竇亮彬，沈忠厚，李根生，付加勝，王海柱

(油氣資源與探測國家重點實驗室 中國石油大學(北京)，北京 102249)

井下增壓超高壓射流鉆井技術(shù)研究進展

竇亮彬，沈忠厚，李根生，付加勝，王海柱

(油氣資源與探測國家重點實驗室 中國石油大學(北京)，北京 102249)

隨著淺層油氣資源勘探開發(fā)程度越來越高，深層油氣資源成為中國油氣資源戰(zhàn)略接替的重要領(lǐng)域。而深井、超深井鉆井勘探過程面臨鉆速慢，成本高等亟待解決的問題。應(yīng)用超高壓噴射鉆井技術(shù)來提高深井超深井鉆井速度是一種行之有效的方法，而實現(xiàn)超高壓射流最主要的工具是井下增壓器。通過國內(nèi)外文獻調(diào)研，主要介紹了國內(nèi)外井下增壓器工藝和增壓機理以及超高壓射流輔助破巖機理的研究進展，指出了前人研究的不足或尚未完善之處，在此基礎(chǔ)上指出了井下增壓器及其超高壓射流輔助鉆井破巖機理的研究方向。

深井鉆井;井下增壓器;超高壓射流;破巖機理;研究進展;存在問題

引言

深井、超深井鉆井技術(shù)是一個國家鉆井技術(shù)發(fā)展水平的標志。隨著世界能源需求的增加和石油工業(yè)的發(fā)展，復(fù)雜地質(zhì)條件下深井、超深井鉆井技術(shù)成為中國新世紀實施油氣資源戰(zhàn)略、提高勘探開發(fā)效益的重要技術(shù)支持手段。

提高深井鉆井速度、縮短鉆井周期、降低鉆井成本成為石油鉆井迫切需要研究和解決的重大課題。依靠鉆頭機械破巖是常規(guī)鉆井的主要破巖方式，而水射流作為1種高效破巖方式未能充分利用，在常規(guī)鉆井中其主要起巖屑清洗、冷卻和潤滑鉆頭的作用。但隨著深井、超深井鉆井井數(shù)的增加，單純依靠鉆頭機械破巖鉆速低，已嚴重影響油田勘探開發(fā)效益。為此，世界各國的石油專家不斷地探索研究新的鉆井方法。研究和試驗表明，應(yīng)用超高壓噴射鉆井技術(shù)來提高鉆井速度是一種行之有效的方法［1］。

超高壓噴射鉆井技術(shù)的關(guān)鍵是鉆井液的增壓方式及超高壓鉆井液輸送方式。地面增壓(包括全增壓和部分增壓)和井下增壓是目前鉆井液增壓的2種主要應(yīng)用方式。地面增壓方式由于其不安全因素增多和鉆井成本過高，盡管提高速度明顯，但沒有得到推廣應(yīng)用。為此，井下增壓裝置成為國內(nèi)外各大石油公司、科研院校及科研機構(gòu)主要研究方向，在借鑒雙管系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)了多種井下增壓裝置。通過利用鉆井液的自身能量或其他能量，將鉆井液進行加壓達到超高壓噴射鉆井目的。井下增壓超高壓射流鉆井技術(shù)具有下列優(yōu)勢:①不需要額外的地面設(shè)備;②易于將常規(guī)鉆井方式轉(zhuǎn)向超高壓射流鉆井方式，經(jīng)濟性較好，安全可靠，展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景，代表了超高壓射流增壓方式研究的發(fā)展趨勢。

1 增壓器研究進展

1.1 地面全增壓和部分增壓試驗研究與進展

1.1.1 國外研究進展

20世紀70年代初期，Maurer等人在美國開展了深井、超深井高壓水射流鉆井的可行性研究與試驗［2］。5口深井現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，利用地面增壓器把壓力提高到68～105 MPa，可提高機械鉆速2～3倍。

20世紀70年代中期，美國?？松緟f(xié)同其他公司，共同研制開發(fā)了1套專門的高壓鉆頭試驗設(shè)備，泵壓最高可達98 MPa。1口生產(chǎn)井的現(xiàn)場試驗表明，機械鉆速比鄰井提高2～3倍［3］。

20世紀70年代末期，美國瑞德公司在美國東德克薩斯軟地層開展了超高壓噴射鉆井井下試驗。共試驗了30只牙輪鉆頭，工作泵壓為69～138 MPa，機械鉆速平均比同類鉆頭提高30%～50%。

1988年，F(xiàn)lowDril公司和Grace鉆井公司研制開發(fā)了雙管射流鉆井輔助系統(tǒng)［4］。地面增壓可達245 MPa，流體速度達500 m/s以上，超高壓流體經(jīng)過鉆柱內(nèi)同心導管傳遞，通過高壓噴嘴高速沖擊破碎巖石;而其他鉆井液仍從普通噴嘴流出。該系統(tǒng)獨特之處在于雙通道鉆柱:鉆柱內(nèi)同心超高壓合金管傳送超高壓鉆井液，同心管與鉆柱間環(huán)隙傳送常規(guī)鉆井液 (圖1)。22口井現(xiàn)場試驗累計進尺為7 432 m，機械鉆速提高1.4～3.2倍。

圖1 超高壓雙管射流輔助鉆井系統(tǒng)

1.1.2 國內(nèi)研究進展

國內(nèi)于20世紀60年代開展高壓噴射鉆井技術(shù)研究，1964年原北京石油學院鉆井室對噴嘴和淹沒射流特性進行相關(guān)試驗研究。1973年開展利用高壓循環(huán)系統(tǒng)進行噴射鉆井工藝技術(shù)研究。1975年開展了首次噴射鉆井綜合現(xiàn)場試驗應(yīng)用。與常規(guī)鉆井相比，高壓噴射鉆井機械鉆速提高了1倍，鉆井成本下降1/3。

中國自1978年以來通過地面增壓實現(xiàn)高壓噴射鉆井技術(shù)大致經(jīng)過3個階段:泵壓分別為10～12 MPa，14～15 MPa，18～20 MPa?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，隨著泵壓增大，相應(yīng)的機械鉆速大幅度提高。目前中國地面泵最高泵壓已達到40 MPa。

地面增壓(包括全增壓和部分增壓)方式需要利用地面設(shè)備產(chǎn)生高壓鉆井液，并將其輸送到井底。地面系統(tǒng)壓力的提高，對其性能要求也提高，安裝、拆卸、維護保養(yǎng)等方面成本也相應(yīng)增加，同時隨著系統(tǒng)壓力增大會使不安全因素增多，發(fā)生鉆井事故概率增大。因此盡管地面增壓方式在提高鉆速方面效果顯著，但其系統(tǒng)高壓力限制了其廣泛應(yīng)用。

1.2 井下增壓試驗研究與進展

井下增壓器(又稱井下增壓泵)安裝在鉆頭與鉆鋌之間。鉆井液以常規(guī)排量通過鉆桿送至井下增壓器，井下增壓器將大約10%的鉆井液加壓至100 MPa以上，這部分超高壓鉆井液通過鉆頭的專用流道到達鉆頭的高壓噴嘴，而未加壓的鉆井液流向普通噴嘴。

1.2.1 國外研究進展

1.2.1.1 第1代井下增壓泵

1993年，美國FlowDril公司和天然氣研究院(GRI)共同研制了井下超高壓泵，開展了用射流輔助破巖的研究計劃［5］，第1臺試驗樣機于1994年研制成功，是1種往復(fù)式增壓器，靠水力驅(qū)動。增壓器將較小部分的鉆井液進行增壓后通過超高壓噴嘴，實現(xiàn)超高壓射流輔助鉆井。5口井的現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，井下泵工作時間在1.0～40.5 h，提高機械鉆速1.0～2.5倍。

1.2.1.2 第2代井下增壓泵

圖2 FlowDril井下泵設(shè)計示意圖

1994年末，美國能源部(DOE)、FlowDril公司和天然氣研究院(GRI)共同研制開發(fā)了第2代井下增壓泵樣機［6］(圖2)。增壓器的增壓比約為14∶1，井底增壓泵將約7%的井底流體壓力增加到207 MPa，通過鉆頭加長噴嘴輔助鉆頭機械破巖。11口井的現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，使用超高壓井下增壓泵射流輔助鉆井的機械鉆速提高幅度在45%～100%。第2代井下泵樣機在室內(nèi)實驗時工作時間達到40 h，但在現(xiàn)場井下運行時間只有9～17 h。

1.2.1.3 高壓連續(xù)管鉆井系統(tǒng)

2001年，Maurer Engineering Inc.公司進行了高壓射流鉆井系統(tǒng)的研發(fā)及室內(nèi)實驗和現(xiàn)場試驗［7］。該系統(tǒng)可由連續(xù)管將底部鉆具組合送入井內(nèi)，也可使用改進的常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆井方法(圖3)。井下增壓泵特殊設(shè)計主要有:金剛石止推軸承、鈦伸縮軸和限流器。

室內(nèi)實驗表明，射流切割鉆井技術(shù)在不同的地層類型下提速幅度達1.0～2.0倍。在大量的不同地層包括砂巖、頁巖、砂質(zhì)頁巖和石灰?guī)r等巖性地層開展現(xiàn)場試驗表明機械鉆速提高1.3～6.0倍。

圖3 雙流道連續(xù)管鉆井系統(tǒng)

1.2.1.4 帶井下增壓器的新型連續(xù)管射流鉆井系統(tǒng)

研制成功的帶井下增壓器和氣體分離器的旋轉(zhuǎn)射流磨銑工具(GS－RJMT)系統(tǒng)［8］，利用連續(xù)管和28 MPa地面泵壓及一個完整的噴射鉆井井底鉆具組合可以磨銑水泥和噴射鉆進大多數(shù)油氣產(chǎn)層。該系統(tǒng)改進之處包括用于分離流體中氮氣的旋轉(zhuǎn)分離器和利用分離后的水來增加射流工具水力壓力的井下增壓器。增壓器可以通過氣錨對兩相流產(chǎn)生作用，從兩相流中分離出來的氣可以為增壓器提供動力，經(jīng)過增壓器增壓后的高壓水供給射流噴嘴，原理見圖4。雙通道旋轉(zhuǎn)射流工具使射流周圍充滿氮氣，形成氣體保護射流，增加噴射距離。

圖4 雙作用增壓泵工作原理示意圖

地面水垢磨銑實驗結(jié)果表明，使用該系統(tǒng)在不同壓差和進給速度下磨銑40 cm的厚水垢，平均磨銑速度為0.6 m/min。實驗井內(nèi)的水泥磨銑實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效磨銑水泥，磨銑速度最高達0.2 m/min，但噴嘴容易被堵塞，增壓器也存在泄漏問題。

1.2.2 國內(nèi)研究進展

1.2.2.1 旁通式井下增壓器

國內(nèi)井下增壓器研究起步較晚，中石油勘探開發(fā)研究院于1994年首先開展井下增壓器研究，第1代全尺寸樣機于1996年底研制成功，并開展室內(nèi)實驗，輸出壓力高達150 MPa，增壓器工作時間超過100 h，但沒能達到現(xiàn)場應(yīng)用條件。隨后研究改進，新樣機單級增壓比高達13∶1;當增壓失效時，仍可按常規(guī)鉆井方式繼續(xù)進行鉆進。第2代全尺寸樣機進行了超高壓室內(nèi)實驗，并于2002年在中原油田900 m深試驗井完成了可靠性試驗測試，取得了令人滿意的工作壽命。

經(jīng)再一次改進后的樣機于2004年11月在中原油田文407井和胡129井進行了現(xiàn)場試驗，工具總的工作壽命達到了41 h［9］，現(xiàn)正在制造第3代工業(yè)試驗機。

1.2.2.2 螺桿式井下增壓器

中國石油大學(華東)徐依吉［10］等設(shè)計了以螺桿泵為動力的井下增壓器，將螺桿泵的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為柱塞的往復(fù)運動從而實現(xiàn)對井下增壓(圖5)。

增壓裝置分為動力單元、動力轉(zhuǎn)換單元和增壓單元3個功能單元。動力單元核心部件是螺桿鉆具，螺桿馬達將鉆井液水力能量以扭矩形式輸出，經(jīng)過動力軸，再經(jīng)過動力轉(zhuǎn)換體的運動轉(zhuǎn)換，將動力軸軸線方向的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為沿動力轉(zhuǎn)換體軸向的往復(fù)運動，帶動柱塞做往復(fù)運動，從而實現(xiàn)對部分鉆井液增壓的目的。

圖5 離心式井下增壓裝置結(jié)構(gòu)示意圖

該增壓器能將部分鉆井液的壓力增至60～80 MPa，輸出0.8～1.0 L/s高壓鉆井液，從而有效地提高鉆井速度。該增壓器流道相對簡單、密封較好，增壓器壽命也有所提高，但尚未開展現(xiàn)場試驗。

1.2.2.3 分隔式井下增壓器

2001年艾池等運用流體液壓傳遞原理，設(shè)計了分隔式井下增壓器［11］。2個超高壓泵缸體分別置于增壓器兩端，超高壓泵缸體與缸筒之間的環(huán)空為動力液隔膜腔室。超高壓泵缸前端的增壓液腔中的隔膜分隔鉆井液和超高壓泵缸內(nèi)的超高壓工作液。設(shè)計的增壓器是對稱的。分隔式井下增壓器利用隔膜的軟活塞特性，以地面泵排出的鉆井液為動力推動軟活塞，軟活塞將能量傳遞給動力活塞，使其做上下往復(fù)運動，從而帶動增壓活塞做上下往復(fù)運動，超高壓泵將其中的工作液的壓力提高到設(shè)計壓力。軟活塞再將這一壓力等效地傳給鉆井液，獲得超高壓的鉆井液再被引入到鉆頭上的高壓噴嘴，實現(xiàn)高速射流破石;而大部分鉆井液則通過增壓器的扇形流道經(jīng)普通噴嘴流出。

1.2.2.4 水力增壓式井下增壓器

西南石油學院設(shè)計了利用環(huán)空流體水力能量實現(xiàn)增壓的井下增壓器［12］。把環(huán)空水力能量作為外加激勵源，達到自增流量與它激雙重作用，進而實現(xiàn)井下增壓。

該裝置在脈沖射流噴嘴研究的基礎(chǔ)上，于腔室靠近上噴嘴處開多個等徑圓孔。當具有一定壓力流體由上噴嘴進入共振腔后，在上游由于卷吸作用加上環(huán)流流體激勵作用，小部分流體碰撞后，在振蕩腔內(nèi)上游形成局部負壓，環(huán)空流體被卷吸到共振腔室，從而實現(xiàn)井下增壓。

井下水力增壓主要依靠3種作用方式:振蕩腔內(nèi)負壓區(qū)形成作用、振蕩腔內(nèi)射流卷吸作用以及環(huán)空流體壓力它激作用。

實驗結(jié)果表明，通過卷吸作用可增加流量10%～25%;在共振腔室結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置較為合理的情況下，射流最大沖擊力比自激振蕩提高2倍。

1.2.2.5 離心式井下增壓裝置

孫偉等［13］提出離心式井下增壓裝置的設(shè)計方案，由動力單元(渦輪動力機)、固液分離單元、增壓單元(離心泵)和流道短節(jié)單元組成，通過鉆井液驅(qū)動渦輪動力機旋轉(zhuǎn)，并帶動固液分離裝置和離心泵高速旋轉(zhuǎn)，使部分鉆井液增壓，達到提高射流壓力和速度的目的。裝置結(jié)構(gòu)見圖5。

在勝利油田大王莊油田大8－8－1井進行的現(xiàn)場試驗表明，離心式井下增壓裝置可使井底鉆井液增壓至30 MPa。

1.2.2.6 射流式增壓器

中國石油大學(北京)汪志明等［14］在2005年完成了第1代射流式井下增壓器設(shè)計(圖6)。對該裝置進行的地面模擬測試和整機試驗研究結(jié)果表明，增壓出口壓力的變化與輸入排量和節(jié)流壓降直接關(guān)聯(lián)，且立管壓力波動也反映出設(shè)計的工具壓耗與實際試驗壓耗相吻合。為適應(yīng)鉆井工藝的要求，必須增大增壓比，實現(xiàn)在低節(jié)流壓降條件下達到高增壓出口壓力。該試驗初步驗證了新型射流式井下增壓裝置設(shè)計的可行性，整體設(shè)計指標達到了預(yù)期要求。

圖6 射流式井下增壓裝置結(jié)構(gòu)

第1代增壓器樣機研制成功并進行室內(nèi)實驗后，在中原油田馬79井及白66井進行了現(xiàn)場試驗。結(jié)果表明，使用減振增壓裝置井段比未使用該裝置的鄰井相同井段鉆速提高了124%，現(xiàn)在已經(jīng)改進研制了第2代增壓器。

1.2.2.7 鉆柱減振增壓器

管志川等利用鉆進過程中鉆柱振動作為能量來源研制了1種新型井下增壓器。該裝置利用鉆柱縱向振動帶動柱塞泵柱塞上下往復(fù)運動，將鉆井過程中振動這種有害運動轉(zhuǎn)化為有利的柱塞的往復(fù)運動，從而對鉆井液壓縮實現(xiàn)井下增壓，裝置集鉆柱減振和鉆井液增壓功能于一體**魏文忠.底部鉆柱振動特性及減振增壓裝置設(shè)計研究［D］.東營:中國石油大學(華東)，2007:67－80.。

小部分常規(guī)鉆井液從鉆柱流入減振增壓裝置，經(jīng)過柱塞往復(fù)運動增壓使之成為壓力高達95～120 MPa左右的高壓流體，經(jīng)過鉆頭高壓噴嘴噴出，實現(xiàn)超高壓射流鉆井。2007年在勝利油田樁古10－58井中生界地層進行了首次井下試驗，機械鉆速提高了8.25倍。2010年在勝利油田羅69井東營組—沙四段地層進行了第2次現(xiàn)場試驗，平均機械鉆速提高1.86倍。

2 超高壓水射流輔助破巖機理

超高壓噴射一般指壓力在100 MPa以上，借助射流沖擊原理實現(xiàn)對巖石的壓縮切割破碎。沖擊與微裂縫擴展是其主要破碎機制。目前，國內(nèi)外學者對水射流破巖機理方面仍存在分歧，提出了不同觀點，比較常見的觀點主要包括:準靜態(tài)彈性破碎理論、應(yīng)力波破碎理論、氣蝕(空化)破碎理論、水射流脈沖負荷引起疲勞破壞理論、水楔破碎理論、裂紋擴展破碎理論和損傷破碎理論等。比較公認的高壓水射流破巖機理有沖蝕破碎、水楔脹裂和雙作用破碎。

2.1 沖蝕破碎機理

1978年，美國Hashish指出在碰撞區(qū)內(nèi)當高壓水射流的壓力大于材料的極限強度時即能穿透該材料進行破碎。1983年，Tutluoglu等研究了豎直布置在刀具前沿的超前水射流，認為水射流破碎刀尖附近處壓實域的去除是由于切削力降低所致，而切削力降低是因為刀尖旁受壓巖石被水射流沖蝕所致。文獻［15］認為，水射流破碎巖石是利用巖石的可滲透性，利用液壓力將顆粒從巖體進行剝離，從而進行沖蝕破碎。Field和Ronzer研究了水射流沖蝕效應(yīng)，指出水射流高速噴射產(chǎn)生的壓力波的沖擊作用是對巖石等脆性物體產(chǎn)生破壞的主要作用。

2.2 水楔脹裂機理

文獻［16］在靠近刀頭前巖樣進行射流沖擊研究發(fā)現(xiàn)，當射流壓力大于50 MPa時，刀頭以較小的作用力在巖樣上產(chǎn)生裂紋，而水射流作用力射入裂紋并使之擴展，從而降低切削破碎力進而破巖。文獻［17］開展了高壓水射流破巖試驗，認為裂紋產(chǎn)生和擴展是巖石破碎的主要原因。試驗表明，通過機械刀具產(chǎn)生裂紋，而水射流通過液壓水楔脹裂作用進行破巖。段雄等采用非線性動力系統(tǒng)理論對水射流破巖過程進行了分析，認為使切削力減小是水楔作用的結(jié)果。水楔脹裂機理觀點實際上是認為水射流輔助破碎巖石類似于液壓壓裂過程［16－18］。

2.3 雙作用破碎機理

2.3.1 沖蝕破碎－水楔脹裂機理

Kolle等開展了超高壓射流輔助牙輪鉆頭的室內(nèi)破巖實驗，認為超高壓射流強化清洗作用和水楔擴展裂縫作用是提高破巖效率的最主要機理，同時認為切口具有解除巖石束縛的作用，以便于吃入裂縫的牙輪鉆頭牙齒擴展到切縫，提高破巖效率。

2.3.2 拉伸－水楔破巖機理

拉伸－水楔破巖機理把水射流沖擊力等效為作用于巖石平面上的集中力。當拉應(yīng)力與剪應(yīng)力分別大于巖石的抗拉載荷和抗剪載荷時，巖石會產(chǎn)生裂縫，進而水射流進入裂縫通過液壓水楔脹裂作用破碎巖石，形成圓柱狀沖擊坑或漏斗坑［19］。但該理論只對射流沖擊破巖時應(yīng)力場進行了定性分析，未詳細定量分析其規(guī)律，也未論述射流沖擊作用下裂縫產(chǎn)生位置及擴展方向。

2.3.3 密實核－劈拉破巖機理

密實核－劈拉破巖機理模型運用赫茲接觸理論將脈沖水射流沖擊力等效為具有一定速度的剛體作用于巖石半無限彈性體上，當拉應(yīng)力與剪應(yīng)力分別大于巖石的抗拉載荷和抗剪載荷時，巖石會產(chǎn)生裂縫。隨著水射流持續(xù)沖擊或沖擊壓力增加，裂縫擴展并匯接到?jīng)_擊接觸面，形成球形密實核，當密實核能量儲藏到一定程度后，能量膨脹釋放，對巖石產(chǎn)生切向拉應(yīng)力，當其拉應(yīng)力超過巖石抗拉載荷，巖石產(chǎn)生徑向裂隙。此時處于高壓狀態(tài)的密實核，核中巖粉將以粉流形式楔入徑向裂隙，并沿最小阻力方向劈開巖石，從而實現(xiàn)巖石破碎［19］。此理論忽略射流與巖石相互耦合，以及巖石動態(tài)和靜態(tài)力學差異性，因而該理論較為粗糙。

2.3.4 水力切割－沖擊破碎機理

試驗表明［3，20］，巖石抗內(nèi)壓和抗張強度小于其抗外壓強度，因此當水力壓力大于巖石的開裂壓力時，在水力作用下巖石發(fā)生水力壓裂和水力破碎。同時試驗表明，在100～200 MPa壓力下，水力破巖主要以水力切割為主，實現(xiàn)水力切割破碎。超高壓水射流切割試驗表明，超高壓射流作用機理為水力切割和高頻點流的沖擊破碎。

2.3.5 應(yīng)力波作用－射流準靜態(tài)壓力

通過對高壓水射流破巖鉆孔的試驗結(jié)果、巖石內(nèi)孔隙流體的運動規(guī)律以及水射流破巖過程中的能量分布變化趨勢進行分析，對高壓水射流破巖鉆孔過程進行系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明［21］，高壓水射流破巖鉆孔分為2個過程:初期以應(yīng)力波作用為主，對巖石主體進行損傷破壞;后期以射流準靜態(tài)壓力作用為主，對巖石已產(chǎn)生的微裂縫等損傷利用射流的準靜態(tài)壓力使之擴展，并匯聚形成宏觀破壞，從而擴大巖石孔眼直徑。此理論認為射流和巖石界面耦合相互作用，射流沖擊力在巖石內(nèi)部產(chǎn)生引力波，加上射流準靜態(tài)壓力共同作用對巖石進行破碎，其中應(yīng)力波作用占主導地位。

2.3.6 拉伸－剪切破壞機理

20世紀80年代中期，石油大學對超高壓射流的動力學特性和切割破巖機理進行了較系統(tǒng)的實驗和數(shù)值模擬研究。數(shù)模分析結(jié)果表明，超高壓水射流破碎巖石機理主要有2種:一是拉伸破壞，以脆性穿透巖石晶粒斷裂為主，水壓作用也有助于裂紋延伸，從而剝落巖塊;二是剪切破壞，主要是脆性剪切錯動，形成切槽，作用機理類似于切割破碎。

2.4 水力切割理論等其他機理模型

關(guān)于水力切割理論方面，目前比較認可的有Crow模型和Rehbinder模型。

Crow切割理論模型對巖石晶粒大小、滲透率、孔隙度、剪切應(yīng)力、內(nèi)摩擦系數(shù)和庫侖摩擦系數(shù)等各種因素影響都進行了分析，對巖石特性考慮比較全面，而這些系數(shù)的確定需要通過理論分析和試驗研究相結(jié)合［22］。其機理模型理論推導假設(shè)前提為射流與巖石顆粒之間存在氣蝕現(xiàn)象。

Rehbinder切割理論模型假設(shè)巖石具有可滲透性，水射流可以穿透巖石晶?？障叮箮r石受到液體內(nèi)部壓力，當內(nèi)部靜水壓力大于巖石晶粒間內(nèi)聚力時，巖石破裂脫落。理論和試驗結(jié)果表明，切割槽深是射流直徑、射流壓力與破巖門限壓力比值、沖擊時間和巖石滲透率的函數(shù)［23］。其中最主要因素為巖石的沖蝕阻抗與巖石滲透率之間關(guān)系。

3 存在問題分析

雖然國內(nèi)外針對超高壓射流和井下增壓裝置應(yīng)用于鉆井技術(shù)已經(jīng)做了很多研究，并取得了一定的應(yīng)用成果，但是也存在一些問題，歸納起來主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)近年來國內(nèi)外井下增壓器的研究較多，也有一定的發(fā)展，但都處于試驗階段，沒有得到廣泛的應(yīng)用，井下增壓器在井下的使用壽命太短限制了其應(yīng)用。

(2)井下增壓器的水力參數(shù)優(yōu)選、動密封技術(shù)、鉆頭水動力學特性等方面尚需全面綜合研究。

(3)由文獻調(diào)研可知，超高壓射流鉆井能提高機械鉆速，其破巖機理雖研究較多，也提出各種破巖機理理論，但對其破巖機理仍缺乏清晰明確的認識，有待于進一步的研究。目前關(guān)于巖石破碎的研究主要停留在靜態(tài)或準靜態(tài)上面，未充分考慮破巖過程動態(tài)影響，也未充分考慮鉆深井過程中所遇到的高圍壓影響，故前人對鉆井過程中破巖機理的研究還存在局限性。

(4)井下增壓超高壓射流鉆井技術(shù)另一個重要硬件是超高壓射流鉆頭，這方面也有許多的研究，但噴嘴大小、布置位置等還有待進一步的研究。

4 結(jié)論與建議

(1)國內(nèi)外通過多年研究，在井下增壓技術(shù)、增壓機理和增壓器設(shè)備方面研究已取得較多研究成果，但井下增壓器壽命問題一直未突破，需要研制1種能在井下可靠工作，壽命滿足鉆井需要的井下增壓器，其重點和難點是換向機構(gòu)、高壓密封等關(guān)鍵部件。

(2)前人對超高壓射流破巖機理有較多研究，但主要局限在靜態(tài)或準靜態(tài)方面，下一步研究需從動態(tài)角度和流固耦合方面加強對巖石破碎過程的系統(tǒng)分析，提高對超高壓射流破巖機理的認識。

(3)深井、超深井鉆進過程中破巖由于井底壓力較大，與地面常規(guī)破巖試驗機理有很大不同，要充分考慮高圍壓對破巖機理和破巖效率影響。

(4)加強射流作用下井底巖石應(yīng)力場研究，以深化破巖機理研究，特別是室內(nèi)實驗研究:逐點測量井底巖石內(nèi)部孔隙壓力和骨架應(yīng)力，并通過改變井底壓差和三向地應(yīng)力差值進行更具體的定量化研究。

(5)需對水力與機械聯(lián)合作用在超高壓射流破巖機理中的作用進行研究，針對機械載荷和射流載荷共同作用時的井底應(yīng)力場進行數(shù)值模擬研究，建立更加完善的超高壓破巖模型，為實際鉆井條件下破巖機理研究提供理論基礎(chǔ)。

(6)超高壓射流鉆頭是實現(xiàn)超高壓射流的重要部件，需在井底流場模擬和噴嘴試驗基礎(chǔ)上對其進一步篩選優(yōu)化，特別是噴嘴大小、布置位置等參數(shù)。

(7)井下增壓器將常規(guī)機械破巖鉆井方式轉(zhuǎn)化為高壓超高壓射流噴射鉆井方式，并且安全可靠，相對其他提高鉆速方式，經(jīng)濟性也較好，代表了目前超高壓射流鉆井方式研究的發(fā)展趨勢。

［1］李根生，沈忠厚.充分利用水力能量提高深井鉆井速度［J］.石油鉆探技術(shù)，2002，30(6):1－3.

［2］Maurer W C，Heilhecke J K，Love W W.High pressure drilling［J］.Journal of Petroleum Technology，1973，25 (7):960－964.

［3］張紹槐.噴射鉆井理論與計算［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1986:8－10.

［4］Kolle J J，Otta R，Stang D L.Laboratory and testing of an ultra－h(huán)igh pressue，jet－assisted drilling system［C］.SPE22000，1991:847－856.

［5］Veenhuizen S D.Development and testing of a downhole pump for jet－assist drilling［C］.Natural Gas RD＆D Contractors Review Meeting，1995:4－6.

［6］Veenhuizen S D，Stang D L，Kelley D P，et al.Development and testing of downhole pump for high－pressure jet－assist drilling［C］.SPE38581，1997:1－4.

［7］Cohen J H，Deskins G.High－pressure jet kerf drilling shows significant potential to increase ROP［C］.SPE96557，2005:2－8.

［8］Kolle J J，Theimer K，Theimer A，et al.Development of a downhole separator and intensifier for coiled tubing jetting［J］.Journal of Canadian Petroleum Technology，2008，47 (12):61－69.

［9］成海，王甲昌，楊本靈.國內(nèi)外井底增壓噴射鉆井技術(shù)研究現(xiàn)狀［J］.石油礦場機械，2008，37(6):34－38.

［10］徐依吉，周長李，祈萬軍，等.一種新型井下增壓器的設(shè)計［J］.機床與液壓，2010，38(8):61－64.

［11］艾池，周榮星，王志祥，等.分隔式井下增壓器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.大慶石油學院學報，2001，25(1):89－91.

［12］王希勇，熊繼有，孫文濤，等.新型水力增壓實驗研究［J］.西南石油學院學報，2002，24(3):71－73.

［13］孫偉，孫峰，趙崇鎮(zhèn)，等.離心式井下增壓裝置的系統(tǒng)設(shè)計［J］.石油機械，2006，34(3):36－38.

［14］汪志明，薛亮，鄒和均，等.活塞式井下增壓器設(shè)計理論研究［J］.石油機械，2007，35(11):17－19.

［15］辛承梁.高壓水射流沖蝕模型及分析［J］.高壓水射流，1987，31(4):1－2.

［16］Hood M.A review of water jet－assisted rock cutting［J］.Journal of Engineering for Industry，1992，21(4): 18～24.

［17］程大中.高壓水射流與機械刀具結(jié)合破巖初步試驗總結(jié)［J］.高壓水射流，1982，17(2):1－13.

［18］田和金，李璗，王愛華，等.巖石動力學試驗及其在油田開發(fā)中的應(yīng)用［J］.巖石力學與工程學報，2000，l9 (增刊):889－894.

［19］徐小荷，余靜.巖石破碎學［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1984:227－229，250－255.

［20］白穆民，唐建冬.超高壓水射流技術(shù)及其應(yīng)用［J］.新技術(shù)新工藝，1995:21(3)28－30.

［21］王瑞和，倪紅堅.高壓水射流破巖鉆孔過程的理論研究［J］.石油大學學報:自然科學版，2003，27(4):44－47.

［22］Crow S C.A theory of hydraulic rock cutting［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Science，1973，10(6):567－584.

［23］Rehbinder G.Some aspects of the mechanism of erosion of rock with a high speed water jet［C］.3rd International Symposium on Jet Cutting Technology，Chicago，1976:1－7.

Research progress on ultra－h(huán)igh pressure jet drilling by down－h(huán)ole pressure boost

DOU Liang－bin，SHEN Zhong－h(huán)ou，LI Gen－sheng，F(xiàn)U Jia－sheng，WANG Hai－zhu
(State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting，China University of Petroleum，Beijing 102249，China)

Oil and gas exploration and development is gradually shifting from shallow to deep formations，while the drilling of deep and ultra－deep wells confronts with problems of slow drilling rate and high cost.Research and experiment indicate that ultra－h(huán)igh pressure jet drilling is an effective technology to improve drilling rate for deep and ultra－deep wells，and down－h(huán)ole booster is the key equipment for realizing ultra－h(huán)igh pressure water jet.Investigation of domestic and foreign literatures has revealed down－h(huán)ole booster technique and pressure boosting mechanism，as well as the research progress in ultra－h(huán)igh pressure water jet assisted rock breaking mechanism;points out the disadvantages of previous researches，and suggests the direction of further research.

deep well drilling;down－h(huán)ole booster;ultra－h(huán)igh pressure water jet;rock breaking mechanism;research progress; existing problem

TE21;TE248

A

1006－6535(2012)03－0001－07

10.3969/j.issn.1006－6535.2012.03.001

20111109;改回日期:20120220

國家“973”重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目“深井復(fù)雜地層安全高效鉆井基礎(chǔ)研究”(2010CB226700)

竇亮彬(1986－)，男，2008年畢業(yè)于中國石油大學(華東)石油工程專業(yè)，現(xiàn)為中國石油大學(北京)油氣井工程專業(yè)在讀博士研究生，研究方向為油氣井流體力學與工程。

編輯劉兆芝