平井钻井技术是世界上研究相对较早的一种钻井技术 最早是由前苏联提出 的 并且在2 0 世纪中叶就钻成了4 3 口井 是目前研究最成熟 应用最普遍的钻井技 术 水平井钻井的造斜工具有无磁钻铤 弯螺杆 加重钻杆和弯接头 测量仪器有电 子多点测量仪 有线随钻测量仪和无线随钻测量仪 水平井施工技术包括水平井剖面 设计和水平井轨迹控制技术 水平井钻井液技术包括钻井液的润滑性 抑制性及携砂 性 l j 水平井钻井技术主要应用于多个有一定斜度或陡峭的油层 其优点是能够钻穿 多个油层 提高油井单井产量 进而提高油气采收率 其难点是井眼净化困难 井壁 稳定性差 容易造成卡钻事故 2 大位移井钻井技术 大位移井钻井技术是2 0 世纪9 0 年代发展起来的一种比较成熟的钻井技术 其代 表公司是挪威国家石油公司 s t a t o i l 2 3 1 大位移井具有水平位移大和钻穿油层的井段 长等特点 主要用于开发近海油气田 大位移井钻井技术难点主要包括 井身的剖面 设计原则 钻柱设计 有效降低钻柱的扭矩和摩阻以及钻井液技术 2 3 欠平衡钻井技术 欠平衡钻井技术是2 0 世纪9 0 年代初兴起的新的钻井技术 是通过地面控制使井 底压力低于地层压力 并利用压力差使地层流体由井眼到达地面的一种钻井方式 l 欠平衡钻井主要分为气体钻井 气液两相钻井和液体钻井三类 它具有减少储层 北京化工大学硕士学位论文 损害程度 防止井漏卡钻 提高机械钻速及延长钻头使用寿命等优点 不过欠平衡钻 井仅仅适于地层压力比较清楚和岩性比较稳定的情况 而且钻井投入费用较高且易造 成事故 4 j 4 小井眼钻井技术 小井眼井是指为了降低钻井成本 全井9 0 以上井段井径小于西1 7 7 8 r a m 比常规 井径小的井眼 小井眼钻井技术是从2 0 世纪4 0 年代开始应用的 到了1 9 6 1 年国外 已经有1 3 1 家公司钻小井眼井3 2 0 0 口 平均井深1 3 9 0 m 表1 1 和表1 2 分别是国外 小井眼钻井的技术水平和最新研究进展 国内小井眼钻井技术已经应用在大部分油 田 其井筒结构相对简单 钻头一般为小尺寸的p d c t s d 及金刚石钻头 5 j 表1 1 国外小井眼钻井技术水平 t a b 1 1s l i mh o l ed r i l l i n gt e c h n o l o g yl e v e la b r o a d 表1 2 国外小井眼开发和研究最新进展与应用情况 t a b 1 2t h el a t e s td e v e l o p m e n ta n dt h ea p p l i c a t i o no f s l i mh o l ed r i l l i n gt e c h n o l o g y 目前研究的小井眼钻井系统有三种基本形式 旋转钻进小井眼钻井系统 井下马 达小井眼钻井系统和连续油管钻井系统 这几种形式的小井眼钻井系统主要优点是节 省钻井成本 降低处理费用和有利于保护环境 其不足是容易造成钻柱和工具接头失 效 井涌监测困难及钻速降低等问题 第一章绪论 5 深井 超深井钻井技术 深井 超深井钻井技术是为勘探开发深部地层油气资源而发展起来的 已成为了 衡量一个国家钻井技术水平高低的标志 1 9 3 8 年 美国钻成了世界上第一口井深为 4 5 7 3 m 的深井 成为了第一个掌握深井钻井技术的国家 深井 超深井钻井技术发展 了半个多世纪 目前能够钻探深井超深井的国家有8 0 多个 美国代表了深井超深井 钻井技术的最高水平 深井 超深井钻井技术主要难点是地质构造复杂 高温高压 深层岩石可钻性差 探井地质环境因素不确定性和缺乏配套钻井技术 而我国深井超深井钻井技术主要面 临的问题是复杂地层井眼失稳严重 钻具事故较多 高陡构造井斜严重 坚硬地层机 械钻速低和井口机械化自动化整体水平低 6 0 1 1 2 国内外粒子冲击钻井技术的研究现状 粒子冲击钻井技术 p i d p a n i c l ei m p a c td r i l l i n g 是近几年新发展起来的专门为 了解决利用常规钻井方法钻探深井硬质地层时所面临的问题而研究一种新的钻井技 术 最早研究该技术的是美国的c u r l e t thb s h a r pdp 和g r e g o r yma 等人 且于 2 0 0 2 年和2 0 0 3 年申请了美国专利 7 2 0 0 5 年位于美国休斯敦的p a r t i c l ed r i l l i n gt e c h n o l o g yi n c 公司开始启动了粒子冲 击钻井技术的科学研究 整个研究过程经历了两个阶段 室内试验阶段和现场试验阶 段 在室内试验阶段 该公司利用自己设计的两种新型p i d 专用钻头进行全尺寸模拟 井下工况试验1 1 次 初步研究了粒子冲击钻井钻硬岩石的效果 从2 0 0 6 年开始该公 司先后进行了5 次现场试验 通过现场试验可知 粒子冲击钻井大大提高了能量利用 率 是常规钻井速度的3 4 倍 同时也遇到许多亟待解决的问题 如地面设备泵 阀 门和管线的使用寿命直接影响粒子冲击钻井寿命 引 该公司现场试验时的部分设备如 图1 1 1 4 所示 近些年 国内一些学者在国外研究基础上对该项技术也进行了研究 西南石油大 学几位学者通过对国外粒子冲击钻井技术研究调研 了解了粒子冲击钻井的破岩机 理 分析了粒子冲击钻井与常规钻井相比所具有的一些优点和面临的问题 引 并利用 冲击动力学有限元分析软件对粒子冲击钻井破岩仿真 得出一些关于粒子冲击钻井的 工艺参数 粒子直径适用范围和粒子入射角度等 9 不过这些仅仅限于理论和设计的 层面上 而在2 0 0 8 年 2 0 0 9 年间北京化工大学首次对粒子冲击钻井系统进行研发 把 粒子冲击钻井系统按照功能划分成粒子冲击钻井钻头 粒子注入系统和粒子回收处理 系统三部分 并对每一部分工作方式 关键部件结构和整体工艺流程做了深入设计说 明 逐步形成了一套有关粒子冲击钻井的理论体系 1 0 如图1 5 所示 北京化工大学硕士学位论文 图1 1 粒子注入设备 f i g 1 1p a r t i c l e si n j e c t i o ne q u i p m e n t 图1 3 粒子回收处理系统 f i g 1 3p a r t i c l ep r o c e s ss y s t e m 图1 2 泥浆泵 f i g 1 2m u dp u m p 图1 4p i d 专州钻头 f i g 1 4p i dj e td r i l l 1 宅 d i 井泵 2 一泥浆池 3 一泥浆池的流入管 4 一粒子泥浆开关阀 5 一泥浆阀 6 一注入仓室加 4 麟一 第一章绪论 压管路 7 一注入泥浆管路 8 一螺旋推进器 9 一下仓室 1 0 一液压站 1 l 一泥浆阀 1 2 一液控粒 子泥浆阀i 1 3 一上仓室 1 4 一注入塔 1 5 一排压阀 1 6 一液控粒子泥浆阀i i 1 7 一粒子注入料 斗 1 8 一串联盘式输送机 1 9 一输出管 2 0 一串联盘式输送机的填料斗 2 1 一粒子处理进入管 2 2 搅拌车 2 3 一吹风管 2 4 一排出管 2 5 一装料口 2 6 一多点装卸料埋刮板输送机 2 7 一装料 口 2 8 一粒子导入槽 2 9 一输出管 3 0 一吹风机 3 1 一周转箱 3 2 一脱磁机 3 3 一磁选机 3 4 一 振动筛 3 5 一振动筛流出管 3 6 一振动筛流入管 3 7 一粒子泥浆开关阀 3 8 一原振动筛流入管 3 9 一粒子泥浆开关阀 4 0 一井底返回泥浆去向控制阀 4 l 一原振动筛 4 2 一高架管 4 3 鹅颈管 4 4 一水龙头 4 5 一方钻杆 4 6 一转盘 4 7 一套管 4 8 一钻杆 4 9 一钻铤 5 0 一钻头 5 1 一地层 5 2 一存储箱 图1 5 粒子冲击钻井系统装置结构示意图 1 一d r i l l i n g p u m p 2 一m u d p o o l 3 一i n n o w t u b e o f m u d p o o l 4 p a r t i c l e m u d v a l v e 5 一m u d v a l v e 6 p r e s s u r i z e dp i p i n gi ni n j e c t e ds t o r e h o u s e 7 一s l l l r 巧p i p e l i n e 8 p r o p e l l e r 9 一l o w e rs t o r e h o u s e 10 h y d r a u l i cs t a t i o n 1 1 一s l u n yv a l v e 12 h y d r a u l i cc o n t r o lp a r t i c l em u dv a l v ei 1 3 u p p e r s t o r e h o u s e 1 4 i n j e c t e dt o w e r 1 5 r e l i e f v a l v e 1 6 h y d r a u l i cc o n t r o lp a r t i c l em u d v a l v ei i 1 7 一 h o p p e ri n j e c t e db yp a r t i c l e s 1 8 c o n v e y o r 1 9 o u t p u tp i p e l i n e 2 0 f i l l e dh o p p e ro f c o n v e y o r 2 1 i n l e to fd e a l i n gw i t hp a r t i c l e s 2 2 m i x e r 2 3 b l o w p i p e 2 4 d i s c h a r g e dp i p e l i n e 2 5 l o a d i n g i m p o r t 2 6 c o n v e y o r 2 7 l o a d i n gi m p o r t 2 8 g r o o v eu s i n gt oi m p o r tp a r t i c l e s 2 9 一o u t p u tp i p e l i n e 3 0 b l o w e r 31 t u r n o v e rb o x 3 2 d e m a g n e t i z e dm a c h i n e 3 3 m a g n e t i cs e p a r a t o r 3 4 s h a k e r 3 5 o u t l e to f s h a k e r 3 6 i n l e to f s h a k e r 3 7 p a r t i c l em u dv a l v e 3 8 i n l e to f s h a k e r 3 9 p a r t i c l e m u dv a l v e 4 0 c o n t r o lv a l v e 4 1 s h a k e r 4 2 e l e v a t e dp i p e l i n e 4 3 g o o s e n e c kp i p e 4 4 t a p 4 5 s q u a r ed r i l l p i p e 4 6 t u r