井底直接调制式脉冲粒子射流钻井方法研究

探寻高效破岩钻井方法，提高坚硬地层钻速，对于高效获取油气资源具有重要意义。井底直接调制式脉冲粒子射流钻井的原理是，在井底直接从环空循环吸入并加速坚硬粒子，调制形成脉冲粒子射流冲击磨削地层，协同破岩工具，提高坚硬地层钻速。本课题的研究目标是：针对井底直接调制式脉冲粒子射流钻井方法的关键科学问题和关键技术问题，通过研究攻关和自主创新，研究岩石、射流、粒子、孔隙流体和破岩工具等因素间的耦合机制，分析井底围压条件下脉冲粒子射流破岩、辅助破岩机理，揭示脉冲粒子射流提高钻速的机理；分析井底环境下脉冲粒子射流的结构特性，研究脉冲粒子射流的调制方法，建立脉冲粒子射流钻井参数体系，形成控制理论；分析粒子射流磨蚀钻井工具的机理，研究耐磨减阻方法，形成脉冲粒子射流钻井工具的优化设计方法。为井底直接调制式脉冲粒子射流钻井技术的发展奠定理论和技术基础。

深部地层油气资源丰富，但地层坚硬、可钻性差，导致机械钻速低，制约着深井钻井技术的发展，因此迫切需要发展新的破岩钻井方法，提高坚硬地层机械钻速和油气资源获取效率。本项目综合脉冲射流和粒子射流两种射流的技术优势，提出了井底直接调制式脉冲粒子射流钻井技术。首先，运用连续介质力学和有限元理论，分析了脉冲粒子射流破岩、辅助破岩过程，初步揭示了脉冲粒子射流提高机械钻速机理。研究结果表明：脉冲射流对岩石的冲击、卸载及粒子射流撞击岩石产生的冲击应力波，引起岩石拉伸破坏，起到主要破岩作用；脉冲射流通过改善井底岩石受力状况以及提高井底岩屑清洗效率，起到辅助破岩的作用。其次，通过数值模拟分析了脉冲粒子射流的调制机理，研究结果表明：所提出的吸入式自激振荡结构能够实现粒子的吸入、加速，并最终调制出满足要求的脉冲粒子射流，形成了脉冲粒子射流的调制方法。再次，研制了脉冲粒子射流工具原理样机，通过大涡模拟与试验研究相结合的方法，获得脉冲调制元件结构参数的优选标准，即出口流速脉动，通过数值模拟正交试验得到最优水力结构。结合围压破岩试验，建立了脉冲粒子射流钻井参数体系，形成了脉冲粒子射流钻井调控方法。然后，基于原理样机的磨蚀机理及非光滑表面减阻耐磨理论，采用数值模拟和室内试验相结合的方法，优选出具有良好减阻耐磨性能的非光滑结构，将其应用到压耗大、粒子冲蚀严重的腔体侧壁上，形成了脉冲粒子射流钻井工具非光滑表面的优化设计方法。最后，基于上述研究成果共研制了两代井底直接调制式脉冲粒子射流钻井工具的工程样机，并先后在四口井进行了现场试验，试验结果表明：第一代工程样机平均机械钻速提高40%以上，第二代工程样机平均机械钻速提高100%以上，第二代工程样机的提速、减阻耐磨性能均有显著提高。工具工作参数达到了设计要求，性能稳定，工具使用寿命达到了现场要求，研究结果为井底直接调制式脉冲粒子射流钻井技术的发展奠定了理论和技术基础。