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現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，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，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許多油氣藏的鉆探，包括經濟地加深開發現有的井，使其到達產油更多的層段，而在這些區域油氣藏鉆探之前，被認為不經濟劃算。

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），大多數其它的常規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）系統如何工作

在硬巖石層很快到來之前，粒子沖擊鉆井系統的人員和設備到達鉆井現場，設備與鉆機的相關組件結合安裝為一體，屆時，整個系統用來鉆達目的層，粒子沖擊鉆井系統的主要組件是：粒子注入系統——在泥漿泵與立管之間內聯接入；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，一種微小體積的鋼粒子（小于總流量的5%）通過注入系統被混入鉆井液。

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域的正上方，鋼粒子對井底產生強大的撞擊力，這種撞擊力會產生一個巨大的觸點應力，這種觸點應力能產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，這是由于常規鉆頭齒結構與巖石的接觸區域很大，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。

巖石環不斷地形成，并不斷地被破碎移走，提高了鉆頭的穩定性，由于地層材質是通過鋼粒子在環繞巖石環的內外進行爆炸式撞擊而被去除的，隨著深度的改變，巖石環的內應力被減弱，巖石的強度被降低，這使得巖石的去除更容易，特殊情況下，可能出現大的不規則的巖石槽，顆粒狀的和大小不同的巖石環碎屑會被去除。

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，降低勘探和開發成本，提高整體鉆井經濟效益，縮短油氣生產到油氣銷售時間，提高鉆井速度，從根本上提高油氣開發的經濟效益。