[发明专利]一种超声波振动钢粒射流冲击辅助钻进系统及方法

说明书

一种超声波振动钢粒射流冲击辅助钻进系统及方法，属于地下工程钻井技术领域，系统包括钻杆、钻井平台、超声波振动钻头、浆液钢粒搅拌混合装置、高压泵、阀板式防喷器、旋转储罐式粒子回收系统和全自动罐式粒子连续注入系统，超声波振动钻头与钻杆螺纹连接；浆液钢粒搅拌混合装置、高压泵、阀板式防喷器、旋转储罐式粒子回收系统和全自动罐式粒子连续注入系统之间通过管线连接。方法采用上述超声波振动钢粒射流冲击辅助钻进系统进行钻进，本发明首先利用高速的钢粒和浆液混合流体对岩石产生初次损伤，再将超声波振动直接作用于钢粒，使钢粒产生高幅值高频率冲击作用，对岩石进行二次冲击破坏，进一步弱化岩石，进而极大地加速硬岩钻进速率。

技术领域

本发明属于地下工程钻井技术领域，具体地，涉及一种超声波振动钢粒射流冲击辅助钻进系统及方法。

背景技术

根据全国资源潜力评价报告(2014年)，我国矿产资源2000米以浅的预测资源量巨大，重要矿产资源的预测资源量都超过已探明资源量的两倍，因而我国深部矿产资源潜力依然巨大，向深部要资源可进一步满足社会不断发展和人口不断增长带来的对能源和资源的高需求。另一方面，为了探寻环境温度变化规律、揭示地球深部物质组成、探索地球演变过程等，科研界对深部及超深部科学钻探的需求也日益增长。

而随着勘探深度的增加，在施工成本增加的同时，难度也在不断增大。难度增大主要体现在：地层深度越深，地应力相应地也会提高，进而导致钻遇硬岩的比例增大，常见的如花岗岩、花岗闪长岩等。而硬岩由于其致密和强度高等特点，导致在钻进过程中普遍出现钻头磨损严重、钻进功效降低等问题。

为解决硬岩钻进难题，提出了各类辅助碎岩技术，其中，对于超声波振动辅助碎岩技术，利用共振，即与岩石固有频率相同的振动频率，对岩石进行高频冲击，使岩石裂隙加速扩展形成疲劳破碎的原理，将高频振动、静压与回转力三者结合在一起，达到加速碎岩的目的。

目前超声波振动辅助钻进技术主要存在以下问题：

(1)加速硬岩破碎速率的程度依旧有限，使岩石发生显著弱化的时间超过2分钟，因而与常规硬岩钻进技术相结合后存在滞后的缺点(详见学位论文“超声波激励岩石破碎影响因素实验研究”)；

(2)现有超声波振动钻具(详见专利文献号201610051518.7，201510078522.8，201420090605.X)将超声波振动装置都安置于钻头胎体内，而未与岩石直接接触，根据动能守恒定律，超声波振动首先传递至胎体，由于胎体质量大，胎体产生的振动幅值将显著下降，因而会进一步弱化超声波振动碎岩的效果。

对于钢粒射流冲击技术，在浆液中注入钢粒，混合浆液经特殊设计的钻头得以加速，用于冲击孔底岩石，一定程度上提高了碎岩效率。

目前钢粒射流冲击技术主要存在以下问题：

钢粒射流冲击技术的射流元件流体出口尺寸较小(钢粒磨料射流在石油工程中的应用)，因而在孔底岩石中产生的破碎穴尺寸较小(直径1cm左右，详见学术论文“颗粒水射流冲击下岩石损伤场的数值模拟与试验验证”)，而对于深部高应力条件，小尺寸破碎穴对于岩石整体强度弱化作用较小，特别当钻进孔径较大时，虽然在孔底中心出现了破碎穴，但钻头切削齿所接触处岩石的强度依旧较大，因而切削速率低下，钻头切削和射流冲击两者产生了时间差，导致低能量利用率(详见学术论文“Numerical simulation andexperimental verification of the rock damage field under particle water jetimpacting”)，发挥的钢粒射流冲击作用有限。

发明内容

有鉴于上述背景技术存在的问题，本发明旨在提供一种超声波振动钢粒射流冲击辅助钻进系统及方法，首先利用高速的钢粒和浆液混合流体对岩石产生初次损伤，再将超声波振动直接作用于小质量的钢粒上，使钢粒产生高幅值高频率冲击作用，对岩石进行二次冲击破坏，进一步弱化岩石，进而极大地加速硬岩钻进速率。