破岩钻井方法及高压水射流破岩机理研究_王瑞和

第31卷第5期2003年10月 石 油 钻 探 技 术PETROLEUM　DRILLING　TECHNIQUES Vol.31,No.5Oct.,2003

　　

收稿日期:2003-07-01作者简介:王瑞和(1957—),男,教授,博士生导师。联系电话:(0546)8394360

校庆专栏 破岩钻井方法及高压水射流破岩机理研究

王瑞和,倪红坚,周卫东(石油大学油气井工程学科,山东东营　257061)摘　要:简要分析回顾了破岩和钻井方法的发展,论述了激光钻井和高压水射流钻井的发展潜力,阐明了高压水射流钻井技术已具备工业应用的可行性。分析了高压水射流破岩机理研究中的关键问题及解决途径,介绍了利用数值模拟和试验相结合的方法研究高压水射流破岩机理所取得的一些突破性进展,提出了建立和完善高压水射流破岩理论体系、发展水射流钻井技术的研究方向。关键词:钻井;射流;岩石破碎;机理;数值模拟;模拟试验中图分类号:TE248 文献标识码:A

文章编号:1001-0890(2003)05-0007-04

随着人类社会进入21世纪,经济和社会的发展对油气资源的需求进一步增加,而油气生产却受到后备储量严重不足和开采难度不断增大的严峻挑战。油气钻井作为建立开采地下油气资源通道的唯一手段,一直在油气勘探、开发全过程中发挥着不可替代的重要作用。油气钻井技术的进步,推动了石油工业的发展,社会发展对油气的需求又促进了钻井新技术的产生。有利于发现和保护油气藏的欠平衡钻井技术和以MWD、LWD、SWD为核心的导向钻井技术等,就是为适应现代油气钻井面临的更深和更复杂的地质条件、复杂井眼轨迹和井身结构以及提高采收率的要求而产生并不断发展的。随着钻井深度的不断加大,传统破岩钻井方式中能量的有效利用率越来越低。随着井眼轨迹和井身结构的复杂程度不断增加,尤其在三维井眼大斜度井段钻井过程中,钻压的传递和施加非常困难,从而严重降低了传统钻井方法的破岩效率和机械钻速,导致油气钻井的质量、速度和效益下降。因此,研究新的破岩方法和机理,形成新的钻井技术,以提高钻井的效率和效益,已成为钻井工程领域面临的事关可持续发展的战略任务。1　破岩钻井方法的发展1.1　破岩机理和方式钻井过程中,只有及时破碎井底岩石才能使井眼不断延伸,最终形成开采地下油气藏的通道。不同的破岩机理和方式,具有不同的适用条件,也决定了钻井的方法和效率。目前破岩方式按岩石破碎的基本机理可分为热力破坏、熔融和汽化、化学溶解及机械破碎四种[1]。热力破坏是指快速作用于岩石表面的高热应力超过岩石强度时,岩石会发生热力剥落而破碎;当岩石被加热到足够高的温度时,则会被熔融或汽化,如火成岩熔化温度为1100～1600°C,石灰岩则在2600°C以上;化学溶解是采用能与岩石产生强烈化学反应的化学药剂溶解岩石,从而达到破碎消除岩石的目的;机械破碎是指通过冲击、剪切、磨蚀等机械方式进行岩石破碎。当岩石上机械作用产生了超过岩石强度的拉伸或剪切应力时,岩石就会产生塑性或脆性破碎。机械破碎是最典型、最常用的一种破碎形式,目前传统的钻井方式均采用该方法破岩。1.2　传统钻井方法的发展破岩钻井技术的发展经历了由简单到复杂、由原始到现代的过程。虽然破碎岩石的方法有多种,但要真正用于实际,必须具备安全、经济和可以实现的特点。最早真正意义上的破岩钻井技术起源于中国的盐井采掘,采用的是顿钻法。1041年,中国利用顿钻法在四川自贡市大安区钻成了世界上第一口超千米的盐井——海井,而西方直到1808年才开始使用顿钻法采盐。因此,该技术也被称为继造纸术、指南针、火药及印刷术之后的中国第五大发明[2]。

18世纪90年代初,美国得克萨斯州的水井钻井承包商首先利用了旋转钻井法打出了水井。1900年,石油钻井工作者借鉴旋转钻井法打水井的经验,首次将该方法应用于油井钻井[2]。由于旋转钻井法是通过

在钻头上施加一定的轴向压力(钻压),并利用转盘或井下动力钻具带动钻头旋转,使井底岩石在冲击、剪切及压碎等多种作用下发生破碎,破岩效率高,钻进速度快,不但能钻浅井,还可以钻深井,因此,从它问世以来,便得到了迅速的发展。到目前为止,旋转钻井法在油气钻井领域内占绝对的主导地位,世界范围内的绝大多数油气井都是采用该方法钻成的。1.3　破岩钻井新方法社会的进步,科学技术的发展,对石油、天然气等地下资源需求的不断增长,以及人类认识地球内部奥秘的迫切愿望,推动了钻井破岩技术的迅速发展。自20世纪60年代末开始,美国国家科学基金会发起了探寻高效破岩方法的庞大研究计划,研究了电子束、激光、水射流等25种破岩新方法。在中等强度的岩石上进行的切割实验,得出了高压水射流、激光、电子束、等离子体4种典型破岩方法所消耗的能量范围分别为:250～500、1000～2000、3000～6000、50000～100000J/cm2[1]。由此可以看出,最易于实现且效率高的方法当属高压水射流破岩法和激光破岩法。高压水射流破岩仍属于机械破碎,激光破岩则属于熔融和汽化方式。1.3.1　激光钻井20世纪70年代,在美国、法国和荷兰出现了激光钻井的研究文献和专利。但由于当时的激光技术限制,无法满足岩石破碎的高能量要求。1990年,美国天然气研究所(GRI)的研究中仍认为激光钻井难以实现,直到1999年,GRI完成的一项旨在彻底改变天然气井钻井和完井方法的研究中才肯定了激光钻井的可行性。试验结果表明,激光束可以137.2m/h(450ft/h)速度钻进砂页岩夹层,可使机械钻速达到目前转盘钻井的100倍以上,而且激光钻井形成的井眼井壁坚固、光滑,避免了井壁坍塌等复杂情况,甚至在钻井过程中不用下套管。虽然在针对实际钻井中遇到的各种岩石性质对激光钻井的影响规律以及破岩所需激光功率及控制等方面尚无完全定量的研究结果,但这一新的钻井方法的潜在优势已逐渐显现[3]。甚至有不少专家预言,不久的将来,激光钻井技术的实现,可能会使钻井技术产生类似于旋转钻井取代顿钻钻井那样的根本性变革。1.3.2　高压水射流钻井水射流技术最早应用于采矿业。早期利用水射流冲洗矿石中的泥土,借助水力运送并筛选矿石和直接用水射流冲刷煤层。由冲刷到破碎岩石实际上是水射流技术的一个质的飞跃。20世纪30年代开始采用压力10MPa以下的水射流冲采中硬以下的煤层,50年代俄罗斯采用压力105～210MPa的纯水射流在花岗岩地层进行了钻井试验,钻速达到了10m/h。60年代,海湾石油公司采用压力56～102MPa的磨料射流进行了硬岩钻进试验,结果表明磨料射流的钻速是常规钻进方法的2～3倍。70年代,壳牌以及埃克森石油公司分别进行了压力在70～105MPa范围内的射流辅助PDC钻头破岩的钻井试验,钻速比常规钻井方法提高了3倍左右。90年代,美国Flowdril公司采用柱塞式井底增压技术在井底将1/10的钻井液增压到200MPa左右进行了辅助钻头破岩钻进试验,钻速提高了1.5～2.5倍[4]。这些结果均表明,射流钻井技术

具有巨大潜力,但由于系统配套及运行成本等问题,使得该技术至今未能得到推广应用。美国Bechtel投资公司和Petrophysics有限公司,于20世纪80年代开展了高压水射流钻径向水平井的新技术研究[5],利用高压水射流破岩方法在直井的产层部位钻出多个辐射状水平井眼,以提高薄油层、低渗油层和气锥、水锥油层的开发效果,进一步提高油气采收率。该钻井技术不需要钻柱和钻头的旋转,不需要给钻头施加用以破岩的“钻压”,采用水射流全面破碎井底岩石,形成井眼,从而彻底解决了常规水平井钻井技术所遇到的钻压施加困难及钻柱旋转带来的一系列复杂问题,提高了钻井速度,减少了井下复杂事故的发生。同时该技术能在0.3m的井段内完成水平转向,定向准确,直接进入产层,简化了井眼轨迹控制过程。90年代初,石油大学全面启动了“径向水平钻井技术”研究计划,通过对高压射流结构特性、破岩规律、井下钻柱运动及变形过程等基础研究[6-10],结合大量的工程试验,基本解决了高压水射流钻进中的射流破岩、转向器系统和参数控制等核心技术。1997年,该技术在辽河油田锦45-04-19井首次井下试验即获成功,钻出了长15.86m、直径120～140mm的水平井眼,钻速达9～12m/h。该井产量提高了7倍以上,获得了良好的经济效益,填补了我国在该领域的技术空白[11]。到目前为止,该技术已经进行了近10次的井下

试验,大都取得了良好的试验效果。

2　高压水射流破岩机理研究高压水射流破岩是高压水射流技术应用的一个重要方面。高压水射流钻井技术的出现,促使水射流理论及水射流破岩理论的进一步发展和完善。加强对高压水射流破岩机理的研究,深刻认识和揭示其破岩机理和过程对促进高压水射流破岩钻井技术的发展具有

·8·石 油 钻 探 技 术 2003年10月极其重要的理论和应用价值。虽然在过去的几十年中,国内外学者已经进行了一些有关高压水射流破岩基本过程、高压水射流切割岩石的理论模型、水射流的冲击动载等方面的研究[12-14],但由于水射流破岩体系的复杂性,在理论分析和试验研究方面均有较大困难,现有理论模型对水射流破岩过程简化过多,且大多停留在假设阶段,没有涉及破碎过程的本质,许多研究要点因为存在较大难度而被忽略,许多关键问题尚未解决或引起重视,因此导致高压水射流破碎岩石的真实物理机制尚不清晰,从而制约了水射流破岩理论与技术的发展,因此必须深入系统地进行高压水射流破岩机理及过程的研究。2.1　当前高压水射流破岩机理研究的关键问题高压水射流破岩的实质是水射流与岩石相互作用,并由此引起岩石损伤破碎的过程,因此高压水射流破岩过程中的流固耦合作用机制、水射流作用下岩石的动态损伤破碎、水射流流场的演化机制对岩石破碎的影响等是高压水射流破岩机理研究中的几个重要方面。其中,在高压水射流作用下,岩石和流体的耦合作用机制以及岩石的动态损伤破碎过程的定量分析是开展高压水射流破岩机理研究中的两个关键问题。高压水射流破岩的实质决定了流体和固体之间的相互作用是揭示其破岩机理的关键。特别是高压水射流破岩这种非线性冲击动力学问题,具有瞬时强值动荷载、柔性撞击、大变形、高应变率等特点,更增加了问题分析的难度。但是随着计算机技术和计算方法的不断发展,已能够在一定程度上模拟研究穿甲、爆破、鸟撞[15]等高度非线性的冲击动力学。这些相似领域的研究成果、研究手段等为当前水射流破岩机理的研究提供了借鉴。在高压水射流作用下岩石损伤破碎过程的研究中,因为岩石的严重不均质性,岩石本构关系的研究一直是岩石力学中最不成熟的一个领域。尤其在动态下,岩石的本构关系研究难度更大。近几年,以细观物理背景为基础的损伤理论以及考虑细观机制的唯象的动态损伤破碎理论有了一定进展,另外随着非线性科学的发展,分形、逾渗、重正化群等理论被尝试用于岩石爆破等岩石动态破碎领域[16],并取得了初步的一些研究成果,因此这些相关领域的理论方法和研究手段,为研究高压水射流作用下岩石的动态破碎问题提供了一定依据。由于射流的尺寸较小,水射流破碎岩石表现出明显的局部效应,岩石孔隙、颗粒等性能的变化已不可忽略,因此高压水射流破岩机理的研究中,重点在于探索水射流冲击作用下岩石的动态破碎失效准则和岩石动态力学行为,并在此基础上,分析岩石非均质性对水射流破岩过程的影响规律。2.2　高压水射流破岩机理的研究进展近年来,石油大学(华东)利用数值模拟与试验相结合的方法对高压水射流破岩机理和过程进行了较为系统的研究,取得了突破性进展[8,17-22]。主要体现在