利用水力脉冲空化射流复合钻井技术提高钻速.pdf

第 3 O卷第 1 期 2 0 0 9年 1月 石 油 学 报 ACTA PETROLEI S I NI CA Vo1 ． 3O No ．1 J a n 2 0 0 9 文 章 编 号 0 2 5 3 2 6 9 7 2 0 0 9 0 1 0 1 1 7 - 0 4 利用水力脉冲空化射流复合钻井技术提高钻速 王学杰 李根 生 康延 军 史怀忠 黄 中伟 谢 又新 1 中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室北京 1 0 2 2 4 9 ； 2 中国石油塔里木油 田公 司新疆库尔勒8 4 1 0 0 0 摘要 水力脉冲空化射流复合钻井技术是指在复合钻井过程 中将 水力脉 冲空化射 流发 生器 安装于钻 头与螺杆钻 具之 间的一种新 组合钻井方式， 可 以综合利用机械 能量及水力能量来提高钻速。水力脉冲 空化射流 复合钻井 的提 速机理是 将 常规复合钻 井的高 转速破岩与水 力脉冲 空化射流 的有效 清岩相结合 ， 从而提高钻速。分析 了在 新疆英 买、 轮 南 区块 4 口井水力脉冲 空化射流 复合钻 井 的现场试验 ， 结果表 明水 力脉 冲 空 化射 流 复合 钻 井 比常 规复 合 钻 井钻速 平 均提 高 1 2 ． 6 7 ％， 比 常规钻 具 结构 钻 井钻 速提 高 2 6 2 ％--5 5 ． 3 6 ％， 该技术具有较大的推广 应用价值。 关键词 水力脉冲； 空化射流 ； 螺杆钻具 ； 复合钻井 ； 机械钻速 中图分类号 TE 2 4 2 文献标识码 A I m pr o v e m e nt o f p e n e t r a t i o n r a t e wi t h h y d r a u l i c p u l s a t i n g c a v i t a t i o n j e t c o mp o u n d d r i l l i n g t e c h n o l o g y WANG Xu e j i e I I Ge n s h e n g KANG Ya n j u n S HI Hu a i z h o n g HUANG Z h o n g we i XI E Yo u x i n 1 ． S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Pe t r o l e u m Re s o u r c e a n d Pr o s p e c t i n g，C h i n a Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m ，Be i j i n g 1 0 2 2 4 9，Ch i n a； 2 ． Pe t r o C h i n a Z a r i m Oi l fi e l d C o mp a n y， Ko r l a 8 4 1 0 0 0， Ch i n a Ab s t r a c t Hy d r a u l i c p u l s a t i n g c a v i t a t i o n j e t c o mp o u n d d r i l l i n g i s 3 n e w d r i l l i n g t e c h n o l o g y a n d ma k e s f u l l u s e o f me c h a n i c e n e r g y a n d h y d r a u l i c t O i mp r o v e p e n e t r a t i o n r a t e ．Th e p u l s a t i n g c a v i t a t i o n j e t g e n e r a t o r i s l o c a t e d b e t we e n b i t a n d s c r e w d r i l l i n g s t r i n g ．Th e me c h a n i s m o f t h e n e w d r i l l i n g t e c h n o l o g y r e l i e s o n t h e c o mb i n a t i o n o f h i g h r o t a t i n g s p e e d o f t h e c o n v e n t i o n a l c o mp o u n d d r i l l i n g a n d e f f e c t i v e l y b o t t o m c l e a r i n g o f t h e p u l s a t i n g c a v i t a t i o n j e t t o i mp r o v e t h e p e n e t r a t i o n r a t e ．F i e l d e x p e r i me n t s i n 4 b o r e h o l e s o f Yi n g ma i a n d Lu n n a n d i s t r i c t s d e mo n s t r a t e d t h a t t h e h y d r a u l i c p u l s a t i n g c a v i t a t i o n j e t c o mp o u n d d r i l l i n g c o u l d i mp r o v e t h e p e n e t r a t i o n r a t e b y 1 2 ．6 7 p e r c e nt mor e t ha n t h e c o nv e nt i o na l c omp ou nd dr i l l i ng a nd by 2 6． 2～ 55． 3 6 p e r c e nt mor e t ha n t he c on ve n t i o n al s t r i n g dr i l l i n g． Thi s t e c hn ol og y i s v a l u a bl e f o r p opu l ar i z i ng i n dr i l l i ng e ng i ne e r i ng ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c p u l s e ；c a v i t a t i o n j e t ； s c r e w d r i l l i n g s t r i n g； c o mp o u n d d r i l l i n g； p e n e t r a t i o n r a t e 常规 的复合 钻 井 是 指“ 动 力钻 具 转 盘 转 钻 井 ” 技术 钻头为 P D C或其他适合高转速的钻头 ， 目前在 一 些 油 田被广泛 使用 ， 是 大 幅 度 提 高钻 井 速 度 的 主要 手段 之一 。随着 我 国油 田勘 探 向深 部 地 层 的发 展 ， 如 何有效地提高机械钻速成为亟待解决的问题 。目前较 多采用复合钻井技术， 可较好地提高机械钻速 ， 但破岩 效率高， 产生岩屑量增多， 正常状态的连续射流已无法 及时清除井底的岩屑 ， 岩屑在井底遭受反复切削 ， 降低 了钻头寿命 ， 导致复合钻井难 以发挥最佳的提高机械 钻速效 果1 ． ] 。 水力脉冲空化射流复合钻井技术 ， 即水力脉 冲空 化射流 短节 十动力钻 具 转 盘转 的钻 井 技 术 ， 它 是 利 用 水力 脉冲空化 射 流改 变 井 底 流场 ， 从 而改 变 井 底 岩 石受力状态， 提高井底清岩效率 。与常规复合钻井的 高效破岩相结合 ， 机械能量与水力能量 的有效结 合可 使复合钻井技术发挥 出最佳的提高机械钻速效果 ] 。 笔者主要从水力脉冲空化射流方 面研究， 以求从水力 能量方面来辅助提高机械钻速。 1 水 力 脉 冲空 化射 流发 生 器结 构 与工 作原理 水力脉冲空化射流发生器工具结构如图 1 所示 。 导流体置于顶部 ， 其重要结构即为斜坡流道， 它改变钻 井 液 的流动方 向和速度 ， 对 叶轮叶 片产生切 向力 ， 促使 叶轮连续不断的高速旋转 ， 叶轮在高速旋转 的过程 中 连续改变流道面积 ， 产生脉冲扰动。位于工具最底部 的自激振荡腔室对钻井液脉动信号放大并产生流体谐 振 ， 当其通过振荡腔室的出 口收缩截面进入谐振喷嘴 时 ， 产生压力波动， 这种压力波动又反射回谐振腔形成 反馈压力振荡 ， 当压力波动 的频率与谐振腔的频率相 基金项 目 国家高技术研究发展计划 8 6 3 项 目 2 0 0 6 AA 0 6 A1 0 9 和教育部科技重大项 目 No ． 3 0 6 0 0 3 联合资助 。 作者简介 王学杰 ， 男 ， 1 9 8 2年 8月生， 2 0 0 5年毕业于 中国石油大学 北京 石油工程专业 ， 现在 中国石油大学 - I L 京 油气资源与探测国家重点实验室 从事油气钻井方面的工作 。E ma i l wx i 一 6 2 4 1 6 3 c o rn 118石油学报 2009年 第30卷 一 致 时，反馈压力振荡得以放大，从而在谐振腔内产生 流体声谐共 振，在流体出口段产生 强烈脉动涡环流 ，以 波动压力的方式 冲击井底，改善井底 流场 ，产生水 力脉 冲、空化冲蚀 、瞬时负压等3种效应来提高清岩和破岩 效率 0’州 。 本体；2弹性挡圈；3 一 导 流体；4叶轮 庶；5叶轮轴； 叶轮 及轴 套组件；7空化振荡腔。 图1水力脉 冲空化射流 发生器 结构 Structure ofhydraulic pul sating - cavitatingjetgenerator 2 水力脉 冲空化射流复合钻 井 提高机 械钻速机理 、 2．1 水力脉冲空化射流复合钻井高转速 破岩 水力脉冲空化 射流复合钻 井是复 合 钻 井 与 水力 脉 冲空化射流 的有机结 合，主 要体现在 动 力钻具高 转速破 岩和水力脉 冲空化射流的有效 清岩。螺杆 钻 具 是 一 种以钻 井 液 为 动 力的 井下动 力工具 ，钻 井泵 泵出 的钻 井液流经旁通阀进入马 达 ，在马达 进 出口 处形成 一 定压差推 动马 达的转子旋 转，并 将扭矩 和 转速通过万向轴和传动 轴传递给钻 头；达到高 转速 破岩的目的。 P D C 钻头破碎岩石的作用机理与牙轮钻头相比 有着本质的不同，它完全 是靠切削破碎地层而不是靠 压入破碎地层，因此，P DC钻 头 的切削 速 度 与转速成 正比关 系，而钻压对其切 削速度影响不大。也就是说， P DC 钻头适合于在 较高转速、低 钻压条件下作业 ，而 螺杆钻具的高转速与转盘转速 相比较而言可以为 PD C钻头提高切削速度 提供井下动力保 障 。因此，螺 杆钻具 配合PDC钻头增加了单 位时 间 内对地 层 的切 削次数，进而达到提 高机械钻速 。复合钻 井 破岩机理 近似砂轮的磨削原理，即在高转速下以磨 削方 式破碎 岩石进行钻进。 2．2 水力脉冲空化射流井底清岩机理分 析 假设 井底岩石在 钻头作用 下，已经形 成 了某 一 骨 架结构基本独立的岩屑，而岩屑 尚未脱 离岩石 母体，如 图2所示 ，此时该岩屑 所受到 的法向压力包 括钻井 液 产生的静液柱压力和循环压降，即P。 A p。；岩 屑与母 体问 的裂 纹内流体的压力 仍近似为地层 的孔隙压力 P，将整个独立的岩屑视为隔离体，那么，在P． A p。 大于P．、的常规条 件下，为了使岩屑脱 离井 底，则必须 ph A允 {APh ’r 1 P， 图2井底 岩屑的压持效应模型 F i g ．2Modelfor chiphol d dow nef fectofbot tomhole 提供给岩屑 一 个最小水平载荷 ，该 载荷以应力的形式 近似由摩擦定律给出[ 8 9j ，即 T ． 一 卢Pl， A p。P。 叫1 式 中 丁．为岩屑脱离井底所需水平 应 力载荷，MPa；训 为单位面积 所受 岩屑重力 载荷，M Pa；口为岩屑与母体 问的综合表面摩擦系数。 水力脉 冲空化射流钻井时井底出现负压脉 冲A p。 时，在负压波持续 时 问 内，井 底 岩屑所受的 总压力即 P。 A p。 一 P。 A p。 叫降低，岩屑脱离井底所需的 横 向载荷相应降低 。尤其 当负压脉冲△卢。较强，满足 A p； ， 一 P。 A p。 W 小于0时，由式1和 图2可知，此 时与岩屑的具体表面形 状无关，岩屑在 井底的法 向上 所受 的合力丁．向上 ，此时不但井底无 “ 压持效 应 ” ，而 且岩屑 一 旦产生就具有 自动脱离井底 岩石 母体的趋 势。 水力脉冲空化射流复合钻井充分考虑了机械能量 与水力 能量联合作用，螺杆钻具高转速破岩，水力脉冲 空化射流在井底的局部 负压、较大的瞬 时动压及瞬 时 冲击速度可有效清岩 ，辅助破岩，使复合钻井技术可充 分发挥出最佳的提高钻速效果。 3 现场试验及结果分析 3．1 英买区块 英买地区试验井段 地 层主要是 库 车、康 村、吉迪 克、苏维依组，以软到 中硬地层为主，在此 段使用水 力 脉冲空化射流复合钻井 技 术主 要以提高机械 钻速、节 约钻井 时间与成本 为主。 3．1．1英买41井 该井钻至 1799m 后 ，用 牙 轮 钻 头 钻完水泥塞及 附件后改 用螺杆 水力脉 冲空化 射流 发生器 PD C 钻头进行复合 钻 井。钻 井参数钻压为170kN，转速 为60r／ min 螺杆 转速，排量为 35 ～ 55I。／s，泵 压为19M Pa，密度 为1．15 ～ 1．62g／cm ’ ，钻 头 类型为 FS2563B G ，喷嘴组合为j 517．38mm 7 ，试验 进尺为 1324m ，纯钻 时间为73 ．23h，平均钻速为18．1m／h。 钻具组合声31 1 ．2mm 钻头 ≯228m m 水力 脉冲 第 1期王学 杰等利 用 水力脉冲空化射流 复合钻井 技术提高钻速 1 19 工具 ≠24 4 mm 螺杆 庐228m m 钻铤 2根 声3 1 1 ．2 mm螺 扶 f 5228m m 钻 铤 1 f 53 1 1 ．2mm 螺 扶 ≠23 ．2mm 钻铤 15 根 ≠127mm加重钻杆 14 根 声127m m 钻 杆。 如图3所示，在同 一 层段钻 井参 数基本 一 致的情 况下，英买323井使用 “ 螺杆钻具 ” 复合钻进，平均钻速 为 14 ．7m／h，英买4 1井比其钻 速 提高了22．64％ ；英 买322井使用常规钻具钻 进，平 均 钻速 为 1 1．65m／h， 英买 4 1井比其钻速提高了5 5．36％ 。 井深，m 图3英买4 l井与邻 井钻 时对比 F i g ．3YM4 1 Wel lcompared imagefordri ll ingtim e withother w el ls 3．1．2英买39井 英买39井钻至 1800m 。常规 钻具钻至1 834 m 开始下入水力脉冲空化射流发生器 螺杆钻具复合钻 井，钻头类型为FS2563B G ，喷嘴组合乒17．38mm 7 。 试 验钻进井段为1 834 ～ 2 339In，进尺为5 05m ，纯钻 时 间为29 ．75h，平均机械 钻速为16．97m／h。 此水 力 脉 冲空化射流工具已在英买 4 1井使用 过图4。 井椿／Ill 图4英买39井与邻井钻时 对 比 Fi g ．4Y M39Wel lcompared imagefordri l l ingtime withother wells 钻具组合f 531 1 ，2mm 钻头 j 5228i n m水力 脉冲 工具 庐244 mm 螺杆 ≠228mm钻铤 2根 乒31 1 ．2 mm 螺 扶 声228m m 钻 铤 1 f 5311 ．2mm 螺 扶 声2 3 ．2mm 钻铤 15 根 声127m m加重钻 杆15根 j 5127m m 钻杆。 如图4所 示，在 同 一 层 段钻 井参数基本 一 致 的情 况下，英买323井使用 “ 螺杆钻具 ” 复合钻进，平均钻速 为 14 ．6m／h，英买39井比其 钻速提高了16．3％ 。英 买322井使用常 规钻 具 钻进，平均钻速为 12．8m／h， 英买39井比其钻速提高了32 ．5 8％ 。 3．1．3英买34 1并 英买 34 1井 钻至1804．05m ，常规钻具钻至 1 863m起钻，下入水力脉冲空化射 流发生器 螺 杆 钻具复合钻 井，钻 头类型为 D S751AB ，喷 嘴组合为 声17 ．38mm 7 。试 验 钻 进井段为1863 ～ 2842m ，进 尺为9 79 m ，纯钻 时 问为66．9h，平均机械钻速为 14．7m／h。 钻具组合声31 1m m 钻 头 ≠228m m 水 力脉 冲工 具 ≠244 mm 螺杆 ≯228m m 钻 铤 1 根 声31 1m m 扶正器 1 庐228m m 钻 铤 1 声31 1 mm 扶正器 1 声228m m 钻铤 1 声2 3mm钻铤 13 声2【 3m m 随钻 1 庐2 3m m 钻铤 3 根 声127m m 加重钻 杆 15 根 声127m il l钻杆 。 如图5所 示，英买 323井采用常规复合钻井技术 ， 钻机设备先进，钻压、转速、排量、泵压等参数比英 买 34 1井 提高约2【％ 。英买322井采用常规 钻具，钻 井 参数基本 一 致，平均钻速 为1 1 ．65m／h，英买34 1井比 其钻速提高了26 ．2％ 。 l8 50205022502 45026502850 井深／m 图5英买34 1井与邻井钻时对比 F i g ．5Y M34 1Wel lcompared imagefordri l l ingtime withother w el ls 3．2 轮南区块 此区块主 要针对轮南632井，试验井段 地层是 白 垩系、三叠系和石炭 系，主要以软到中硬地层为主，对 比井段是古近系、白垩系 的粉砂岩、细砂 岩、泥岩和 砂 砾岩，基本与试验井相当。 轮南632井钻至2 8 33m ，后 下入228．6cm水力脉 冲发生器 螺杆 钻 具复合钻井，钻井参数钻压为40 ～ 60kN ，转速为5 5r／min 螺杆转速，排量为35 ～ 50 L／s，泵压为2MPa，密度 为1．15 ～ 1．4 2g／cm 。 ，钻头 类型为M 1952S S ，喷嘴组合f 517．38mm 7 ，进尺井段 2 834 4100m ，工作时间 为1 16．5h，纯钻进时 间为 12 石油学报 2009年 第3 卷 8 3．95h，平均机械钻速为15．1m／h。 钻具组合≠3 1 1 ．2ITtm 钻头 声228Ffl In水力脉 冲 工具 424 4 mlT l螺杆 4228m m 钻铤 2根 4311 ．2 ml Tl螺扶 4228mm钻铤 x1 根 ≯3 1 1 ．2mm 螺 扶 4203 ．2miTt钻铤X18根 声127m l Tl加重钻杆X15根 ≠127m l Tl非标钻杆 。 如图6所示 ，在同 一 层 段钻 井参数基本 一 致的情 况下，轮古392井使用 “ 螺杆钻具 ” 复合钻进，平均钻速 为14 ．18m／h，轮南632井比其钻速提高了6．5％ 。轮南 63井使用常规钻具钻进，平均钻速为1 1．2m／h，轮南 632井比其钻速提高了34．8％ 。 二 、 { 置 音 吕 一 、 留 擐 井深，m 图6轮南632井与邻井钻 时对 比 Fig．6L N 632 Wel lcomparedim agefordri l l ingtim e withother w el ls 两区块4 口井英买4 1井、英买39井、英买341 井 和轮南632井试验表明水力脉 冲空化射流复合钻 井要比常规复合钻井机械 钻速平均 提高 12．67％，比 常规钻具组合钻速提高26 ．2％ ～ 55．36％ 。试验井段 地层 主要是以软到 中硬地层为主，水力脉冲空化射流 复合钻井在此段地层可以有 效提 高机械钻速 ，发 挥出 最佳的复合钻井效 果。 4 结论 1水力脉冲空化射流复合钻井充 分结合了机械 能量与水力能量 ，利用螺杆 P DC高转速快速 破岩 ， 水力脉 冲空化射流 及时清除井底岩屑 ，辅助破 岩，从而 达到有效提高机械钻速的 目的。 24 I1井试验证明水力脉冲空化射流复合钻井相 比常规复合钻井平均机械钻速提高 12．67％，比常规钻 具结构钻井平均机械钻速提高 26．2％ ～ 55．36％，已达 到了较好的提速效果 ，可以降低钻井成本。 3水力脉 冲空化射流复合钻井 对软到 中硬地层 适应性好，具有良好的推广应 用价值 。 致谢本文得到新疆塔里木油田的大力支持与协 助，在此对该油田全体同仁特致谢 忱。 [1] E2] E3] E43 I - 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