大庆油田粒子冲击钻井注入系统研究

谢从辉

(大庆钻探工程公司 钻井工程技术研究院，黑龙江 大庆 163413)



大庆油田粒子冲击钻井注入系统研究

谢从辉

(大庆钻探工程公司 钻井工程技术研究院，黑龙江 大庆 163413)

摘要：随着勘探开发的深入，传统钻井方式在深部硬地层以及复杂地质条件下存在钻速慢等难题。开展了粒子冲击钻井PID (Particle Impact Drilling)的技术研究，利用钻井液的水力能量实现金属粒子高速冲击地层，实现破岩，以提高深井和超深井的钻井速度。介绍了一套粒子注入系统，从密封方式及旋转结构阐述了该系统注入泵的设计，为粒子注入系统的完善提供了新思路。

关键词：粒子冲击钻井；注入泵；粒子注入

随着大庆油田勘探层位逐渐变深，岩层越来越硬，低效的破岩方式已成为限制潜在储层开发的重要因素。常规提速工具钻进时，由于其技术特性，需要施加一定的钻压，在连续的钻井过程中会出现诸多问题，如工具失效、钻头磨损、井斜、井身质量差等，不能完全满足现场的使用要求[1]。粒子冲击钻井(PID)是利用高压钻井液的水力能量，携带圆形坚硬的钢质粒子，通过井下专用钻头的喷嘴加速后，使粒子获得较高的频率和速度，从而以极大的能量冲击地层实现破岩的一项技术。该技术由于不需要提供钻压和转矩，就能有效提高钻头使用率，缓解钻具疲劳；在提高破岩效率的前提下，保证井眼质量，提高施工效率。国外试验表明，粒子钻井装置较传统钻井技术的钻进速度快3～5倍，可达到10m/h，大幅缩短了钻井周期，节约了钻井成本，减少了钻井消耗[2]。

粒子冲击钻井系统可作为常规钻井的一个附属部分，是一套复杂的设备，主要由注入系统、回收系统、控制系统组成，如图1所示。其中注入系统的主要作用是将粒子有序、均匀地注入到外部的钻井液中，实现冲击地层的目的[3]。

图1　PID系统组成

1结构及原理

注入系统的作用是利用钻井液的能量将粒子以一定比例均匀、连续地注入到高压钻井管汇中，经过钻井液携带到达井底的钻头。注入系统由注入泵、粒子注入罐、粒子周转罐、渣浆泵、传感器、液控阀门及相关管线组成[4]，如图2所示。

图2　注入系统组成

粒子注入系统通过上述部件的有机结合，保证整体施工的平稳高效，通过3个注入罐交替工作的方式，分别进行填充、充压和注入，完成注入程序。下面以1#注入罐为例进行原理说明。

首先通过粒子导入管线将粒子运输到粒子周转罐，然后打开溢流及填充液控阀门，通过渣浆泵将粒子填充到粒子注入罐，在填充粒子的过程中，罐中的钻井液通过溢流管线回流到周转罐中，待粒子填充完毕后，关闭溢流及填充液控阀门，开启压力平衡阀门，使钻井液进入到粒子注入罐中，进入充压阶段，待注入罐内压力与下部钻井液管线中的压力平衡时，开启注入液控阀，启动注入泵，将粒子均匀注入到钻井液管线中，完成粒子注入过程。

当1#粒子注入罐中进行粒子注入工艺时，2#粒子注入罐正在进行填充工艺，而3#粒子注入罐在进行充压工艺，以此类推，使3个粒子注入罐交替进行3个工艺，实现整体施工的连续性，保持现场粒子注入的稳定，满足钻井施工的要求。

2技术要求

1)连续性。在实际钻进施工中，注入系统需要连续进行粒子注入，以保持井下压力的稳定，防止由于压力波动造成井下复杂和事故，同时连续的粒子注入也有利于保持高效的钻进效率，充分发挥粒子冲击钻井的优势[5]。

2)稳定性。要实现粒子的连续注入，需要保证整个注入设备的稳定性，由于该系统复杂庞大，包含的部件众多，若某一个部件出现系统故障，会造成粒子注入中断，将严重影响井筒压力分布，易造成井涌、井喷等事故。

3)承压性。粒子注入系统与钻井液的压力相当，且为了达到粒子高速注入的目的，一般采用高泵压、大排量的方式，对整个注入系统的承压性提出了更高的要求。

3注入泵

注入泵是粒子注入系统的关键技术，其作用为在高压状态下，将含量90%的金属粒子及钻井液混合物泵送到外部的钻井液注入管线中，对其整体的耐冲蚀性及承压性要求极高[6]。注入泵采用螺旋输送的结构原理，如图3所示。注入泵分为密封部分及螺旋部分，左端连接电机，上部与粒子储罐连接，为粒子入口，右端与钻井液管线连接，为粒子排出口。工作时，利用电机带动密封轴进行旋转，同时带动螺旋部分旋转，从而将粒子通过螺旋结构运送到出口，汇入钻井液中[7]。

图3　注入泵结构

3.1密封部分

密封部分由密封环、轴承及密封轴组成，如图4所示。根据注入泵的运行状态可知，密封环的外部是静止状态，而内部是旋转状态，因此，密封部分的研究重点是动密封的选择和冷却系统的设计。

图4　密封部分示意

1)动密封选择。考虑到其密封的介质及所处的环境，优选了Kalsi密封类型，如图5。该密封件由美国生产，其主要原理是利用特殊的橡胶制成，不易损坏，需要借助足够的油压来平衡外界环境压力，以形成油膜，从而实现密封，可保证整个系统的稳定性，提高密封的效果。

图5　Kalsi密封结构

2)冷却系统。由于旋转轴处于高速运动状态，其内部的动密封需要具有良好的散热性，因此，为了保证动密封的性能，设计了油道，通过油料的流动进行冷却润滑，并使整个油压与外界粒子环境压力相当，如图6。

图6　冷却系统结构

3.2旋转部分

旋转部分结构如图7所示。为了便于安装和加工，保证整体结构的紧凑，主要采用如下技术进行设计。

1)缩短螺旋部分长度，加强叶片的抗冲蚀磨损性能。

2)连接部位采用花键结构，方便安装和拆卸，满足配合要求。

3)采用空心结构，减轻质量，便于传递转矩，防止由于偏坠影响密封性能。

a　三维

b　剖面

4结论

1)针对粒子冲击钻井的技术特点，设计了一套结构合理、功能完备的注入系统，满足粒子连续、稳定注入的要求。

2)从密封和旋转2方面对注入泵进行了设计，提高了设备的可靠性。

参考文献：

[1]徐依吉，赵红香，孙伟良.等.钢粒冲击岩石破岩效果数值分析[J].中国石油大学学报(自然科学版)，2009，33(5)：68-71.

[2]赵健，伍贤柱，韩烈祥，等.粒子钻井技术新进展与破岩数值模拟研究[J].钻采工艺，2013，36(1)：1-15.

[3]伍开松，古剑飞，况雨春，等.粒子冲击钻井技术述评[J].西南石油大学学报(自然科学版)，2008，30(2)：142-146.

[4]陈熹璆，张杨，温荣林.粒子冲击钻井系统研究初探[J].石油机械，2010，38(5)：8-10.

[5]RachNM.Particle-impactdrillingblastsawayhardrock[J].Oil&GasJournal，2007(2)：43-45.

[6]ThomasHardistry.ParticleDrillingPulverizesHardRock[J].AmericanOil&GasReporter，2007，50(7)：86-86.

[7]徐依吉，赵健，毛炳坤，等.冲击钻井粒子注入系统研究[J].石油钻采工艺，2012，34(1)：1-5.

ResearchforInjectionSystemofParticleImpactDrillingTechnologyinDaqingOilfield

XIEConghui

(Drilling Engineering Technology Research Institute，Daqing Drilling Engineering Corporation，Daqing 163413，China)

Abstract：As the exploration and development of the oilfield，the traditional drilling technology have some problems such as low ROP for deep-hard formations and complicated geological conditions，and so，the research for particle impact drilling technology has been done in Daqing oilfield，which get the metal particles of high velocity to impact the formation with the hydraulic energy of mud，realizing the rock breaking and to meet the overall effectiveness of the deep，ultra-deep formation for the ROP and the exploration.A particle injection system is described，focusing on the key technology，and the design of the particle injection pump from sealing pattern and rotating structure are presented in this paper，which can provide a new way for the particle injection system and has certain significance.

Keywords：PID；injection pump；particle injection

文章编号：1001-3482(2016)06-0081-03

收稿日期：2016-12-18

基金项目：国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”子课题“碳酸盐岩火成岩及酸性气藏高效安全钻完井技术”(2011ZX05021002)

作者简介：谢从辉(1983-)，男，工程师，现从事欠平衡钻井技术研究，E-mail：daqing5306@sina.cn。

中图分类号：TE926

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.018