米博体育米博体育钻井综合提速技术探析 程荣超 [crcdri@ 中国石油集团钻井工程技术研究院 二〇一六年三月 前 言 石油与天然气工业 （环境）中一项为增储上产 （最终目标）而开辟保持 从地表到地下目的层通道 （功能1 ）和采集所钻地层及井下信息 （功能2） 的入地工程 （性质） 高 难 度 四高 地层的不确 环境的隐蔽性、 工作费用的 高 风 险 可与上天工 定性 多变性 高额性 程相媲美 高 投 入 高 技 术 注：钻井工程投入约为石油工业总投入的40%左右，占勘探投入的70-90%，占开发投入的 30%-50% ；随着国内油气勘探开发向深层、深水和复杂地质条件转移，比例将进一步上升。 －2 － 前 言 －3 － 前 言 钻井提速的意义所在： ① 提高钻井效益 1.减少钻机资源的占用 提 ② 大幅度降低钻井成本 高 钻 ① 防止地层发生周期性坍塌 井 2.缩短井壁侵泡时间 ② 有效解决井壁失稳等复杂 速 度 ① 利于发现和保护油气层 3.减少侵泡油气层时间 ② 大幅度提高采收率  提高钻井速度是我国东部老油田稳产提效及加快西部深层复杂油气藏勘 探开发速度、安全钻井、提高单井油气产量、降低 “吨油”成本、提高钻探 效益的迫切需要，也是提升我国钻井工程技术服务核心竞争力的迫切需要。 －4 － 前 言 面对“深、低、海、非” 勘探开发新形势，在打成井 的基础上，如何用最高效经 济的方式打快井、打好井是 钻井工程面临的关键难题 。 深 低 海 非  超深  低/超低渗  深水  页岩气  超高温  长水平段  环境恶劣  致密气  超高压  技术集约化  装备密集化  煤层气  复杂地质条件  低成本  高投入高风险  技术集成化  超硬强研磨  钻完一体化  自动化程度高  钻完一体化 －5 － 前 言 钻井提速 钻井工程永恒的主题！  深层油气钻探日趋活跃，现 有提速技术拓展应用受限， 中石油每年6000米超深井数 深部硬地层面临“钻速慢、 周期长、成本高”的瓶颈， 亟需革命性的提速技术；  塔里木库车山前巨厚砾石层 、四川九龙山砂砾岩等强研 磨地层钻速极慢，亟需高效 破岩新技术。 －6 － 前 言 钻井提速是钻井技术水平的一个重要指标，世界钻井技术的发展历程在很大 程度上体现了钻井提速技术的发展过程。 国内钻井技术整体水平（仍以“买+学”为主，原始创新少） －7 － 前 言 钻井速度指标： 钻井进尺 机械钻速ROP = 最常用！ 纯钻时间 m/h 钻井进尺 纯钻时间 行程钻速 = = ROP × 纯钻时间+起下钻时间 纯钻时间+起下钻时间 m/h 钻井进尺 纯钻时间 钻机月速 = ×720 = ROP × ×720 钻井工作时间 钻井工作时间 m/台月 钻井工作时间 钻井工作时间 周期钻速 = 钻机月速× = 钻机月速× 建井时间 钻井工作时间+搬安时间 m/台月 －8 － 报 告 提 纲 一 影响钻速因素及提速途径 二 钻头优选与个性化设计 三 基于比能的钻井优化技术 四 提速新工具新方法 五 提速案例（库车山前） －9 － （一）影响钻速因素分析 可控因素（技术水平+人为因素）+不可控因素（地层条件） 如同“齿轮系统”，每个因素都会影响钻速，共计50多个因素，且复杂多变 • 地层压实程度（埋深、抬升） • 岩性（UCS、可钻性，研磨性等） 地层条件 • 地层倾角（造斜率） • 地层非均质性 • 地应力（压力系统） • 复杂特殊地层（盐、煤、断层等） • …… • 组织管理 影响钻 • 现场操作 • 人员水平 人为因素 速因素 • …… • 钻机装备与配套工具 • 破岩方式与破岩工具 • 钻井（水力）参数优选 技术水平 • 钻井方式（不同循环介质） • 钻井液体系及性能 • 井身结构与钻具组合 • …… －10 － （二）提速途径探析 提速不是简单的提高ROP，其最终目的是缩短钻井周期，降低吨油成本！ ROP↑ ≠ 周期缩短 ≠ 成本降低 ROP↑前提：安全、经济（除非必需） －11 － （二）提速途径探析 • 直接提速常规技术 间接提速技术 –井身结构优化技术 • 减少事故与复杂,缩短钻井周期技术 –高效PDC钻头 • 压力预测技术 –优选参数钻井 • 非常规井身结构设计 –气体钻井/空气锤钻井技术 • NDS技术 –欠平衡钻井 • 电磁波MWD技术 –PDC+井下动力钻具复合钻井 –高压喷射钻井 • 井口连续循环系统 –优质钻井液技术 • 控压钻井技术 –旋冲钻井 • 新型钻具 • 直接提速新技术 • …… –超高压喷射钻井技术 –旋转导向和垂直钻井技术 最关键直接提速措施: –颗粒冲击钻井技术 生产组织与管理提速 –清洁钻井液技术 －12 － （二）提速途径探析 包括但不限亍以下十类直接提速方法 钻头优选与个性化 改变单一旋转破岩方 设计 式（水射流、PID） 最优化钻井 提升钻机装备能力 （钻井参数优选） 井下动力钻具提速 途 径 提高钻速的钻井液 （复合钻井等） 直接提速 井底降压提速 优化作业模式 （欠平衡/气体钻井） （批钻、工厂化作业） 减振降耗工具 基于大数据的钻井 （减阻降扭） 综合提速技术 －13 － （二）提速途径探析 1、钻头  “钻头不到，油气不冒”，钻头直接接触地层，是影响钻井破岩效率最直接、 最关键的因素  近年来，随着材料、加工及个性化设计能力的不断提高，钻头技术发展日新 月异，设计理念突破常规，新型钻头层出不穷，对于提升钻井破岩能力起着 至关重要的作用 国外钻头技术发展现状 破岩方式 现状及发展趋势 代表性技术  史密斯的Stinger，ONYX 360，Spear （页岩气水平井 一趟钻），KCR微芯等；  切削齿材质要求高  PDC逐步取代牙轮钻头  贝克休斯的Kymera （可定向）、IREV™孕镶钻头（多 接  设计更具针对性和个性化 层金刚石）、StayCool多维切削齿钻头等 触 钻头  功能更全，增强钻头耐磨性、  NOV的SpeedDrill （定向+同心扩眼）、Seeker S系列、 式 可导向性 Helios抗高温切削齿  地层适应性更强  Varel的Imax +孕镶金刚石钻头（双切削齿）  哈里伯顿的MegaForce™、Energy Balance钻头 －14 － （二）提速途径探析 1、钻头  超硬材料技术：广泛应用脱钴技术，大幅度提高了脱钴净度和脱钴深度。脱钴深 度已达到0.5毫米至0.6毫米。在不牺牲硬度和冲击强度的前提下，改善了PDC钻 头的抗研磨性。  钻头制造技术：采用粉末铺层等方法制备聚晶金刚石复合片材料，使硬质合金体 的硬度呈非均匀分布，形成硬度梯度，从而提高表面硬度，改善自锐性能。  3D打印技术：通过一次成型的制造工艺，显著增强钻头应对极端环境的能力。  齿形设计技术：多家公司创新推出了设计新颖、性能更优的切削齿。  锥形PDC切削齿，改变了PDC切削齿一直以来的平面结构，将其安装在钻头切削 面的中心，起定心作用，可增强钻头的稳定性，延长钻头使用寿命，同时提高机 械钻速；  可旋转的ONXYPDC切削齿，解决了PDC切削齿在一个方向磨损的问题，有效发 挥切削齿的潜能，延长了钻头的使用寿命；  波纹顶面复合片，则是通过特殊设计的波状轮廓金刚石顶面有效降低复合片表面 的摩擦力，减少切削过程中产生的热量，从而提高破岩的机械比能。 （二）提速途径探析 1、钻头  牙轮钻头耐温能力和寿命不断增强  贝克休斯先锋地热钻头，最高工作温度288℃  斯伦贝谢Kaldera钻头，160℃高温高硬岩下连 续工作77小时  PDC钻头对硬地层、复杂地层的适应性不断提高  ReedHycalog公司超硬热稳定PDC钻头  在抗压强度280MPa的砾岩地层成功应用，钻速 达到14.9m/h，提速118%  个性化钻头蓬勃发展  双级扩孔钻头：较PDC速度平均提高40%  牙轮&PDC复合钻头：扭转震荡减少50%  锥形切削齿：硬地层冲击强度10倍，寿命11倍  …… （二）提速途径探析 2、最优化钻井  国外已将优化钻井作为一项系统工程 ，涉及钻井各个环节 ，由后优化向科学化迈进  国内仍然用于基于最优钻速方程的钻井（水力）参数优化，差距较大 国际上优化钻井技术发展历程 －17 － （二）提速途径探析 2、最优化钻井  钻井（水力）参数：表征钻进过程中可控因素 （设备、工具、钻井液以及操作条件） 的重要性质的量，如钻头类型、钻井液性能参数、钻压、转速、泵压、排量、钻头喷 嘴直径、钻头水功率等。  钻井参数优选：指在一定的客观条件下，根据不同参数配合时各因素对钻进速度和钻 头寿命的影响规律，采用最优化方法，选择合理的钻进参数配合，使钻进过程达到最 优的技术和经济指标。 钻压（三个阶段） 转速（指数增大） 牙齿磨损（钻速下降） 水功率（清岩+破岩） 不同参数对钻速的影响规律 －18 － （二）提速途径探析 2、最优化钻井 钻井参数优选步骤：  确定标准→建立目标函数→在各种约束条件下寻求目标函数的极值点→满足极值点条件 的参数组合即为最优参数（钻头最优磨损量、最优钻压和最优钻速）。 C—单位进尺成本，元/米；Cb—钻头成本，元/只；Cr—钻机作业费，元/h ； 目标函数 tr—起下钻、接单根时间，h;t —钻头工作时间，h; H —钻头总进尺，m 钻头进尺H与钻压、转速、牙 齿磨损量等参数的关系 钻头寿命t与钻压、转速、磨 损量等参数的关系 最优参数组合：  理论上：采用迭代方法求解由目标函数、极值条件和约束条件组成的方程组，全局寻优  实际中：确定钻头磨损量→求在不同转速下的最优钻压→选取每米成本最低的钻压、转 速组合 －19 － （二）提速途径探析 2、最优化钻井 水力参数优选步骤：  主要任务：获得最大钻头水功率或最大射流冲击力。能否获得上述标准，取决于排量、 喷嘴直径和钻井泵的工作状态 （与缸套选择有关），因此，水力参数优化设计的主要 任务是确定钻井液排量，选择合适的钻头喷嘴直径和泵的缸套直径。  设计步骤：确定携岩要求的最小排量 → 计算循环压耗系数→ 选择缸套直径，确定额 定泵压、排量 、功率 → 最优排量和喷嘴直径计算（计算第一、第二临界井深，各井 段的最优排量和喷嘴直径）→ 各水力参数计算  射流的水力特性  钻头的水力特性  循环压耗的计算  地面泵的水力特性  水力参数的优化设计 －20 － （二）提速途径探析 3、井下动力钻具 复合钻井成为钻井提速的最常用方法之一，PDC+PDM复合钻井方式已经成为 深层提速的主体技术之一。 长寿命、抗高温、大扭矩螺杆  尺寸系列化 • 外径73mm ～ 287.5mm  等壁厚耐高温螺杆 • NOV的HEMIDRIL螺杆，采用等壁厚和动力筋技术， 耐200℃高温  长寿命螺杆 • Dyna-Drill公司F2000型螺杆，采用硬对硬PDC止推 轴承技术，工作寿命300h以上  低速大扭矩螺杆 • DRECO的TRGDRIL螺杆由单头螺杆与行星齿轮减速 器和支撑节组成，实现低速大扭矩，提速31%  空气螺杆和导向系统用螺杆快速发展  Anadrill地面可调弯壳体螺杆钻具寿命纪录达1000h －21 － （二）提速途径探析 3、井下动力钻具 涡轮钻具 利用钻井液涡流在叶片两面产生的压差转动转子，多级涡轮叠加，产生高转 速与转盘旋转复合运动，带动钻头高速旋转。减速涡轮是在轴承节和钻头之间配 置减速器，降低涡轮输出转速，增大钻头扭矩，提高钻头破岩能量。 涡轮主要包括轴承部分和动力部分 钻井液流经涡轮级的示意图 动力部分根据需要可以多级组装 －22 － （二）提速途径探析 3、井下动力钻具 优点：  高转速，动力强劲，配合孕镶PDC在遇耐磨地层可避免硬质合金或牙轮崩掉  没有橡胶件，存放时间不受限制，耐高温达在 200～300℃  工作寿命长，减小起下钻  钻具转速低、保护套管  稳定的工具面控制，光滑井眼，井眼质量高 缺点：  泥岩地层提速效果不好：克深209，钻速0.41m/h  对循环系统要求高：长期高泵压下工作  对固控系统要求严格：岩屑细，一级固控要求高 －23 － （二）提速途径探析 3、井下动力钻具 涡轮稳定性：与螺杆钻具对比 定向钻井－稳定的工具面控制能力 定向钻井－滑动钻进和复合钻进速度 可适用的最高循环井下温度：±270℃ －24 － （二）提速途径探析 3、井下动力钻具 涡轮钻具国内应用情况： －25 － （二）提速途径探析 4、辅助破岩工具 钻柱的振动被确定为限制机械钻速和进尺提高最为显著的因素之一 （深井占 比40%），将有效振动能量转化为破岩能量，减振降耗，提高钻头破岩比能，是破 岩工具的发展方向之一。 地层不均质性、钻头结构形状等因素引 起BHA运动不均匀性及钻头载荷不定常性， 导致钻柱的动载和振动。 钻具振动三种类型，轴向、横向及扭摆 振动，其表现特征为跳钻、涡动及粘滑。 代表性提速工具 • 扭力冲击器 • 钻柱减振增压提速工具 • 衡扭矩工具 • APS智能减振工具 （AVD） • AVDT深井钻井减振工具等 －26 － （二）提速途径探析 4、辅助破岩工具 扭力冲击器 扭力冲击发生器将泥浆的流体能量转换成扭向、高频（750-1500次/分）、均匀 稳定且足够的机械冲击能量并直接传递给专用PDC实现瞬间冲击破岩。 理想情况、实际工况、应用扭力冲击工具井底钻具受力状态对比 －27 － （二）提速途径探析 4、辅助破岩工具 优点：  消除粘滑、回转、钻头弹跳现象，减少反冲扭力和扭力振荡，井眼光滑；  纯机械构造，无橡胶元件，无电子元件，失效后不影响正常钻进；  高频扭冲力能够提高PDC剪切岩层效率，增大机械钻速；  延长钻头的寿命、减少起下钻次数，减少下部钻具组合及的疲劳。 扭力冲击工具钻 出的光滑井筒内 表面 常规方式PDC钻 出的起伏不平井 筒内表面 在加拿大阿尔伯达州、美国怀俄明州和德克萨斯州、元坝地区、青海油田、玉门 油田应用效果良好，提速显著。能够攻克玄武岩，适用于硬—极硬地层。 －28 － （二）提速途径探析 4、辅助破岩工具 塔里木油田集成螺杆与扭冲技术，形成了台盆区提速技术集成应用方案，实现 了哈拉哈塘区块近7000米超深井50天完钻。 3 口典型井应用情况 上部井段 下部井段 +U513M （大功率、长寿命螺杆） （扭力冲击器 ） 钻井 完井 井深 ROP 井号 周期 周期 m m/h （ ） （ ） d d 井段 进尺 ROP 井段 进尺 ROP （） （） m m m/h m m m/h （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） 1499.84- 5650- 新垦405 4060.2 13.74 1011 4.55 6785 55.08 59.33 10.69 5650 6661 1598- 5357.9- 新垦8003 3757.9 17.05 1316.1 5.21 6831 50.87 51.58 12.21 5357.9 6674 5487- 哈13-5 1519-5487 3968 23.55 1162 5.57 6832 48.98 49.67 15.18 6649 平均 3928.7 18.11 1163 5.11 6816 51.64 53.52 12.69 －29 － （二）提速途径探析 4、辅助破岩工具 减振增压提速工具 －30 － （二）提速途径探析 4、辅助破岩工具 横扭矩提速工具 通过储存和释放钻井作业中产生的异常扭矩，可实现对钻井扭矩波动实时调整（“消峰填 谷”），解决PDC钻头（扩眼器）在硬地层或耐磨地层的憋跳钻、粘滑问题。 工具初始状态 扭矩过大，工具收缩，钻压略降，消除扭矩“峰值” 常规钻井，“憋跳钻” 使用衡扭矩工具，钻进 严重，扭矩波动大 平稳，扭矩波动“消峰 扭矩过小，工具伸长，钻压略升，消除扭矩“谷值” 填谷” －31 － （二）提速途径探析 4、辅助破岩工具 同类技术对比： 项目 衡扭矩 减震器 扭转冲击器 液/气动锤 工作模式 优化钻压扭矩 减缓震动 旋转冲击 轴向冲击 作用方式 主动 被动 主动 主动 作用效果 ☆☆☆☆ ☆☆☆ ☆☆☆☆☆ ☆☆☆☆☆ 配套钻头 无要求 无要求 专用 专用 结构 简单皮实 简单皮实 复杂，冲击件易磨损 复杂，冲击件易磨损 钻井液介质 无特殊要求 无特殊要求 固控要求高 固控要求高 使用成本 低 低 高 高 适用钻头 PDC ○ ○ ○ ○ 扩眼器 ○ ○ X X 综合对比，衡扭矩钻井工具具有一定优势 －32 － （二）提速途径探析 5、井底降压提速技术 除地层岩石客观因素和机械破岩以及射流辅助破岩以外，提高钻井高效破岩 的一个方法是降低井底压差：降低岩石CCS  欠平衡/气体/控压钻井技术  井底降压提速工具 欠平衡钻井是指井 筒环空中循环介质的井 底压力低于地层孔隙压 力，允许地层流体有控 制地进入井筒并将其循 环到地面进行有效处理 的钻井技术。 不同压差钻头齿下压坑机理 注： (A)挤出，(B)二次压入，(C)挤出；(A`)压差阻止碎块挤出，(B`)、(C`)破裂面平移 －33 － （二）提速途径探析 5、井底降压提速技术 CPD 钻井液储层 气体非储层 欠平衡 欠平衡 雾化 AD UBD 泡沫 空气 旋转控制头 氮气 节流管汇 天然气钻井 单流阀 泥浆帽 钻井 充气钻井 窄密度窗口钻井液钻井 MPD －34 － （二）提速途径探析 5、井底降压提速技术 欠平衡钻井作业总体具有以下优势： 工艺的选择－取决于储层压力系数 －35 － （二）提速途径探析 5、井底降压提速技术 CNPC形成了适用不同油气藏类型和储层特征的欠平衡钻井技术系列 油气藏类型 储层特征 关键技术 典型区块  全过程欠平衡  低压、易漏失 碎屑岩  不压井装置  四川须家河  水敏性、易污染 油气藏  套管阀、冻胶阀  渤海湾歧口  常规钻井识别难  气体钻井  压力系数低  氮气欠平衡  松辽深层 火山岩  裂缝发育易漏失  水包油欠平衡  三塘湖 油气藏  极易污染、伤害不可逆  欠平衡水平井  准噶尔石炭系  水包油钻井液  裂缝发育易漏失、造成伤害  伤害不可逆  充气钻井液  辽河潜山 古潜山  物性变化大  油层专打  华北古潜山 油气藏  安全窗口窄、喷漏同层  控压钻井  塔里木碳酸岩  可能含H2S  井下液面监测仪 －36 － （二）提速途径探析 5、井底降压提速技术 气体钻井技术在川渝、松辽深层、塔里木、玉门、长庆、吐哈及山西煤层气 田取得显著成效，成为中国石油钻井提速的关键技术。  气体钻井成为川渝地区提速的主体技术，在龙岗、九龙山地区，气体钻井进尺 超全井总进尺一半，钻井周期大幅度缩短。  塔里木油田在大北、柯东等高含水地层成功应用8口井，提速和治漏效果显著， 平均机械钻速6.33m/h，较泥浆钻井大幅提高。  松辽盆地深层应用气体钻井技术，大幅缩短了钻井周期，进尺由最初的600m提 高到1000m，适用范围日益拓展。 须家河地层欠平衡提速效果 九龙山欠平衡提速效果 －37 － （二）提速途径探析 6、改变单一旋转破岩方式 改变单一的钻头破岩方式，借助流体脉冲、高压、粒子等，实现多种破岩方式集成 高压喷射钻井  业界证明高压喷射钻井技术能有效改善井底流场，减轻垫层，提高钻井液携屑 能力，是钻井提速的一个重要手段。  喷射钻井实践证明，泵压上升，机械钻速大幅度提高，成本下降。例如：14- 16MPa比10-12MPa机械钻速提高66%，成本下降61%。 －38 － （二）提速途径探析 6、改变单一旋转破岩方式 目前，高压喷射钻井技术主要包括地面增压 （地面全增压和地面部分增压） 和井下增压两种方式。 地面增压：  70年代初期，Maurer等人利用地面增压把 压力提高到68-105MPa，钻速提高2-3倍；  70年代末，美国瑞德公司，工作泵压69- 138MPa，钻速提高30%-50%。  1988年，Flowdfil公司和Grace钻井公司研 发的双管射流钻井辅助系统，地面增压达 到245MPa，钻速提高1.4-2.3倍。  目前国内地面泵最高达到40MPa。 该增压方式受设备限制无法实现长时高压而未获推广。 －39 － （二）提速途径探析 6、改变单一旋转破岩方式 井下增压：  1994年，美国能源部和Flowdfil公司研制了 井下超高压泵，将7%的钻井液增压到207MPa， 钻速提高45%-100%。  2001年， Maurer engineering Inc公司研 制了双流道连续管钻井系统，钻速提高1.3- Flowdfil公司井下泵 6.0倍。  1996年首次成功研制旁通式井下增压器，室 内试验工作时间超过100h，输出压力150MPa。  中国石油大学徐依吉设计的螺杆式井下增压 器，增压60-80MPa 近年来 ，国内相继研究了活塞式、离 心式、射流式等井下增压器。 双流道连续管钻井系统 －40 － （二）提速途径探析 6、改变单一旋转破岩方式 井下螺杆增压装置： 为实现105MPa高压射流，采用了井下局部增压的方式，研发了井下螺杆增压 装置，可将5%钻井液增压至105MPa以上，达到超高压射流辅助破岩、径向振动辅 助破岩、改善井底流场、提高钻头排屑能力的目的。 －41 － （二）提速途径探析 6、改变单一旋转破岩方式 与井下螺杆增压装置配套的双流道PDC钻头： 由于井下部分增压需求，研制了普通流道 和超高压流道相结合的双流道PDC钻头，与螺杆 增压装置配合通过地面试验，实现了将5%钻井 液增压至105MPa以上。 －42 － （二）提速途径探析 6、改变单一旋转破岩方式 射流提速工具 射流提速工具将连续流动的钻井液转换成具有一定 周期的脉冲流体，同时增压系统将部分钻井液增压至超 高压经专门流道在钻头水眼形成高速射流辅助破岩。 射 特点： 流 提 ①高压射流辅助破岩，提高破岩效率； 速 工 ②减轻或消除井底岩屑压持效应，避免重复破碎岩屑； 具 ③井底压力波动对待破碎层压差产生影响。 示 意 图 应用： 在吐哈、大庆和川东北等地区现场应用，平均提 高机械钻速25%以上，火成岩等坚硬地层的钻速可提高 约50%。适用于深井、超深井提速。 －43 － （二）提速途径探析 6、改变单一旋转破岩方式 旋冲工具 将动力总成提供的扭矩和转速，与液力锤总成提供的高频轴向冲击力有效结合 在一起，为钻头提供额外的冲击载荷。高频轴向冲击的每一个脉冲都可通过液力锤 总成的轴承套筒使整个BHA产生轴向的往复运动，降低钻具摩阻，减少井底托压。 －44 － （二）提速途径探析 6、改变单一旋转破岩方式 旋冲钻具配置： PDC 牙轮 －45 － （二）提速途径探析 6、改变单一旋转破岩方式 旋冲钻具泥浆性能要求： －46 － （二）提速途径探析 6、改变单一旋转破岩方式 频率可调脉冲提速工具  安装于钻头上部，将连续流动的钻井液转变成间断的脉冲流动，脉冲流动能使 岩屑翻转，提高井底的净化程度，减少由于“压持效应”引起的岩石重复切削。  最大优势是根据现场岩石性能通过机械参数的调整获得最优脉冲频率和脉冲幅 值，以最大化的利用钻井液水马力，适合用于较软、中硬的中上部地层。 NC560 开 关 630 －47 － （二）提速途径探析 6、改变单一旋转破岩方式 自激振荡式旋转冲击钻井工具 • 机械冲击振动：钻井液高速流经振荡器使 心轴产生低幅高频振动，通过八方杆传递 至钻头，产生机械振动 • 水力脉冲：钻井液高速流经振荡器所产生 的水力经八方杆内流道到达钻头，经钻头 水眼喷出，形成脉冲射流作用于井底 • 通过机械冲击振动和水力脉冲联合作用：  为钻头施加5-20KN的冲击振动，提高破岩效果  产生超过45-50Hz 的脉冲射流改善井底流场， 强化清洗效果  通过水力脉冲改善井底岩石的受力状况，降低 岩石破坏强度 冲击载荷 +强化井底净化 +改善岩石受力 －48 － （二）提速途径探析 6、改变单一旋转破岩方式 随钻液力冲击器 利用接在钻头上的随钻液力冲击器产生的冲击 力，实现边旋转边冲击的钻井过程。冲击器所产生 的冲击力（50～80KN）给钻头提供了额外的动钻压。  利用地面高压泵提供的钻井液能量来 工作，并把高压射流的能量转换为冲 击能量作用在钻头上。  依靠内部的喷嘴、阀套、活塞和冲锤 部件，在上下腔部位产生交变的高压 和低压，在压差作用下冲锤反复进行 向上举锤、向下冲击的动作。 －49 － （二）提速途径探析 6、改变单一旋转破岩方式 粒子冲击钻井（PID） 美国的Curlett H B、Sharp D P和Gregory M A等人，受到射弹冲击破岩思想 的启发，采用钻井泥浆的水力能量作为驱动力，用高速硬质球形钢粒子模拟射弹来 破碎坚硬的岩石，提出了粒子冲击钻井(Particle Impact Drilling，简称PID)技 术的新概念，并于2002年申请美国专利。 签署协议获得PID技术 专利，但未开展研究 2003-9-12 ProDrilAcquisition Company 2004-1-23 Particle Drilling Inc.接管ProDrilAcquisition Company 2004-7-13 Medxlink Corp. 参股Particle Drilling Inc. 正式开始科学 研究 2005-1-28 重组更名为Particle Drilling Technology Inc. (简称PDTI 公司) －50 － （二）提速途径探析 6、改变单一旋转破岩方式 技术原理与特点： • 通过钻头喷嘴给高密度的颗粒加速，利用颗粒 作为原始的切削机械，使水力能量能发挥更有 效的作用。 • 能够穿过常规钻头喷嘴尺寸的高硬度、高密度 球体被加速到很高的速度，当它们接触到岩石 表面时，能够破碎并逐出小块岩石。通过破碎 如此小体积的岩石能明显改进机械钻速。 • 由于施加的接触应力远高于坚硬岩石的强度， 通过微粒的猛烈撞击，难钻的岩石很容易被挖 出，每一次撞击压裂并分离小块的岩石。 －51 － （二）提速途径探析 6、改变单一旋转破岩方式 系统组成： • PID钻头 • 微粒加工与注射系统PIS • 微粒回收系统PPS 基本流程： 在不改变现有钻井设备和工艺的基础 上，将2%-5%粒径为1-3mm的钢质粒 子，通过注入系统注入到高压钻井液中， 再通过钻杆输送到井底PID钻头，粒子从 钻头喷嘴高速喷出冲击破碎井底岩石，实 现高效破岩。 －52 － （二）提速途径探析 7、提升钻机装备能力 研制成功系列深井钻机（70D–120D）及配套顶驱、大功率钻井泵、注水 泥泵和耐高压防喷器等配套设备，满足深井超深井钻井需求。 设备 国内 国外 钻深12000米，钩载9000KN，配5台 美国Rowan公司：钻深12000m，钩载9000KN，配5 钻机 CAT3512B柴油发电机组，4台X6000马 台CAT3512B柴油发电机组，2台X4800马力大功率 力大功率绞车 OEM绞车 泥浆泵 F-2200HL，3缸套泵，耐压52MPa 美国NOV：Hex240，6缸套泵，耐压52 MPa 美国NOV：TDX-1250，钩载12500KN； DQ90BSC，钩载9000KN，具备主 顶驱 Nabors：12500KN，具备摆动控制和主轴定 轴定位功能 位功能 防喷器 3.5MPa到140MPa，通径范围从4-1/16” 美国卡麦隆、海德里、歇福尔：最大耐压达到 到29-1/2”的系列 175MPa，全过程计算机模拟控制。 9000kN TDS 120D钻机 闸板防喷器 F-2200HL泥浆泵 （顶驱） －53 － （二）提速途径探析 7、提升钻机装备能力 6000马力绞车及盘式刹车装置 我国功率最大、压力最高的F-2200HL泥浆泵 9000kN承载能力的顶驱 －54 － （二）提速途径探析 7、提升钻机装备能力 四单根立柱超深井钻机研制与试验  针对塔里木山前地区钻井施工事故多发、周期长、 超深井钻机需求多等难题，创新研制了4单根立 柱ZJ90DB-S钻机，配备66m的超高井架，增加 小二层台，首次实现了 “4单根立柱钻井施工”。  与传统3单根立柱钻机相比，ZJ90DB-S钻机游动 系统行程更大，起下钻时高速运行区段更长，并 减少了上卸扣次数，能抵抗12级大风，增加了钻 具容量，减少了井下故障和复杂情况发生概率。  应用于塔里木库车山前大北305井和克深10井， 施工进度快于邻井，7500米左右深井可节省起 下钻时间约25天，经济效益显著。 －55 － （二）提速途径探析 8、提高钻速的钻井液技术 思路1 思路2 机理研究 机理研究 研究钻井液提高钻速的 研究通过降低井壁岩 作用机理，提出提高钻 提高钻速 石的水化坍塌压力来 速的处理剂分子结构和 的水基钻井液技术 降低钻井液密度而提 钻井液性能要求 高机械钻速的机理 方法与策略 方法与策略 研制能提高不同地层钻 通过强抑制、强封堵、 速的处理剂新材料，形 防润湿反转防塌钻井液 成针对不同地层能提高 来降低坍塌压力，形成 钻速的水基钻井液配套 降低密度提高钻速的钻 技术，并建立评价方法 井液技术 －56 － （二）提速途径探析 8、提高钻速的钻井液技术 （1）钻井液提高机械钻速的作用机理  改变润湿防止泥包的机理 以单分子层形式吸附在粘土表面，并以多分子层强定向吸附在钻头及BHA表面。从 而有利于减小钻头泥包及BHA面粘附，并有利于起下钻，减少阻卡。  钻井液提高破岩效率的机理 以较高的渗透速率和较大的渗透体积快速渗透到井底岩石微裂缝中，一方面通过水 楔作用使得微裂缝裂纹产生应力场，在裂纹尖端产生拉应力集中区，它使裂纹迅速扩展； 另一方面通过迅速增大井底岩石表面Zeta绝对电位，降低固体表面的显微硬度。从而达 到高效破岩的目的  降低钻井液环空摩阻机理

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