石油圈
隨著淺層油氣資源逐漸枯竭，勘探開發重點逐漸轉向深部硬地層和復雜地層。隨著深井與超深井鉆井數目逐年增多，“向深層要油”與鉆遇深部硬地層和強研磨性地層時面臨鉆速慢、周期長、成本高的矛盾日益突出，嚴重制約著深層油氣資源勘探開發的速度和效益。粒子破巖鉆進技術的出現為突破這一技術瓶頸帶來了希望。
該技術通過粒子注入系統將高硬度、高研磨性的粒子按照合適的比例注入到鉆井液中，粒子經鉆柱到達粒子沖擊鉆頭（particleimpactdrillingbit，PID鉆頭），隨鉆井液由噴嘴高速噴出，高頻沖擊地層破碎巖石，之后隨巖屑被鉆井液攜帶返至地面，通過粒子回收系統回收、分離、循環利用。
與傳統破巖技術相比，該技術用于硬地層具有提速增效的優勢，一是粒子射流的破巖門限壓力低，破巖速度快，單位時間內粒子射流的破巖體積是水射流的4倍多；二是采用體積破碎方式，破巖比功小，能量利用率高；三是所需鉆壓和扭矩較常規鉆井小，減少了鉆柱的疲勞破壞和鉆頭磨損，縮短了鉆井周期。
據預測，使用該技術在硬地層鉆一口井可節省約1/3的鉆井時間。但目前對該技術的研究仍處于起步階段，僅美國一家公司進行了工業性試驗。筆者結合近年來的研究工作實踐，在對國內外的研究進行廣泛調研的基礎上，對該技術研究進展和未來發展趨勢進行總結和分析，以期為今后的研究提供指導和借鑒。
1 粒子破巖鉆進技術的發展
美國工程師CurlettHB、SharpDP和GregoryMA受射彈沖擊破巖思想的啟發，于2002年提出“粒子沖擊破巖鉆進”的鉆井新思路，之后成立粒子沖擊鉆井公司（particledrillingtechnologyInc，PDTI），并于2005年在鹽湖城鉆完井實驗室進行了粒子破巖鉆進的地面全尺寸模擬試驗，改進并完善了地面系統和井下破巖工具。2006年之后，PDTI公司陸續在猶他州、德克薩斯州東部進行了多次現場鉆井試驗，使地面系統和破巖工具逐步成熟。直到2012年，第三代粒子沖擊鉆井系統的現場試驗極大地加快了該技術工業化應用的步伐?，F場試驗表明，在相同條件下，粒子破巖鉆進可提高機械鉆速2～4倍。另外，PDTI公司研究了低剪切鉆井液對粒子懸浮的性能，并對該技術在隨鉆擴孔、取心、射孔等工藝上的應用進行了探索。
中國的粒子破巖鉆進技術還處在理論研究、單元試驗和設備試制階段。中國石油大學（華東）、西南石油大學、中國石油川慶鉆探工程公司等高校和企業針對該項技術先后展開了系統的研究，取得了一些進展。中國石油大學（華東）已研發出國內首套完整意義上的粒子沖擊鉆井系統，并與中國石油川慶鉆探工程公司聯合，于2013年在西南油氣田龍崗022－H7井須家河組成功地進行了國內首次現場試驗，在須家河這個鉆井“硬骨頭”層位實現了快速鉆進，驗證了粒子破巖鉆進技術鉆井工藝的可行性，達到了粒子沖擊鉆井系統功能性試驗的目的。
2 粒子沖擊鉆井地面系統
粒子沖擊鉆井地面系統主要包括粒子注入、粒子回收兩大部分，其功能是將粒子注入高壓鉆井液并在井口返出的鉆井液中回收完好粒子，實現粒子循環利用?；镜脑O計布置是分別將注入系統和回收系統撬裝到運載車，便于設備的運輸、安裝和使用。
2.1 粒子注入系統
粒子注入系統是粒子破巖鉆進技術實現的前提，如何連續、穩定地將粒子注入高壓鉆井液是國內外十分關注的研究課題。
目前，國外的粒子注入系統已相對成熟，由第一代發展到第三代，其核心在于粒子以何種方式、通過何種裝置注入鉆井液。第一代壓差引射式粒子注入系統，當鉆井液從粒子料斗下快速流過時，利用射流泵原理，造成料斗上下產生壓差，并通過壓差控制注入的粒子量。但由于壓差穩定性難以控制，使粒子注入不均勻，且不能連續注入粒子。
第二代為塔式粒子注入系統針對第一代系統的問題進行改進：
（1）采用螺桿擠壓的方式將粒子以一定的速率壓入高壓主管匯中；
（2）粒子與鉆井液兩級混合；
（3）兩根粒子注入管確保粒子連續注入。但注入管采用細長管，設備較高，不便于運輸，且該系統控制閥門較多，使粒子注入流程復雜，自動化控制程度較低，在現場應用中受到了限制。
為克服前二代注入系統的缺陷，PDTI公司設計出第三代全自動罐式粒子連續注入系統。該系統采用模塊化、集成化設計思想，結合以上兩代系統的優點，做了以下改進：
（1）采用螺旋輸送機實現粒子注入的均勻性和穩定性；
（2）將兩根粒子注入細長管改為三套高壓粒子注入罐；
（3）設置監控中心，集成粒子注入系統。
國內對粒子注入系統的研究已形成水力注入式和機械注入式兩類注入方式。水力注入借鑒了前混式磨料射流發生系統中磨料的注入方式，基本原理與國外第一代粒子注入系統相似。
機械注入主要采用螺旋輸送或旋葉輸送方式將粒子注入。在正常工作時，由動力單元傳動至減速箱帶動螺旋軸轉動，帶動螺旋葉片旋轉，由旋轉的螺旋葉片把粒子推至出料口，這與國外第三代粒子注入系統的注入方式類似。但螺旋輸送機結構比較復雜，不便于裝卸，且密封易發熱失效，影響工作的可靠性。為此，設計出采用葉輪旋轉刮進的旋葉式輸送機。工作時，電機或液壓馬達通過傳動裝置帶動葉輪轉動，同時粒子在自重條件下從粒子罐中均勻落入葉輪料槽，當轉至出料口時粒子在自重條件下排出，粒子的濃度可通過調節葉片轉速控制。
中國石油川慶鉆探工程公司與中國石油大學（華東）合作，提出一種雙柱塞式粒子連續注入系統。該系統的兩套注入缸通過高壓連接閥交替連接主管匯，柱塞桿在注入缸內交替往復直線運動，實現粒子的吸入和推出，即當一個注入缸連通主管匯，并注入粒子時，另一個注入缸與主管匯斷開，其中的柱塞桿向后運動，吸入儲罐中的粒子。與其他系統相比，該系統無需高壓罐和輸送機等一系列高壓配套設備，大幅降低對注入系統的承壓要求，提高了作業安全性，且系統結構簡單，給運輸和安裝帶來極大方便，具有較高的應用前景。目前正對該系統
2.2 粒子回收系統
粒子回收系統是集粒子回收、分離、儲存于一體的集成化系統。如何有效回收返出鉆井液中的完好粒子是該領域研究的重點。
國外的粒子回收系統通過振動篩、磁性分離器和環形分離器等設備，實現鉆井液、粒子和巖屑的分離以及對好壞粒子進行分選，分選出的完好粒子經洗凈、烘干后進入轉動的滾筒，并在需要時將其再次送至粒子注入系統，循環利用。
在國內首次粒子沖擊鉆井現場試驗中，使用的是靜止雙罐式粒子回收系統，以兩個立式容器作為粒子的存儲裝置。井口返出的含粒子鉆井液經振動篩、磁選機和分選裝置后，將可再次利用的粒子分離并輸送至立式儲罐儲存。該系統雖能達到粒子回收、分離、儲存的基本功能，但存在幾個問題：
（1）由于采用靜止立式儲罐，粒子易在罐中黏結成塊；
（2）系統不能同時進行粒子回收和輸出；
（3）無法精確控制粒子的輸出量。
為解決上述問題，中國石油大學（華東）高壓水射流研究中心研制出旋轉儲罐式粒子回收系統，旋轉儲罐是該系統的核心部件，通過特別設計的內外筒結構和篩桶部件，使外筒正轉時攪拌粒子，防止黏結成塊，反轉時輸出粒子，實現粒子的邊進邊出，滿足粒子回收與輸送的連續工作要求。通過整個回收系統的功能性和工作穩定性試驗，該系統回收粒子的效率在95%以上，持續運轉100h，未出現明顯故障，完全能夠滿足現場的應用要求。
2.3 地面系統的使用壽命
地面系統的使用壽命是影響粒子破巖鉆進技術推廣應用的關鍵。2006年9月，PDTI公司在Uinta盆地開展的現場試驗中，高壓作業使鉆井液閥失效，部分設備損壞，試驗被迫中止。2007年1月，PDTI公司在猶他州進行的一次現場試驗中，由于地面一段管線的彎曲處被粒子擊穿，造成一個止回閥失效，導致試驗終止。經過對閥門和密封的改進及材料的優選，直到2011年，地面系統的壽命才得到較大改善。中國在2013年的首次現場試驗中，由于螺旋輸送機的聯軸器破裂，整個粒子循環過程終止，粒子沉積導致螺旋輸送機部分堵塞，影響了該技術性能的發揮。
由于粒子沖擊鉆井地面系統的工作介質是含粒子鉆井液，對密封、鉆井液閥等的使用壽命提出更高的要求。中國石油大學（華東）高壓水射流研究中心采用車氏密封并設計循環冷卻結構解決旋葉式輸送機的密封失效問題，樣機在50r/min、25MPa條件下穩定運行280min，未發現明顯滲漏，機筒溫度維持在36℃左右，冷卻效果良好。北京化工大學通過特殊設計閥板的閥孔及閥座的閥孔交界處的倒角結構，使鉆井液閥具有防夾卡粒子的功能，應用瞬態動力學仿真分析發現，閥門在關閉時，處于閥板和閥座間的粒子被自動擠出，可延長閥門的使用壽命。
3 粒子破巖鉆進提速機制
粒子破巖鉆進技術改變了常規鉆井切削井底巖石的方法，在粒子射流直接破巖或聯合牙齒破巖的作用下，提高硬地層的機械鉆速。對粒子破巖鉆進提速機制的研究主要集中在粒子沖擊動載作用、應力波損傷軟化作用和射流－機械聯合破巖作用。
3.1 粒子沖擊動載作用
粒子射流沖擊到巖石表面，在沖擊載荷作用下形成巖石破碎坑。眾學者均采用非線性動力有限元方法模擬研究粒子破巖過程，從能量轉換和受力的角度探討沖擊動載作用下巖石破碎的機制。
從能量的角度分析，若粒子和巖石組成一個能量系統，粒子的動能即為碰撞前的總能。碰撞后，系統的總能轉化為巖石的內能（促使裂紋生成、擴展和匯聚）、粒子回彈的動能、巖屑的動能以及少量的能量損耗。其中，巖屑的動能以及能量損耗均可忽略?？梢岳脦r石對能量的吸收率（巖石的內能占系統總能的百分比）反映碰撞效率，研究發現，能量吸收率并不隨粒子沖擊速度增大而無限升高，而是存在一個能量吸收率較高的速度區間，這是因為巖石無法大量吸收粒子沖擊過程中所耗散的塑性變形功，導致粒子回彈速度較快，具有較高的回彈動能。
從受力的角度分析，粒子沖擊井底巖石所產生的應力與切削齒產生的應力的差別就如同用冰釬和錘子破冰產生的應力差別。如果用同樣的力，因冰釬的接觸面積小，會產生更高的瞬時沖擊接觸應力。此接觸應力使巖石瞬間形成壓縮破碎和初始裂紋，強大沖擊波所引發的環向拉應力及應力波反射拉應力使裂紋擴展和二次裂紋形成，裂紋匯交貫穿形成破碎塊度，使巖石成塊或成片運動，形成沖蝕漏斗。
3.2 應力波損傷軟化作用
粒子撞擊巖石的瞬間，粒子的部分動能以應力波的形式在巖石中傳播，沖擊應力波透射入巖石內部，當遠離粒子撞擊點后，沖擊應力波衰減迅速，由于能量密度的降低，在巖石內部產生的微裂隙雖不至于引起巖石的完全破裂，但增加了巖石的損傷程度，導致巖石的強度、孔隙度等物理力學性質發生變化，改善了巖石的可鉆性。
對粒子沖擊應力波損傷軟化作用的研究仍處于定性描述的階段。當遠離粒子撞擊點后，應力波會引起巖石的部分損傷，但關于巖石的損傷程度如何、應力波如何影響微裂隙的產生等問題，尚未深入__研究。目前對應力波作用導致巖石內部微裂隙的產生、發育、貫通過程的研究主要集中于地震、巖體爆破等領域。在理論研究中，損傷模型理論的出現為巖石破碎的研究提供了新的理論工具和思維方法，通過建立巖石損傷演化模型，研究應力波在損傷軟化巖石過程中的傳播規律、主要特點及巖石損傷演化狀況；在試驗研究方面，主要利用霍普金森（SHPB）沖擊系統，對不同波長、波幅、頻率等應力波作用下巖石類孔隙介質的動力學響應、應力傳遞模式和變形破壞機制進行了研究；在數值模擬方面，主要采用RFPA3D、FLAC3D等模擬微裂隙的擴展貫通過程，得到三維裂隙的產生、表面裂隙的斷裂及強度特性、擴展及貫通規律。
3.3 射流—機械聯合破巖作用
射流—機械聯合破巖的過程是充分利用粒子射流和牙齒的各自優勢，在多作用耦合下實現共同破巖的過程。粒子射流的沖擊在井底形成連續破碎坑或巖石環，使井底巖石裸露，裸露自由面越多，破碎巖石所需單位體積破碎功越小，且巖脊與周圍巖石連接力小，加之粒子沖擊應力波的損傷軟化作用，便于牙齒的機械破巖。粒子的沖擊和牙齒的機械力作用，在巖石中形成微裂紋，高壓水擠入這些微裂紋，產生水楔作用，從而降低巖石破碎強度。
由于高壓水射流技術在采礦與石油等行業中的廣泛應用，射流－機械聯合破巖的研究多指高壓水射流輔助刀具破巖，側重于井底水力能量的分配，以達到最優的井底凈化效果，提高機械鉆速，而對粒子射流－牙齒聯合破巖的研究甚少。概括射流－機械聯合破巖的研究成果，水楔脹裂理論模式、沖蝕破碎理論模式、聯合破碎理論模式獲得較多認可。聯合破碎理論模式認為，機械刀具和水射流二者達到一種耦合的效果時，既可降低射流壓力提高破巖速度，又可降低切屑齒受力，從而減少齒的磨損。
4 井下破巖工具
鉆頭是破碎巖石的主要工具，其設計及選用直接影響鉆井速度、鉆井質量和鉆井成本。關于PID鉆頭的破巖方式，PDTI公司經過一系列的試驗研究與對比，認為“領眼+擴孔”的破巖方式有利于提高粒子射流破巖效率，并據此設計了PID鉆頭。該種鉆頭完全依靠粒子沖擊和水力能量破碎井底巖石，通過中心噴嘴的布置，能夠在井底中間部位沖擊出一個“領眼”，從圍巖中釋放原始地應力，領眼壁面和底部巖石暴露，原來呈壓縮狀態的巖石分別沿徑向和向上釋放壓縮能量并逐漸膨脹，使巖石承受拉伸作用，初始裂紋在拉應力的作用下匯聚、貫通，即因卸載引起巖石拉伸破壞。同時，第一側噴嘴噴出高速粒子射流，沖擊領眼孔壁，對領眼擴孔，增加領眼的影響范圍，第二側噴嘴負責沖擊井壁巖石，保證形成足夠大的井眼，以便通過保徑齒修整井壁。
但“領眼+擴孔”的破巖方式實施較為困難：由于完全依靠粒子沖擊和水力能量破巖，要求射流速度大于150m/s，需要較大的鉆頭壓降，給地面設備泵的性能及管線和閥門的使用壽命帶來巨大挑戰；采用“吊打”的方式鉆進，即使通過室內試驗獲得最優噴距，在鉆進中送鉆控制存在較大困難。
綜合考慮中國實際鉆井條件和地層巖性，中國石油大學(華東)高壓水射流研究中心根據“粒子沖擊+機械擠壓”的破巖方式，提出PID鉆頭概念模型。該種鉆頭以高速粒子沖擊破巖為主，機械牙齒擠壓破巖和水力破巖為輔。兩個側翼噴嘴和中心噴嘴以一定角度布置在側翼底部和鉆頭中心體上，通過特殊布局，粒子射流沖擊破碎井底巖石形成巖石環脊，暴露巖石自由面，鉆頭中心體上的硬質合金齒在低鉆壓和低扭矩的作用下以擠壓、剪切的方式破碎井底巖石，實現快速鉆進。以體積破碎方式形成的大巖屑和粒子由較大的排屑槽進入環空，隨鉆井液返至地面。
通過計算流體力學方法(CFD)數值模擬研究井底流場特性是輔助鉆頭設計的一個重要方法。與PDC鉆頭相比，由于在井底的作用方式不同，PDC鉆頭井底流場關注的重點是井底的清洗和切削齒的冷卻，而PID鉆頭主要依靠粒子沖擊破巖，噴嘴在鉆頭上的徑向布置、角度和組合方式顯得尤為重要，流場應盡可能覆蓋整個井底，具有較高的射流能量利用率、良好的粒子和巖屑上返能力，同時減少了粒子對鉆頭本體的沖蝕。綜合考慮粒子在井底的滯留時間、對井底和刀翼的沖蝕速率等因素，利用離散相模型對直徑165.1mm的PID鉆頭的井底流場進行數值模擬，并采用加長噴嘴結構以減少粒子和流體的沿程能量損失。在西南油氣田龍崗022－H7井須家河組進行的粒子破巖鉆進技術現場試驗中，使用的以215.9mmHJT537GK牙輪鉆頭為原型的加長噴嘴PID鉆頭。
基于粒子破巖鉆進技術的研究和應用，探索性的提出了一種新型的井底直接調制式脈沖粒子射流鉆井方法。該方法把鉆井過程中產生的巖屑作為主要粒子來源，以在井口間斷投入鋼質粒子為輔助措施，調制成脈沖粒子射流，利用粒子射流與水力脈動的協同作用，提高破巖鉆進速度。通過數值模擬和室內試驗，設計了一套井底脈沖粒子射流調制工具，經現場實際試驗，取得了明顯的提速效果。
5 粒子破巖鉆進技術研究與發展趨勢
國內外的研究和工程實踐均表明粒子破巖鉆進技術在硬地層和強研磨性地層高效破巖鉆進具有巨大的發展潛力，但要使其成為一項高效、可靠的工程技術，還必須進一步加強以下研究：
1.粒子射流破巖機制。由于粒子射流破巖體系的復雜性和試驗方法、解析手段的局限性，使粒子射流的破巖機制難以客觀揭示，目前未能形成被普遍認可的理論模型。對單粒子或雙粒子破巖的三維非線性沖擊動力學問題的研究，與粒子流持續沖擊巖石的過程存在一定差異，其成果僅限于描述破碎現象的表面過程，而沒有涉及破碎過程的本質，對粒子射流破巖的實際應用和物理機制的探索難以形成有效指導。
在粒子破巖鉆進提速理論的研究中，須首先揭示粒子射流沖擊下巖石、粒子和高壓流體之間的耦合作用機制，為此須進一步加強符合深井高溫、高圍壓條件下的粒子射流沖擊破巖的數值模擬和試驗研究。在此基礎上，開展粒子射流與牙齒機械聯合破巖的理論分析與試驗研究，為PID鉆頭的設計提供理論依據。粒子射流對巖石的沖擊動載作用和應力波損傷軟化作用機制以及射流－機械聯合破巖機制研究是粒子破巖鉆進技術研究的前沿。
2.個性化的PID鉆頭設計。針對不同的地層，雖提出了PID鉆頭的概念模式，但缺乏對鉆頭噴嘴布置方式、鉆頭切削模式等實質性問題的深入研究，導致PID鉆頭的結構未能定型。鉆頭的設計應注重鉆井條件和地層的適用性，地層的巖性和軟硬程度不同，對鉆頭的要求及破巖機制也應不同，僅憑單一作用機制無法設計出適用于所有地層的PID鉆頭。
為此，須根據所鉆地層巖性開展多噴嘴組合射流破巖的試驗，結合井底流場的數值模擬和試驗測試，確定不同噴嘴位置、角度和組合方式下巖石的破壞形態。依據巖石破壞形態和射流－機械聯合破巖理論成果，確定鉆頭牙齒的布置方式、PID鉆頭結構參數和水力學參數。
3.粒子注入機制及系統。目前對粒子注入系統的研究重點都放在了相關注入設備的研制，只要保證粒子能夠連續、穩定地注入到鉆井液主管匯中即可，而忽略了均勻分布的粒子混漿的調制。根據磨料射流的研究成果，磨料若能均勻分布到鉆井液中，則能夠顯著提高水力能量利用率，提高射流的破巖效率。
相對于磨料射流，粒子射流具有固相“大粒徑、低濃度”的特點，針對粒子射流的液固兩相的相互作用機制、兩相射流中固相的分布特征等基本理論問題至今尚無系統研究。如何建立正確的粒子分散程度的評判標準、探索粒子的分布規律和影響粒子均勻分布的因素以及如何提高粒子在鉆井液中的均勻分布程度是該領域未來的攻關方向。
4.水力參數設計方法。粒子沖擊參數優選是關系粒子射流破巖效果的技術核心。根據所鉆地質類型，及時調整粒子沖擊速度、粒子濃度、粒子直徑等參數，可達到較高的破巖效率。由于單、雙粒子破巖的深度或體積有限，測量誤差較大，且數值模擬的準確性值得商榷，使以此為依據優選的粒子沖擊參數的取值存在較大爭論。
目前的粒子射流破巖試驗采用的后混合供料方式與粒子破巖鉆進技術采用的__前混合供料方式存在本質的差別，前者水力能量利用率遠不如后者，影響了粒子沖擊參數優選的準確性和可靠性。如何設計并開展地面全尺寸模擬井下工況的試驗，以確定合理的粒子沖擊參數的最優匹配關系，并形成系統的粒子破巖鉆進技術水力參數優化設計方法，這將成為今后研究的重點。
5.系統的長壽命及可靠性。目前，粒子破巖鉆進技術面臨的最大困難是整個工作系統使用壽命較短、工作可靠性較差，這是制約該技術推廣應用的瓶頸問題。正是由于高壓、高含砂的工作介質，使整個系統面臨密封失效及鉆頭、噴嘴、配套鉆井液閥、管線易于磨損等方面無法回避的問題，影響了系統的運行可靠性和有效性，同時也帶來了諸多安全問題。
通過揭示粒子漿體沖刷作用下材料的磨損機制優選硬件設備的材質及表面處理工藝，優化設計鉆井液閥結構并優選密封結構，提升系統整體配套性能，以形成一套運行平穩可靠、運營成本低、具有較低故障率及較高工作效率的工作系統，是加快該技術推廣應用步伐的突破口。
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