現(xiàn)有硬巖石層鉆探工具的局限性分別是：牙輪鉆頭——要求高鉆壓、高扭矩、低到中等的轉速，這些鉆井條件通常會導致井眼打斜，縮短鉆頭壽命和較低的機械鉆速。潛鑄式鉆頭——要求中等到高的鉆壓，中等到高的扭矩，高轉速(井下馬達和渦輪)，在大多數(shù)情況下，小的切割深度和高轉速仍然僅提供了低的機械鉆速。 PDC鉆頭——良好的設計會帶來良好的性能表現(xiàn)，應用范圍得以擴大，包括較硬的地層;然而，鉆頭性能隨著井眼深度和巖石硬度的增加而變差，仍然需要適度的鉆壓和很高的扭矩，依靠適度的高轉速(井下馬達)獲取較好的機械鉆速，井眼的偏移和鉆頭齒的結構壽命可能成了問題。
與上述鉆探工具的局限性相比較，一種新的鉆井技術及系統(tǒng)，即粒子沖擊鉆井(particle impact drilling)技術可以有效應對硬巖石層，并顯著地提高機械鉆速。
粒子沖擊鉆井(PID) 有何顯著好處
粒子沖擊鉆井(PID)的主要目的是，顯著提高那些鉆進速度很慢和花費很大的井段的機械鉆速，這是因為要使鉆井段的巖石層具有很硬或很高的耐磨特性，這些很硬的或耐磨性的層段可能僅占要打總井深的較小的比例，但常常占去了鉆井的大部分時間和花費，改善這些層段的機械鉆速對于鉆硬巖石地層的經(jīng)濟效益有著重要作用。在美國和世界各地，這些硬巖石地層包括許多地質(zhì)盆地;粒子鉆井技術研究者認為，這種改善鉆井效率的程度可能會開啟一些地區(qū)許多油氣藏的鉆探，包括經(jīng)濟地加深開發(fā)現(xiàn)有的井，使其到達產(chǎn)油更多的層段，而在這些區(qū)域油氣藏鉆探之前，被認為不經(jīng)濟劃算。
使用粒子沖擊鉆井技術還涉及到其它幾個好處，該技術運用很小的鉆壓(WOB)——僅5,000至10,000磅(2.27至4.54噸)，大多數(shù)其它的常規(guī)鉆井方法鉆達目的層需要20,000至60,000磅(9.07至27.22噸)的鉆壓，由于粒子沖擊鉆井技術運用了相對較低的鉆壓進行鉆進(如圖 1)，這會大大地減小鉆進扭矩、鉆具擺動和鉆具的彎曲，這些因素會顯著地降低井眼的偏移趨勢。在常規(guī)鉆井中，特殊硬地層井眼偏移問題的預防和修正會增加很大額外的鉆井成本。業(yè)界認為，較低的鉆壓會從根本上延長鉆頭的壽命，增加進尺，減少更換鉆頭的時間。
粒子沖擊鉆井(PID) 系統(tǒng)如何工作
在硬巖石層很快到來之前，粒子沖擊鉆井系統(tǒng)的人員和設備到達鉆井現(xiàn)場，設備與鉆機的相關組件結合安裝為一體，屆時，整個系統(tǒng)用來鉆達目的層，粒子沖擊鉆井系統(tǒng)的主要組件是：粒子注入系統(tǒng)——在泥漿泵與立管之間內(nèi)聯(lián)接入;粒子沖擊鉆頭——下入井下，高速運送鋼粒子到井底;粒子回收裝置——安裝在鐘形導向短節(jié)附近的泥漿出口管線上，在鉆井液到達泥漿罐之前，從鉆井液中回收粒子;粒子處理和儲存裝置——從打出的固相顆粒和帶有少量鉆井液的成分中分離出粒子，在重新注入前回收儲存起來，用來再注入;一旦設備和人員各就各位，粒子沖擊鉆頭被下入井內(nèi)，一種微小體積的鋼粒子(小于總流量的5%)通過注入系統(tǒng)被混入鉆井液。
攜帶粒子的鉆井液通過鉆具向下行進，通過特殊設計的粒子沖擊鉆頭的水眼獲得加速(如圖2)，達到一個大約500英尺/每秒(152.4米/每米)的速度，噴射速度相當于在井底產(chǎn)生每分鐘高于450萬次的撞擊力，這種撞擊力有效地破碎和除去大約90%的被鉆巖石，在與巖石很小的接觸區(qū)域的正上方，鋼粒子對井底產(chǎn)生強大的撞擊力，這種撞擊力會產(chǎn)生一個巨大的觸點應力，這種觸點應力能產(chǎn)生有序的比破碎巖石所需應力更高的強度。
即使提高鉆壓，常規(guī)結構的鉆頭切削齒工作在剛好超過需要破碎巖石應力的臨界值，這是由于常規(guī)鉆頭齒結構與巖石的接觸區(qū)域很大，應用機械能的總量受到限制。
粒子沖擊鉆頭的水眼被設計成特殊的形狀來傳送粒子，以最佳的效率除去巖石，粒子沖擊鉆頭使用了人造金剛石PDC切削齒，切削0.05英寸(1.27毫米)大小的井眼厚度，中心錐體切削齒破碎井眼中部無支持的巖石環(huán)。
巖石環(huán)不斷地形成，并不斷地被破碎移走，提高了鉆頭的穩(wěn)定性，由于地層材質(zhì)是通過鋼粒子在環(huán)繞巖石環(huán)的內(nèi)外進行爆炸式撞擊而被去除的，隨著深度的改變，巖石環(huán)的內(nèi)應力被減弱，巖石的強度被降低，這使得巖石的去除更容易，特殊情況下，可能出現(xiàn)大的不規(guī)則的巖石槽，顆粒狀的和大小不同的巖石環(huán)碎屑會被去除。
在地面，粒子和巖屑通過粒子回收裝置，這個裝置從鉆井泥漿和巖屑中分離出粒子，分離后的物質(zhì)送到粒子處理裝置處理，然后進入儲存裝置，這時粒子還要從仍存有少量泥漿和巖屑的物質(zhì)中進一步被清洗和分離，在這之后，粒子等待著再次重新注入井下。
應用證明，如圖3，設計這項技術可以顯著地減少鉆井時間和鉆井花費，降低勘探和開發(fā)成本，提高整體鉆井經(jīng)濟效益，縮短油氣生產(chǎn)到油氣銷售時間，提高鉆井速度，從根本上提高油氣開發(fā)的經(jīng)濟效益。
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