高压射流辅助钻井技术研究现状及发展趋势.pdf

第 43 卷第 8 期2023 年 8 月 116 天然气工业Natural Gas Industry引文：蔡灿,曹文洋,谢全功,等.高压射流辅助钻井技术研究现状及发展趋势J.天然气工业,2023,43(8):116-126.CAI Can,CAO Wenyang,XIE Quangong,et al.Research status and development trend of high pressure jet assisted drilling technologyJ.Natural Gas Industry,2023,43(8):116-126.高压射流辅助钻井技术研究现状及发展趋势蔡 灿1,2,3曹文洋1,2谢全功1,2曾 浪1,2周圣文1,2康传哲11.西南石油大学机电工程学院高压射流理论与应用技术实验室2.油气装备教育部重点实验室3.油气藏地质及开发工程全国重点实验室西南石油大学摘要：随着全球油气资源开采的不断深入，深井和超深井钻井提速技术逐渐成为提高地下油气资源开采能力的重要手段。其中高压射流辅助钻井技术是油气钻井提速的重要技术手段之一，不仅能大幅提高钻进效率，还能延长钻头使用寿命、降低热磨损和增加井底清洗效果。为此，在系统介绍高压射流辅助钻井理论的基础上，重点阐述了高压射流破岩、射流机械联合破岩和射流辅助携岩机理，探讨了射流辅助钻井技术的发展趋势，并对地面和井下 2 种主要增压方式及相关设备进行了详细论述，最后结合射流辅助钻井的发展历程，深入分析了脉冲射流、磨料射流、CO2射流等先进射流辅助钻井破岩及携岩的发展趋势。研究结果表明：未来地面增压泵将朝着大泵压、大排量方向发展，井下增压器将会进一步致力于延长寿命和提升可靠性；先进射流辅助钻井虽然存在一定不足，但是其辅助钻井优势突出，有望解决目前地面增压与井下增压的瓶颈。结论认为，对高压射流辅助钻井技术、射流增压装置和先进射流辅助钻井技术现状的回顾和分析，明确了制约当前深层油气优快钻进的关键问题，为钻井提速提效提供了新的研究思路和发展方向。关键词：射流辅助钻井；高压射流；钻井破岩；井下增压器；CO2射流；研究现状；发展趋势DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2023.08.011Research status and development trend of high pressure jet assisted drilling technologyCAI Can1,2,3,CAO Wenyang1,2,XIE Quangong1,2,ZENG Lang1,2,ZHOU Shengwen1,2,KANG Chuanzhe1(1.High Pressure Jet Theory and Application Technology Laboratory,College of Mechanical and Electrical Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500,China;2.MOE Key Laboratory of Oil and Gas Equipment,Chengdu,Sichuan 610500,China;3.State Key Laboratory of Oil&Gas Reservoir Geology and Exploitation/Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500,China)Natural Gas Industry,vol.43,No.8,p.116-126,8/25/2023.(ISSN 1000-0976;In Chinese)Abstract:With the continuous exploitation of global oil and gas resources,the ROP(rate of penetration)improvement technology for deep and ultra-deep wells has gradually become an important means to enhance the exploitation capacity of underground oil and gas resources.One of the main technologies to improve the ROP in oil and gas wells is high pressure jet assisted drilling technology,which can greatly increase the drilling efficiency,and also improve bit lifetime,reduce thermal wear,and enhance bottom hole cleaning.In this paper,the theories of high pressure jet assisted drilling are introduced systematically,with a particular emphasis on the mechanisms of rock breaking by high pressure jet,rock breaking by jet-mechanical combination,and jet assisted cuttings carrying.Then,the development trend of jet assisted drilling technology is discussed,and two ground and downhole boosting modes and the related equipment are described in detail.Finally,based on the development history of jet assisted drilling,the development trends of advanced jet assisted drilling(e.g.pulse jet,abrasive jet,and CO2 jet)in rock breaking and cuttings carrying are analyzed deeply.The following research results are obtained.First,the future ground boosting pumps will develop to large pump pressure and displacement,and downhole boosters will further focus on life extension and reliability improvement.Second,advanced jet assisted drilling has some drawbacks,but it has a great advantage in drilling assistance and may be able to break the current bottlenecks of ground and downhole boosting.In conclusion,this paper systematically reviews and analyzes the status of high pressure jet assisted drilling technology,jet boosting device and advanced jet assisted drilling technology,and analyzes the current key problems restricting the optimal fast drilling in deep oil and gas layers,so as to provide new research ideas and development directions for ROP improvement,displaying better reference and guidance significance.Keywords:Assisted drilling;High pressure jet;Rock breaking of drilling;Downhole booster;CO2 jetting;Research status;Development Trend基金项目：国家重点基础研究计划项目“超临界二氧化碳强化页岩气高效开发基础”（编号：2014CB239200）、国家自然科学基金重点项目“海相页岩水平井超临界二氧化碳压裂机理与一体化模拟研究”（编号：52234003）、地热资源开发技术与装备教育部工程研究中心开放课题“地热井非平面齿 PDC 钻头喷射钻井提速机理及射流调控研究”（编号：22016）、油气藏地质及开发工程全国重点实验室开放基金“高压 CO2射流非平面齿复合破岩机理及喷嘴布置设计研究”（编号：PLN2022-37）。作者简介：蔡灿，1988 年生，副研究员，硕士研究生导师，博士，本刊青年编委；主要从事钻具设计及高效破岩理论、油气井高压射流理论与新技术、超临界 CO2射流及应用等领域的研究工作。地址：（610500）四川省成都市新都区新都大道 8 号。ORCID:0000-0002-6762-9968。E-mail:第 8 期 117 蔡灿等：高压射流辅助钻井技术研究现状及发展趋势0引言深井和超深井已成为油气开采的重点领域，但深部地层的岩石往往硬度高、耐磨性强，常规的钻井手段无法在该环境下进行高效钻井破岩。因此，深部岩层的高效钻井技术成为了相关人员研究的重点。自 20 世纪 60 年代以来，高压水射流辅助钻井被首次提出并进行相关的现场试验，随后在油气开采领域的比重日渐增长，发展至今其井底喷射压力已达到 30 35 MPa。高压射流由于其灵活性以及清洁性，在辅助钻头破岩的同时可对井底进行清理以提高钻速，使得钻井效率得到了大幅提高。因此，越来越多的学者投入到高压射流辅助钻井技术研究，随着研究的深入和广泛应用，不仅解决了一些石油工程领域长期没有解决的问题，还为后续高压射流辅助钻井提供了研究思路和发展方向。众多学者对射流破岩机理以及携岩机制进行了详尽的研究，并且在高压射流钻井的应用领域作出了卓越的贡献。本文对上述研究进行总结归纳，并对未来高压射流辅助钻井技术发展趋势进行了探讨。1高压射流辅助钻井基础理论高压射流辅助钻井主要是通过井下钻头喷嘴喷射出高压射流，配合钻头切削齿形成射流机械联合破岩，在辅助钻头破岩的同时带动岩屑从井底上返，既能提高钻头的钻进效率，同时还能有效降低钻头磨损。其主要涉及高压射流破岩、射流机械联合破岩和射流高效携岩技术。1.1高压射流破岩理论国内外学者经过大量的理论推导和实验验证，认为射流增强切削破岩主要是通过射流冲击压力作用、射流水楔作用，结合破碎和冷却润滑作用等方式共同增强破岩效率。由于高压水射流破岩涉及的因素较多，且规律比较复杂。目前学界对高压射流的破岩机理主要有1：准静态弹性破岩理论、拉伸水楔破岩理论、空化破碎理论和应力波破碎理论等。其中拉伸水楔破岩理论因为有很多实验数据的支撑，得到了广泛的认同。岩石在射流的冲击下会产生一系列微裂纹，进而射流流体渗入到裂缝中，这时在裂缝尖端处会产生拉应力集中区，使裂缝迅速扩展，最后导致岩石的破碎，其破岩原理如图 1 所示。随后，由于计算机技术的发展，使得数值模拟分析被大规模应用于射流破岩机理的研究上，倪红坚等2采用非线性动力有限元法和岩石动态损伤模型对高压水射流射孔过程及机理进行了模拟研究，证实了高压水射流具有很强的破岩能力，射流冲击所产生的拉伸破坏是水射流破岩的主要形式。通过进一步研究表明，引起岩石破坏由剪切和拉伸两种作用共同主导，且其分别集中在射流入射点下方和远离入射点的区域3。随后，通过进一步对水射流破岩的过程进行模拟，将岩石破碎过程分为了弹性变形、塑性变形、微裂缝和完全破坏 4个阶段4。除了用于射流破岩，水射流在煤层气的开采也应用广泛。然而，煤层气储存在孔隙和裂缝发育的地下煤层中，与传统油气钻井所处的压力环境不同，地下煤层处于三轴应力状态。基于此，葛兆龙等5对水射流在三轴应力作用下的破坏机理进行了研究，首次在室内进行了三轴应力条件下水射流破碎煤体的实验研究，探讨了水射流作用下煤体的破碎机理。高压射流除了应用于破岩和煤层气的开采外，还广泛应用于页岩气6和天然气水合物7等非常规油气资源的开采，现场应用结果表明，高压射流在显著提高开采安全可控性的同时，还降低了开采能耗，有广阔的应用场景。图1拉伸水楔破岩原理示意图1.2射流机械联合破岩理论单纯水射流射孔及破岩应用限制较多，采用射流机械联合破岩更具有工程应用价值，其破岩原理如图 2 所示。现有研究结果表明，充分利用射流机械联合破岩效果明显，可显著提高钻速，并且水射流可显著降低机械刀具的切削温度，提高刀具寿命。射流机械联合破岩是充分利用高压射流和钻齿的各自优势，射流通过对岩石的水楔作用，使岩2023 年第 43 卷 118 天 然 气 工 业石产生裂纹并进行拓展和贯通，最后导致岩石碎裂8。随着对射流机械联合破岩研究的深入，实验室已无法完成大规模且系统的联合破岩实验，因此学者们开始转用有限元数值分析方法对其进行研究。通过数值模拟对破岩过程进行更细致的研究，张文华等9提出了联合破岩的临界压力概念。为了大规模应用射流辅助破岩，还需要对影响射流破岩效果的相关参数进行研究。因此，需要对水射流辅助 PDC 齿破岩进行力学分析10-11，研究表明当水射流处于适当位置时，在破岩过程中刀具受力可减少 30%50%，并且得出了射流喷嘴的最佳布置位置。后续，刘佳亮等12用混凝土进行射流辅助破岩实验，同样证实了射流机械联合破岩在破岩领域的优势。在切削过程中，切削齿产生的热量会大幅降低其使用寿命，而高压射流除了进行辅助破岩，还能显著降低切削齿的切削温度。基于此，杨晓峰等13建立了刀具在水射流过程中的热传导模型，分析了射流相关参数对热应力的影响，证明了高压射流降低热应力的可行性。综上所述，水射流辅助机械联合破岩相比于传统机械破岩和单独水射流破岩具有如下优势：可减少岩石与机械工具之间的相互作用力14；使得机械工具上的热应力减小15，有效降低机械刀具的工作温度；降低机械工具的磨损速度，使得断裂发生率更低，从而大大提高其使用寿命；使机械工具横移过程中产生的凹槽的深度和宽度增加，工具划过岩石表面时单位长度路径的去除体积更大16；水射流能清理切削工具附近形成的碎屑，使钻齿直接压在完整的岩石上，从而更有效地吃入岩石17。1.3射流辅助携岩机理在钻井的过程中，岩屑容易随着钻井液运移沉积在井底，进而增大井下钻柱摩擦阻力，产生泥包和钻具黏卡等现象，严重影响钻井效率。因此，采用射流增强井底钻头清洁及携岩上返能力是提高钻井效率的重要途径。高压射流井底净化机理方面的研究在 20 世纪就已取得了重要进展，射流冲击到达井底后，会向四周横向扩散形成井底漫流区，将岩石从井底中心推移至上返流道的位置，使其能被后续钻井液抬离井底18。Kendall 等19据此提出了钻头水力结构全局设计理论准则，此后，Lim 等20和郭柏云等21在此基础上对其进行完善和优化。由于井底流场和岩屑运移的复杂性，导致实验的局限性较大。随着 CFD（计算流体力学）和 DEM（离散元方法）的发展，数值模拟成为了研究射流携岩的重要方法。通过大量的数值模拟，在验证前人实验结果的同时，也对影响携岩机制的因素有更深入的认识，实验采用的钻头射流最大冲击力设计原则具有一定合理性，然而考虑实际钻井钻柱旋转22，其旋转运动对钻井液携岩能力有显著影响，钻柱旋转将大大降低移除固定岩屑床所需的临界流体速度。对于 CO2气体欠平衡钻井，由于气体的高速流动，高压 CO2射流PDC 齿联合破岩实验及数值模拟均观察到切削齿前部的岩屑明显减少，基本集中在齿后，且飞溅轨迹基本呈直线，以切削齿为中心扇形发散。同时，高压 CO2射流的强冷却作用可有效降低切削齿和岩屑的温度，大幅度缓解岩屑的累积和阻碍（图 3），实验结果显示钻井液的流体介质类型对携岩作用有较大的影响23。2射流增压装置的研究现状与发展趋势基于上述射流辅助钻头破岩与携岩的研究成果，要提高射流辅助钻井提速效果，需增大射流压力。可采用地面泵增压和井下增压，实现更大的钻头射流水马力和更好的辅助破岩及携岩效果。2.1地面泵增压通过提高地面钻井泵的功率和排量，使得更高压力的钻井液泵送至井底钻头内，形成高压、超高压的射流，辅助钻头高效破岩与携岩。美国埃克森公司24于 1973 年较早开展了高压水射流钻井的可行性试验，在地面利用增压泵把水功率提升至 1 765 kW 后，钻头在钻进过程中钻速提图2射流机械联合破岩原理示意图第 8 期 119 蔡灿等：高压射流辅助钻井技术研究现状及发展趋势高 2 3 倍，继续提高水功率至 4 400 kW 后，钻头的钻速提高 5 8 倍。受限于钻柱系统承压上限，其泵压无法继续大幅提高。为解决上述钻井钻柱水力系统承压不匹配和不适应的问题，美国FlowDrill公司25研制出了一套双管柱高压射流辅助钻井系统，如图 4所示，该系统将大规模常压钻井液循环与小规模超高压钻井液循环相结合，其钻头装有一个超高压喷嘴和常规喷嘴，在增压时仅需增压其中 10%的钻井液用于辅助破岩，而大规模常压钻井液用于清理井底以及携岩，大大降低了作业风险，且该系统钻头的钻速提高了 2.2 3.1 倍。但该增压系统的可靠性较差且成本偏高，因此同样很难被大规模采用。国内最早于 20 世纪 60 年代开始对高压射流辅助钻井开展了相关的研究，并于 1973 年开始研究高压循环系统。1978 年首次采用地面增压实现高压射流辅助钻井，此后大致经过 3 个阶段，泵压也从10 12 MPa 提升至 18 20 MPa。由现场应用情况可知，当泵压增大时，钻头转速也会相应提高26。2009 年后，国内又进一步开展了 35 MPa 高压喷射钻井实验，在此基础上，将钻压进行合理分配，对钻井施工方案进行优化后，有效提高了钻井效率。但在超深井段钻头压降仅有 3 MPa 左右，且机械钻速仅比常规钻井提高了 40%，因此还需要对提高超深井段的水力能量利用率进行进一步研究。同时，35 MPa高压喷射钻井仍处于试验阶段，无论是配套钻井系统还是安全措施都距离大规模应用有较大的差距27-28。综上，地面增压的发展朝着大泵压和大排量方向发展，40 MPa 以上压差的相关技术仍需重点展开研究。虽然地面增压系统有危险性高和生产成本高等诸多问题，但由于其在现场试验所取得的钻井效果让人们看到了高压射流辅助钻井的巨大潜力。在此之后，如何使高压钻井液处于井底而非全井段成了研究核心，相关学者开始对井下增压系统进行了相关的研究。2.2井下增压器相关学者借鉴双管高压射流系统中小规模超高压射流和大规模常压射流结合的思路，将井下增压器安装在了钻铤与钻头之间。通过常规钻柱以正常流量将钻井液泵入增压泵，井下增压泵只需对少量的钻井液进行增压用于辅助破岩，其余常压钻井液图3有无射流花岗岩切削过程高速摄影与红外热成像对比图（资料来源：本文参考文献 23）图4双管柱高压射流辅助钻井系统示意图（资料来源：本文参考文献 25）2023 年第 43 卷 120 天 然 气 工 业由低压喷嘴喷出。这需要对钻头进行相应的改进，超高压射流所配套的钻头内部通常设置有超高压管，上部连接井下增压泵出口，下部通过钻头内加工的流道与超高压射流喷嘴相连。超高压喷嘴通常安装在钻头的刀翼上和切削齿的后面，使得超高压射流有效打击岩石表面，并结合切削齿进行联合破岩。国外首次井下增压试验开始于 1993 年，美国FlowDrill 公司和天然气研究院合作研制出了井下高压泵29，并于 20 世纪 90 年代进行了两次井下高压泵现场试验。试验结果显示，增压后的钻井液压力达到了 240 MPa，钻头钻速提升了 2 倍左右。但由于井底空间狭窄、井下增压泵的体积较小且压力较高，通常在井下工作 40 h 后便会出现故障，因此不适合大规模应用。FlowDrill公司后续又与美国能源部（DOE）研发出了第二代井下增压泵30，该样机可将井底约7%的流体增压至 207 MPa，其与双管柱高压射流辅助钻井系统类似，高压流体经过三牙轮钻头的加长喷嘴后形成高压射流，可有效辅助钻头进行破岩。但其相较于第一代增压泵的寿命没有太大提升，远远达不到在工业领域大规模应用的要求。随着连续油管的发展，美国 Maurer Engineering Inc.公司设计出了一种可用于连续油管钻井的增压器31，其结构如图5 所示。该增压器内部采用金刚石止推轴承和钛制挠性轴，能够承受高扭矩和轴向载荷。根据室内试验结果来看，该钻井系统可提高钻井速度约 2 倍。同时，根据现场对不同地层的钻探试验，该钻井系统的机械钻速提高了 1.3 6.0 倍。井下失效时仍可按常规钻井方法继续钻进，其可靠性测试取得了较好的结果。2004 年，在中原油田文407 井和胡 129 井对进一步改进的二代样机进行了现场试验32，结果显示该增压器的工作寿命达到了41 h。除此之外，王希勇等33充分利用井底水力能量，将钻井过程中循环流动的钻井液作为增压源，研制出水力增压式井下增压器，增压器共振腔内接近上喷嘴处均布置多个等径圆孔，可以将环空流体能量作为外加激励用于增压。通过实验，该增压器在合理配置增压器参数的情况下，卷吸作用可自增 20%的流量，最大冲击力可达自激振荡的 2 倍。钻柱在钻井过程中会经常产生振动，这种振动会严重影响钻井效率，同时对钻柱和钻头也有损伤。因此，可将钻柱振动的能量用于井下增压，将钻柱减振与井下增压作用集为一体34，据此设计了出一种螺旋式井下增压器，其结构如图 6 所示，该增压器在对钻井液进行增压的同时，还能有效减振。井下增压器经历了几十年的发展，出现了基于各种原理的井下增压器，其功率和排量都有所增加，钻井效率也有相应的提升。但其寿命普遍较低且可靠性不高，因此后续的研究应将提高井下增压器的寿命和可靠性作为重点。除了采用增压器对射流进行增压，有学者将研究方向转向射流研究，拟通过改变射流类型和射流介质等方式以达到提高钻井效率的目的。3先进射流辅助钻井研究现状由于目前的增压系统难以持续增压，故可采用先进射流方式，提高射流辅助钻进提速效果。先进射流是在常规连续射流基础上，通过改进其射流特征、射流介质等方式发展而来，改进后的射流往往具有更低的破岩门限压力、更少的用水量和更好的携岩效果等。先进射流辅助钻井主要包括脉冲射流、磨料射流和 CO2射流等。3.1 脉冲射流辅助钻井高压脉冲射流的冲蚀能力较强，可在低于硬岩抗压强度下产生尺度较大的体积破坏，是一项比能耗较低的硬岩破碎技术。根据射流生成方式，可分为挤压式、截断式和激励式 3 种类型。其中，自激振荡脉冲射流由于结构简单，无附加外驱动机构等优点，是一种很有发展前景的射流技术。20 世纪 80 年代，Chahine 等35提出了自激振荡射流这一概念，并在此基础上设计出了一种自激振荡喷嘴系统，该自振喷嘴系统是由 Helmholtz 振荡腔、图5井下增压器结构示意图（资料来源：本文参考文献 31）国内对井下增压器的研究相较于国外起步较晚，我国的专家学者们于 20 世纪 90 年代才首次对井下增压进行研究，经过 30 余年的研究，已取得了一定的进展。中国石油勘探开发研究院于 1996 年研制出了第一代全尺寸样机，现场试验数据表明，该样机的工作压力可达 150 MPa，总工作时间超过 100 h，但未能达到实际生产和现场应用条件。随后，相关学者对一代样机进行改进，设计出第二代样机。该增压器在第 8 期 121 蔡灿等：高压射流辅助钻井技术研究现状及发展趋势管风琴管段组成。后续通过脉冲射流和连续射流破岩对比实验，发现自激振荡脉冲射流在破岩和清洁方面都具有更好的效果36。国内学者在进行相关实验后，也得到了类似的结果。在此基础上，Sami 等37首次提出利用 Helmholtz 振荡器形成自激振荡脉冲射流，利用振荡器内射流剪切层的不稳定扰动，将其扰动的流体碰撞反向传播至射流上游，形成不断增强发展的漩涡，使得射流以一定的脉冲频率震荡喷射出喷嘴。在国内，西南石油大学与重庆大学较早开展了自激振荡射流理论和实验研究38，采用 Helmholtz 振荡腔设计了牙轮钻头脉冲喷嘴，对比普通喷嘴钻头，自激振荡脉冲射流喷嘴瞬时冲击力提高 1.7 2.5 倍，有效喷射距离提高 1.5 2.0 倍，井底能量提高 1.438倍，机械钻速提高 14.2%35.67%。除此之外，通过改变自激振荡喷嘴，还可以产生具有较好破岩能力的空化射流，结合现场条件研制出自振空化射流钻头喷嘴39。与普通中长喷嘴钻头相比，自振空化喷嘴钻头的钻井速度提高 10.5%49.3%，平均机械钻速提高 31.2%，具有很好的开发应用前景。在证实脉冲射流在破岩领域的优越性后，脉冲射流的破岩影响参数成为了研究重点。基于此，建立了自激振荡脉冲射流装置的网络模型，对其固有频率特性的影响因素进行了研究，并据此提出了喷嘴的设计准则40。后续，庞惠文等41进一步对自激振荡脉冲射流进行研究，设计出了一种结构简单内部无可动部件的自激脉冲射流装置，其结构如图 7 所示。从现场应用情况来看，该脉冲装置可显著提高产量。图6螺旋式井下增压器结构示意图（资料来源：本文参考文献 34）图7自激脉冲射流装置结构示意图（资料来源：本文参考文献 41）通过国内外大量学者的不断探索，高压水射流破岩机理得以建立和发展，高压脉冲水射流破岩是其中一个重要的分支，涉及到复杂的流场结构和流固耦合关系。在实际工程应用中，该技术仍需基于现有理论进行系统分析和拓展。3.2磨料射流辅助钻井磨料射流是 20 世纪 80 年代开始快速发展的一种新型射流技术，通过在钻井液中加入一定量的硬质粒子，从钻头喷嘴以高速射流的形式对岩石进行冲击破碎。磨料射流可将水射流的连续作用转变为磨料粒子的不连续作用，从而能大幅提高射流的破岩效率。磨料射流根据磨料颗粒加入的方式可分为前混合和后混合，对比发现，在相同的射流压力下，前混合磨料射流的切削效果比后混合磨料射流的切削效果好。但前混合磨料的喷嘴内部流场中存在大量高速磨料颗粒，因此采用前混合磨料时喷嘴的磨损会更加严重42。相较于前混合磨料射流，后混合磨料射流的结构更加简单。有关后混合磨料射流的研究结果表明，许多磨料颗粒在与水射流混合的过程中，被水射流打击后相互碰撞成更小的磨料颗粒，因此磨料射流的冲蚀能力有所减弱43。影响磨料射流破岩效率的因素较多，对磨料射流破岩参数敏感性进行研究发现44，最佳破岩的喷射压力和横向速度均2023 年第 43 卷 122 天 然 气 工 业存在阈值，必须超过该阈值后才能进行高效破岩。并且每种切削材料都具有饱和切削深度，但需要极高的喷射压力和低横向速度才能实现。磨料射流经过一段时间的发展和研究，出现了多种不同的磨料射流介质。磨料液氮射流就是其中之一，将其与磨料水射流进行破岩比较后，发现液氮磨料射流破碎高温岩石过程中，由于流体水楔作用、热应力作用和高速颗粒撞击等多种方式共同促进岩石破碎，因此射流在高温花岗岩上形成的射孔体积更大45。除了射流介质，李晓红等46-47对射流喷射形式进行了改进，将磨料射流与脉冲射流结合，得到了更好的破岩效果和切削效率。另外，旋转磨料射流也可使磨料颗粒获得更大的轴向和切向速度，显著提高破岩效率48，其喷嘴结构如图 8 所示。针对上述突出问题，高压 CO2作为钻井液能够提高油气产量、降低难度和减少环境污染，且相较于水射流而言，高压 CO2具有更低的破岩门限压力、更强的冷却效果和更快的携岩速度。Kolle50于 2000 年首先在泥岩、大理石、花岗岩等岩石上完成了超临界CO2射流破岩实验。结果表明，超临界 CO2的破岩门限压力仅为水射流的一半左右，Kolle 将其归功于超临界 CO2的低黏度和高密度，但并未得到理论的支撑，仅能看作一种猜测。国内不少学者也对超临界 CO2的破岩机理进行了研究，杜玉昆51建立了超临界 CO2钻完井模拟实验系统，对超临界 CO2对岩石强度的影响作用规律和破岩效果进行研究，结果表明超临界CO2射流的破岩深度是水射流的 1.65 7.85 倍，并且井底环境温度对超临界 CO2的影响较大。随着温度的升高，其破岩性能急剧增加，因此具有应用于破岩钻井的巨大潜能。国内外多次实验后，证明了超临界CO2破岩效率明显强于水射流，进而超临界 CO2的破岩机理和影响因素成为研究重点52-53。在众多学者的共同研究下，超临界 CO2射流的破岩机理和影响机制已基本清楚，但对超临界 CO2射流辅助 PDC 齿破岩的研究仍然欠缺。蔡灿等54开展了超临界 CO2射流PDC 齿联合破岩实验，采用 SPH/FEM（光滑粒子流体动力学/有限元方法）建立数值模型，结合实验与数值模拟研究，发现高压 CO2射流辅助破岩能有效降低刀具温升和增大应力波的范围，如图 9 所示。图8旋转磨料射流喷嘴结构图（资料来源：本文参考文献 48）综上所述，磨料射流在辅助破岩领域具有相当大的优势，目前国内外对磨料射流破岩机理的研究相差不大。在应用层面，虽然前混合磨料射流的破岩效率远超后混合磨料射流，但国内对于前混合磨料的研究仍有不足，限制了前混合磨料射流的应用。在后续的发展中，应进一步提高磨料射流的破岩和井底混料与输送效率，同时还需要尽可能减少喷射过程中磨料的消耗。3.3CO2射流辅助钻井深层油气藏已成为当前和未来一段时间油气勘探开发的最重要领域之一，但是深部地层岩石硬度高、可钻性差，并且高温高压的井底环境有可能造成岩石内部矿物晶间胶结物活化性能增加，导致岩石强度降低、塑性增强、切削性发生较大的变化49。虽然有学者对钻头破岩的力学规律进行了研究，并取得了一定的进展，但对深部地层的钻探仍亟需开发一种适用的高效破岩钻进新方法。图9单 PDC 切削齿切削与复合破岩应力场对比分析图（资料来源：本文参考文献 55）第 8 期 123 蔡灿等：高压射流辅助钻井技术研究现状及发展趋势同时对影响射流的相关参数进行了分析56-57，研究发现，喷嘴直径介于 1.5 2.5 mm，射流角度为 60 时，高压 CO2的破岩效果最佳。并且高压 CO2射流能显著降低切削齿温升，有效减小刀具损耗。基于大量试验和数值模拟结果，高压 CO2破岩理论依据得到了很好的补充和拓展。此外，基于 SpanWagner 方程和高压 CO2射流理论，建立高压 CO2射流的半解析方法，对高压射流理论计算方法进行了研究55。验证了结合数值模拟和实验结果，拟合度较好，可有效计算 CO2射流的物性分布。高压CO2射流已在钻完井领域得到了广泛的应用，可有效提高破岩、携岩和压裂的效率。但相较于常规钻井，CO2射流的井底压力控制更加复杂，且 CO2气体在井底和环空段的流动规律也尚不清楚，仍需要进一步的研究。同时，如果采用超临界 CO2射流，温度和压力对其相关物理性质的影响也亟需更加明确。通过对上述 3 种先进射流进行分析，分别总结出其特性，如表 1 所示。表13种先进射流特性总结表类型特征优点缺点脉冲射流间断射流，利用水力冲击进行破岩能量利用率高，冲蚀能力强工艺要求较高，制造和安装较复杂磨料射流射流中含有磨料粒子，可加剧岩石的破碎能量高度集中，兼具持续与瞬时冲击前混合磨料射流对喷嘴的磨损较大CO2射流黏度低、密度低、扩散性好破岩门限压力低、冷却效果好使用条件苛刻，溶于水对设备有腐蚀作用由表 1 可看出，相较于常规水射流而言，3 种先进射流都有其独特的优势。其中，脉冲射流具有较高的能量利用率，可在消耗较少资源的情况下进行高效破岩，但其设备的制造工艺要求较高；磨料射流由于磨料颗粒的作用，使得射流兼具持续和瞬时冲击，但同时对喷嘴也会有磨损；CO2射流由于其低黏度、低密度和高扩散性等特征，使得破岩和冷却效果都大大强于水射流，具有良好的应用前景，但为了更好地适配CO2射流，其配套设备需进一步提高耐腐蚀性。4结论与展望1）高压射流辅助钻井是钻井提速提效的重要手段之一，国内外围绕 40 MPa 压差以上超高压射流的地面增压与井下增压技术开展了相关基础研究，尤其是超高压射流辅助钻井的破岩、携岩基础理论与配套钻具，先进射流辅助钻井可有效解决当前钻井领域的关键难题，但其破岩基础理论仍需进一步探索。2）现有地面增压泵已实现 30 35 MPa 喷射压差，为提高钻井破岩效率及携岩效果，未来地面增压泵需要进一步提高排量和泵压，以提供更大的井底喷射压力，更好的井底喷射钻井破岩及携岩效果，但还需提高整个钻井水力循环系统的可靠性。3）井下增压器大规模应用还存在使用寿命和可靠性的瓶颈，其主要原因在于井下空间对增压器的结构限制，高温高压环境下换向、密封等元件可靠性差及装置整体寿命较短。因此，在后续井下增压器的研究中，应将增压器关键零件寿命及装置高可靠性作为主要研究内容。4）高压 CO2射流具有良好的开发应用前景，其破岩效率明显强于常规水射流，未来还需要结合 CO2气体欠平衡钻井工程问题，对其井下钻井装备和工作效果开展研究。参考文献 1 王瑞和,倪红坚.高压水射流破岩机理研究 J.石油大学学报(自然科学版),2002,26(4):118-122.WANG Ruihe,NI Hongjian.Research of rock fragmentation mechanism with high-pressure water jetJ.Journal of the University of Petroleum,China,2002,26(4):118-122.2 倪红坚,王瑞和.高压水射流射孔过程及机理研究 J.岩土力学,2004,25(增刊 1):29-32.NI Hongjian,WANG Ruihe.Study on progress and mechanism of high pressure water jet perforationJ.Rock and Soil Mechanics,2004,25(S1):29-32.3 江红祥,杜长龙,刘送永,等.高压水射流冲击破岩损伤场分析 J.中南大学学报(自然科学版),2015,46(1):287-294.JIANG Hongxiang,DU Changlong,LIU Songyong,et al.Numerical analysis on damage field of rock fragmentation with water jetJ.Journal of Central South University(Science and Technology),2015,46(1):287-294.4 HE Lipeng,LIU Yanbao,SHEN Kai,et al.Numerical research on the dynamic rock-breaking process of impact drilling with multi-nozzle water jetsJ.Journal of Petroleum Science and Engineering,2021,207:109145.5 GE Zhaolong,CAO Shirong,LU Yiyu,et al.Fracture mechanism and damage characteristics of coal subjected to a water jet under different triaxial stress conditions