超高压射流辅助机械钻井.pdf

2 0 ．J 1 螽 f}、涮 酬 第 十卷 1 9 9 7 章第6 期 、 超 高 压 射 流 辅 助 机 械 钻 井 Ve ．e n h a r． z e n 等 著 引 言 超 高压 UHP 射流辅助钻井的目的是提 高较深的油气井 中的钻 井速度 RO P 。 地层越 深越难钻 ， 提高钻井速度能缩短钻井时间， 从 而使油气钻井更经济 。 八十年代末及九十年代初， F lo w d r il 公司 研究出了用于超高压射流辅助钻井的 F L o w d r d系统 。据 B u t l e r 等描述 ， 大约 1 ． 9 1 ／ s的泥 浆在地面用泵增压到 2 2 0 MP a 大约 6 0 0个水 马力 ， 然后通过特殊的双管钻柱输送到钻头， 在钻 头处产生一股独立的高速 泥浆流直接冲 射到井底 ， 辅助三牙轮钻头的机械破岩。用这 一 系统实施 了一系列现场试验， 1 1 个在西得 克萨斯， 还有 1 1 个在东得克萨斯 ， 共钻 8 和 7 的井筒 2 7 3 6 0 m。钻井速度提高到传统速 度 的 1 ． 3 ～ 3 ． 1 倍 。 Ko l l e 1 9 9 1 等进行了超高压射流辅助牙 轮钻 头的小型室 内实验 ， 观察 到速度提高了 1 ． 2 --2 ． 5倍 。他们特别将 F l o w d r i l 系统 的现 场钻井结 果与他们的室内射流辅助钻井结果 做 了 比较 ， 提出了两种提高破岩速度的可能性 机理 ， 即超高压射流产生更有效的清洗作用和 扩展井底裂缝 。 他们推测切口的作用是解除周 围岩石的束缚， 使吃入岩石 的牙齿下面的裂缝 扩展到切缝 ， 增加牙齿的破岩体积 1 9 9 3年 末 ， F l o wd r i l和 天 然 气 研 究 院 G RI 开始研 制射流辅助钻 井的井底超高压 泵 D HP 。据推测 ， 与地面泵系统相比， 井下 7 2 V 译 李根 生校 增压泵具有成本低、 容易 由传统钻井向射流辅 助钻井转换、 安全性高 、 可靠性强的优 点， 具有 更广阔的市场潜力。 Ve e n h u i z e n等发表 了第一 个井下增压泵原型的研制和测试结果 ， 这是为 8 英寸的井设计的 。1 9 9 4年末 ， 美国能源部 D OE 与 F l o w d r i l 和 G RI 联合研制并测试 了 第二个、 为 7 英寸的井设计 的原型 。井底增 压泵将大约 7 的井底流体 的压 力增加到 2 0 7 MP a 。 然后， 超高压流体输入到三牙轮钻头 的加长喷嘴中在钻头处形成高速 射流冲击井 底 ， 辅助钻头的机械作用 。 射流辅助钻头 除了很少的例外 ， 至今所用的钻头都是传 统的三牙轮镶齿钻头 ， 其中只把一个喷嘴改造 为超高压喷嘴。有两种改造 的超高压钻头 ， 一 种是在传统的泥浆喷嘴处加了一个高压管 ， 称 为“ R T” 喷嘴 ， 呈 高压 塔 布 置。另 一种 称 为 “ S T” 布置 ， 它在传统泥浆 喷嘴处焊 了一个 腿 来支撑超高压喷嘴， 超高压喷嘴通过螺纹装在 腿下面的出口上 。 射流辅助钻 头产生的超高压射流都是连 续、 完全淹没、 无空化射流 ， 通常喷射到井底外 侧 附近 。井 下 所 用 的 喷 嘴 直 径 为 1 ． 5 ～ 2 ． 0 mm， 喷嘴流量系数一般为 0 ． 9 5 。 图 1 为射 流中心线压力随距 喷嘴出口距离 的增加而衰 减的情况。 一般在 5 倍喷嘴直径距离之内射流 中心压力保持不变， 之后便开始衰减 。 川 求 一 维普资讯 国外站井技术 与喷嘴 出口匝离／ 喷嚏直径 图 1 超高压 喷嘴轴线压力 的衰减 岩石 的门限压力 如果作用在岩石表面的压力足 以超过门 限压 力， 它就能冲蚀或切割岩石 ， 在某些情况 下产生彤状很好 的槽或切 口， 或产生一系列相 连弹坑或剥落 区。 F e e n s t r a等 1 9 7 4 提 出的一 个经验法则认为 ， 门限压力大约是水和泥浆作 用下的抗 拉强度 的 5倍 ， 围压高达 1 0 MP a时 它都不会受到影响 。 用到的另外一个经验法则 是门限压力为无束缚抗 压强度的 1 ／ 2 。F e e n - s t r a等还观察到 ， 一 旦超过 门限压力 ， 用泥浆 射流 比用纯水射流产生的坑浅 ， 除掉的岩石也 少 ， 尤其是用重晶石作加重剂时。Ko l l e认为， 门限压力不受水平柬缚应力的影响 然而 ， 对 于不渗透岩石来说 ， 过平衡压力的增加会导致 门限压力的上升。以上两人都认为， 通过喷嘴 的压力越大 ， 除掉岩石的能力越高。好象没有 一 个 水力切割岩 石的理论能彻底描述水力切 割岩石和门限压力。可以肯定 ， 要使射流能有 效切割高 门限压力的岩石需要足够大的喷嘴 压力 ， 而且射流压力随距喷嘴距离的增加而衰 减 ， 故要求喷嘴尽可能靠近井底 。 射流辅助模拟 一 个包 含有孔隙弹性岩石力学因素的有 限元分析方法 F E AMO D 被用来模拟井底应 力场 ， 并研究吃入牙齿与井底坑之间的相互作 用 用这个模型计算井底应力验证 了 Wa r r e n 和 S mi t h 1 9 8 5 的结论 ， 他们认为这个模型能 正确模拟井底应力 对一个切入齿的分析集中 于测试坑对单一齿作用的影响 ， 以此推断牙轮 钻头多个齿的情况 。F E A不能描述牙齿下面 大的破坏和压碎及搬移。因此 ， 把切入齿放八 岩石中一个 与牙齿形状相 同的有限深 度的坑 中 ， 然后 ， 给牙齿轴向加压使之压入坑 中。 为保 持破碎掉的岩石的一些抗压缩强度特征， 允许 牙齿径 向扩张 ， 最大的径向扩张出现在岩石的 表面 。 岩石的屈服可局部地用剪切应力描述 ， 它 是最小压缩应力的函数 。 只要将其中的应力换 为有效应力 ， 即岩石／ 水上作用的压力减去岩 石孔隙压力， 这个屈服模型就可用于水饱和的 孔隙岩石中。在大多数模拟中， 所用的岩石特 性类 似于 Ma n c o s页岩 ， 它 的抗 压 缩强 度 为 7 5 MP a ， 抗拉强度为 5 。 5 MP a ， 破坏 面与 2 8 。 的 固有摩擦角有关 。 F E A模型包括牙齿 ， 有或没有坑 。 对破坏 面和牙齿下面坑的体积的估计是根据假定破 坏 区所有岩石都 已被清除掉。 破坏区的拉应力 超过了拉力破坏极限或剪切应力超过 了剪切 破坏极限 。在没有原地应力的情况下 ， 最大的 坑体积为牙齿体积的 1 3 倍 。随着原地垂直应 力 超平衡压力 的增加而保持水平应力为 0 ， 则模型显示出坑体积急剧下降。 但保持垂直应 力为 0时， 随着水平应力的增加， 坑体积 只是 稍微下降。这一结果与 Ma u r e r 1 9 6 5 做的单 齿压入实验结果非常相似 。 为得到牙齿和切 口间的关系 已经做了一 系列实验 。 实验将原地应力 、 切 口深度、 和切 口 与牙齿的间距做了不同组合。 在存在切 口的情 况下 ， 剪切破坏面从牙齿处延伸的更长 ， 最大 的效果大约是没有切 口时坑体积的 3倍 ， 出现 在距牙齿 5个牙齿深度处 。 提 出在垂直应力为 0的情况下切 口可以使除掉 的体积增加 1倍 ， 间距大约是切 口探度的 1 ～5 倍 。 如果垂直压力很大 ， 切 口的作用不是很 明 显。这是因为垂直应力压持拉伸载荷 ， 通过束 缚使岩石强度增加 ， 而切口并没有解除垂直应 力 。结果 ， 射流辅助钻井象常规钻井那样受过 平衡压力的影响 ， 在常规情况下要求牙齿 间距 要小 ， 在射流辅助情况下牙齿与切 口的间距要 小。水平原地应力的作用还是很小 。 维普资讯 2 2 国界 钻井技 求 第十二卷1 9 9 7 年 第 6期 当切 口深度为牙齿深度的一半时， 坑体积 出现明显增加 ， 切 口深度 比半个牙齿深度更深 时 ， 坑体积增加的很少。这说明一旦达到临界 切 口深度 ， 继续增大切 口深度收益不会很大。 射流辅助的机理可能是 由于提高 了牙齿 的破岩能力 ， 同时切 口形成 自由面解除了岩石 的束缚 ， 从而降低了负载。有切 口时形成的最 大坑体积大约是没有切 口时的 3倍， 如果三牙 轮钻头上的所有或大多数牙齿能够得到足够 深且间距适 当的射流切口的辅助， 例如用多股 射流 ， 在模拟用的岩石上射流辅助破岩速度就 有可能达到常规速度的 3 倍 。 实验室钻头实验架 钻 井 实 验 设 备 包 括 一 个 钻 头 实 验 架 D B T S 、 两个常规 压力泥 浆泵组、 4个 4 o桶 的 泥浆罐、 两个 超高 压水泵 2 3 4 MP a ， 该 泵具 有水／ 泥浆的隔离装置 ， 用来作超高压水泵或 泥浆泵 。钻头实验架有一个双路阀， 还有一个 内管居 中放在钻杆 内用来将超高压流体输送 到钻头。 超高压和常规的泥浆泵系统是分割开 的， 这样就可以独立地控制超高压及 其流量和 常规 压力及其流量 井筒压力是通过调节井筒 出口滤 网的节流作用来实现的。 典型的钻井实验 为固定钻头转速 ， 用合适 的 固定流量 ， 超高压流动稳定在合适 的压力， 调节手动压力阀来 固定腔室回压， 然后把钻头 降到岩石样品上， 开钻 ， 稍微过一会使钻进稳 定 ， 开始记录数据 。在典型实验 中改变 WOB 而固定其他所有参数， 使破岩速度为 WOB的 函数 。 通常钻头要在有和没有超 高压射流时分 别测试 ， 以确定射流辅助的破岩速度 比。如果 可能 ， 钻头一般在没有 UI - I P喷嘴塔的条件 下 以常规 流速 和喷嘴压力钻进来建立原始的无 射流辅助破岩速度 。 每隔两至三次就重复一次 这种原 始资料实验 以保证不同岩石情况 下的 可比性 一般情况下 ， 根据岩石类型的不同， 用 4个 钻 压，每 钻 一 次 大 约 钻 进 5 0 ． 8～ 1 5 2 ． 4 ram。岩石样品为干燥 的无饱和水岩芯 样品， 直径为 4 0 6 mm， 长 9 1 4 mm。 通常以每通路每秒钟 2 0个数据的采样速 度记录数据 ， 大约 4 0 ～5 0 秒 。 测量并在 P C上 记录的参数包括钻头位置 、 钻压、 钻头扭矩、 转 速、 井筒压力 压力腔压力 、 泥浆泵压力、 泥浆 排量、 超高压泵 压力 ， 这些参数 都是时 间的函 数。 破岩速度是用标准软件程序对钻头位置求 时间导数所得。 传统软件可 以在记录数据之后 马上复查矫正过的数据 。 1 ． 实验窒射流辅助钻井实验 已经用 D B T S做 了一些实验室钻井实验 来通过 射流辅助作用提高镶齿牙轮钻头的破 岩速度 大多数实验用的都是直径为 7 英 寸、 软到中硬地层的全尺寸钻头 。其中有些实 验是在模拟之前做的 ， 例如井筒压力和多股射 流的影响实验。 2 ． 井筒压力的影响 图 2显示有及没有射流辅 助时井筒 压力 对破岩速度的影响 用的为 M1 5 双牙轮钻头 ， I AD C标号 5 1 8 ， 装有一个超高 压喷嘴和 一个 常规喷嘴。 随井筒压力增加无射流辅助时破岩 速 率降低 ， 这与 Wa l k e r 等 1 9 8 6 在 C a r t h a g e 砾岩上的实验结果相同 有射流辅助时破岩速 率也随井筒压力的升高而降低 ， 但在所有测量 的井筒压力下有射流辅助 与没有射流辅助 的 破岩速率之 比为 2 。这与模拟结果有些矛盾 ， 对井筒压力效应来说有些超前 ， 一个合理的解 释为流体扩散进岩石的时间。 模型假设的是极 端情况 ， 即岩石不渗透 ， 井筒压力与有效 的垂 直应力相同。 当岩石可渗透时不能完全形成滤 饼， 如果有足够的时间， 孔隙压力有 可能 在钻 头之前改变， 释放控制岩石强度的应力。对这 一 渗透率 ， 在岩石表现出不渗透且岩石的应力 释放没有到 1 0 m m 深处之前 ， 破岩速 率可 以 达到 2 3 6英尺／ i J , 时。 所以在实验室实验中， 无 论有还是没有射流辅助 ， 钻头前面 都可以 出现 某种程度的垂直应力改变， 而且足 以使有射流 辅助时不受太大影响。 对大多数可渗透岩石来 说， 钻进变慢都是如此。 3 ．多股超高压射流 图 3表示的是分开布置在射流辅助钻头 维普资讯 国外钻 井技术 2 3 { 3 0 2 0 罂1 0 蓝0 ＼ ＼ ＼ ～． 晒 ＼ 、 卜 ～ 0 k 井筒压力 ．6 9 0 0 P a 图 2 井苘压力对 M] 5 ， 7 7 4 钻头钻 C a r t h a g e 大理 石钻井速度 的影响 多排牙齿 间的多股超 高压射流对射流辅助作 用 的 影 响。用的 是 M5双轮 钻头 ， I ADC号 5 3 8 ， 带有 一个加长喷嘴塔可以在距规径不同 的半径处布置多达 4个超高压喷嘴， 还有一个 常规喷嘴。 两股超高压射流时射流辅助破岩速 率最高 ， 在最高时破岩速率 比为 2 ． 7 5 用一股 射流时 ． 射流辅助破岩速率 比大约为 2 ． 1 。这 一 结果与模型上观察到的相符 ， 说 明大多数牙 齿在有射流辅 助时的破岩速率为没有射流辅 助 时的三倍 。然而． 4股射流表现 出来的效果 虽然好于一股射流但不如两股射流 。 人们认为 这是 由于超高压射流的能力是固定的 ， 当用多 个 喷嘴分 开时 ， 喷嘴变小 ， 这就要求喷嘴安装 更靠近岩石表 面才有效。而囤 3中表示的情 况 ， 喷 嘴与岩石表 面的距离相 同， 这就可以解 释四个小喷 嘴效果差的原因。 一 ／ 一 r／ 4J E TS ／ 一 0 UHP 目 3 多股超高 压射流对 7 M5钻头钻 C a r t h a g e 大理石钻速 的影响 4 ．超高压射流位置 模拟工作之后 ， 为了提高用小喷嘴和较低 井底泵流量条件下的超高压破岩速度 比， 最近 对三牙轮 钻头上的喷嘴和射流位置进行 了更 多的研究 。 图 4表示的是将单喷嘴塔放在不同 的泥浆射流出 口对射流辅助破岩速度 比的影 响 。 这影响着超高压射流在不同牙轮的齿排间 的位置及 间距 ， 以及哪一个牙轮在超高压射流 之前或之后。钻头为 F5 7 ． I AD C号为 6 3 7 ． 超 高压喷嘴为“ R T” 方案 这个钻头用来在实验 室钻 S i e r r a白色花 岗岩， 这是 为送 到挪 威做 F E一9现场实验准备 的。实验的喷嘴塔分 别 放在第一和第二牙轮 间 1 ／ 2 、 第二和第三个 间 2 ／ 3 、 第三和第一个问 3 ／ 1 显然这几个 位置 间存在明显不同 在 1 ／ 2 情况下得到的 结果最好， 破岩速度比为 1 ． 2 5 在把喷嘴塔放 在 1 和 2牙轮的基础上将喷嘴向里移一 点， 即 1 ／ 2 I B 情况， 能进一步将 比值提高到 1 ． 3 2 1 4 盏1 ．3 1 2 擐 I _ l 1 一- 一一 ／。 一 _ m ．， ， ／ ‘ 二 一 3 0 4 0 钻 压 ．4． 4 4k N 图 4 射流位置对 7 F 5 7 钻头钻 S i e r r a白花 岗岩 钻速的影响 超高压喷嘴在井底位置的影响是根据8 英寸 G T0 3钻头 I AD C号 4 1 7 的实验室钻井 实验结果做出的。 一个钻头为标准“ RT” 方案 ， 另一个为“ S T ” 方案 用“ S T” 方案是为了使超 高压喷嘴尽 量靠近 井底 ， 以减小射 流压 力衰 减。在“ S T” 方案中超高压喷嘴与井底 的距离 比“ R T” 方案要近 6 个喷嘴直径长度 ，两个钻 头的喷嘴位置相同， 尽管这 一位置不一定是最 佳的 两个钻头实验 的岩石样品相同 ， 实验参 数 值也相 同 结果 ， 两个钻头唯一的本质区别 是超高压喷嘴与井底 的距离 距井底较近的超 高 压射流的破岩速度 比为 1 ． 9 2 ， 而离 井底 较 远的喷嘴为 1 ． 5 5 F lE一7现场实验之前用 F 3 H和 F 3 O D， I AD C 5 3 7的钻头做 实验室钻井实验 在实验室 实验 中， 两个钻头都以“ S T” UHP喷嘴塔方案 装在相同的牙轮之间 ， 只是其中一个的喷嘴比 维普资讯 2 4 国外钻井技求 第十 二卷1 9 9 7年 第 6 期 另一个靠近井底 1 ． 3个喷嘴直径长。 两个钻头 得 到的 UHP射流辅助破岩比没有本质 区别 ， 一 个为 1 ． 5 8 ， 另一个为 1 ． 5 5 5 ．实验岩石的射流辅助破岩比 Ko l l e r等 1 9 9 1 发表 了用 同样钻 井实验 装备 在 B o n n e T e r r e自云岩、 Ma n c o 页岩 和 C o l t o n砂 岩上做的小型射流辅 助钻 井试验 结 果 。结果表 明． 在井筒 压力为 1 0 ． 3 MP a 情况 下 ， 用射流辅助 压力为 1 3 8 ～1 6 5 MP a的 5英 寸研磨齿钻头得到的破岩 比分别为 1 ． 2 5 、 1 ． 5 和 2 ． 5 。按破岩速度 比从大到小的顺序排列 ， 其范围从 自云岩的 1 ． 2 5到砂岩的 2 ． 5 。可以 注意到， 强度 高、 渗透率低的岩石表现 出的超 高压射流辅助破岩速度 比较低 。这很 自然 ， 因 为这些岩石的门限压力较高 ， 并且根据模型它 们主要受井简或过平衡压力的影响 。 现场射流辅助钻井实验 射流辅助钻 井现场实验的超高 压来源包 括前面提到的F lo w d r i l 系统， 第一种原型并底 泵和更新的第二种原型井底泵。 井底泵为往复 双 头加强型 容积式泵 ， 安装在井 下钻具组 合 上 ， 正好位于钻头上部 在立管压力比常规的 高 出 1 o ． 3 ～1 3 ． 8 MP a的情 况下， 通过 钻柱 泵 入常规 流量来驱动 井底泵， 它的压力可高达 2 0 7 MP a ， 根据泵入井筒液体的多少， 输出流量 在 1 ． o ～1 ． 2 6 1 ／ s 之 间。为钻 7 英寸井眼， 第 二种 型号 已在实验 室进行 了开发实验 ， 并在 4 12 1 井中进行 了现场实验， 正在筹划第 5 IZ l 并 的 实验 。 现存 的开发 问题是整体可靠性和研磨性 极强的泥浆的腐蚀性 实验室得到的可靠运行 时间为 4 o小 时， 而现场实验 的井下寿命 只有 8 ． 9 ～1 7小时 。根据可靠性模型统计 ， 现有井 下泵寿命为 2 5小时。 1 ．射流辅助钻头的现场实验 虽然井下泵 的测试与研制是井下泵实验 的焦点， 但人们对得到的射流辅助破岩速度一 直有着浓厚兴趣。 包括第一种型号的井下泵在 内共做了九次井下现场实验 ， 用了 1 4 J 个超高 压射流辅助钻头 ， 结果用井下泵得到的数据量 很小， 且范围有限。 只有其中一些钻头在进行 井下泵现场 实 验之前先在实验架上进行了实验。 图 5总结了 这些实验得到的射流辅 助破岩速度 比。从 F E 一 5到 F E一9的井下泵 现场实验得 到的破岩 速度 比见图 6 。 虽然现场条件和岩石均与实验 室的不同 ， 但就射流辅助破岩比而言实验室和 现场符合得还是很好的。 还有一点值得注意的 是 ， 凡在送 到现场之前在实验 室内测试过的钻 头在现场得到的破岩速度比都比较好。 2 誊 5 馏 羹 ， o ． 5 蹰 f E一5 f E一6 f E 一7 f E 一8 F E一9 井房摹现场宴验 图 5 下井钻头 的实验室钻速 比 2 I - 8 墓 篓 1 2 1 井房 幕现塌 实羞 图 6 现场试验钻 速 比 ／ ／ ，●～ ／ 0 0． 2 0 4 0． 6 0． 8 1 砂岩 古量 图 7 射 流辅助破 岩钻头 的钻 速 比与砂 岩古 量 的 关 系 在 F E一6 使用 的钻头是 F E--7所用 F 3 钻 头之一。在 F E一6中为“ R T 方案 ， 喷嘴保 守地放在离井底较远 的地方。而在 F E一7中 维普资讯 国冉钻井技术 2 5 为“ S T” 方案， 喷嘴非常靠近井底且稍微靠里 在 F E一8中用的钻头为 F 7 I AI 3 2 7 3 7 有一个 为“ R T” 方案， 另一个较快 的为“ S T” 方 案 ， 将喷嘴重新安装使之更靠近井底 。遗憾的 是由于井下泵的原因， 大多数现场实验中都不 能完全达到输出压力， 所以很难评价这些钻头 的射流辅助效 果。 2 ．东得克萨斯岩石类型的现场破岩速度 从 F E一6和 F E 一9两个井下现场实验中 得 出的结果格外引人注意 。F E一6是在东得 克萨斯 T r a v i s P e a k地层上部进行的。这个地 层开始于 1 9 2 0 1 9 8 1 m 深度之间， 由层状的 页岩、 石 灰岩 、 细粒研磨型砂岩、 泥质砂岩、 和 砂质泥岩组 成， 平均无 柬缚抗压强 度为 6 9 ～ 1 0 3 MP a ， 最高达 1 3 8 MP a 。 通常用 9 ． 5 ～1 2 p p g 的水基 泥浆 钻进 ， 钻机 立杆 压力平均 大约为 1 3 ． 4 MP a ， 在地层上部 用的是镶 齿牙轮钻头 I AD C 5 3 7 这些钻头通常装有一个 l O号和 两个 1 】 号喷嘴 ， 产生的比水马力为 3 ～5 HS I 。 WOB通 常为 2 0 0 ～2 0 4 ． 6 k N, 转速通常为 ～ 5 0 r p m 。 F E 一7井下泵现场实验射流辅 助破岩速 度和附近邻并的常规破岩速度对比。 两口井都 用的是 9 ． 8 p p g泥浆 。F E一7 的射流辅助钻头 为 F 3 ， 超高压喷 嘴为 S T 方案， 邻井钻头为 AT J 3 5 I AI C5 3 7 射流辅助破岩速度与常规 井速度之比从 o ． 8变到 4 ． 5 。 破岩速度比的高 值和低值都归究于两口井中这些深度处 的岩 石不 同。用超高压射流辅助所钻 的 7 7 m 的平 均 破岩速度 比为 l _ 5 5 ， 几乎与这 些钻头在室 内实验 中确定的破岩速度 比完全符合。 这些井的岩层通常包括页岩、 砂质页岩、 泥质砂岩 ， 几乎没有石灰岩 。某些情况下射流 辅助井中出现的砂岩段在邻井申却没有发现， 也存在与此相反的情况。 超高压射流辅助钻井 与常规钻井中的破岩速率都随着砂岩含量的 提高而增大。 图 7为超高压射流辅助破岩速度 比与砂 岩含量的关 系图， 从中表明在估计全部为页岩 的情况下破岩速度 比最低 ， 大约为 1 ． 4 5 ， 砂岩 时增加到 2 。 3 ． 现场辅助钻花岗岩 F E一9 是在挪威 S t a v a n g e r 的RF --R o g a l a n d研 究 实验 中进行 的 。井下泵 实验是 在 1 2 4 0 ～1 2 6 2 m 的花岗岩层段进行 的， 它的无 束缚抗压强度约为 2 2 0 MP a 射流辅助钻头为 送往挪威之前在 D B TS实验室试验过的 7 英寸 F 5 7钻头。参考的钻头资料为井下泵实 验进行前 8 ／ z 英寸 F 5 7钻头钻的井段 。 超高压 射流辅助钻头与参考钻头所 用的泥浆 比重都 是 9 ． 8 p p g 试验表 明最大破岩速度 比为 1 ． 5 ． 实际上比实验室实验效果好。 水马 力 园用井下泵作为超高压液体的动力源 ， 所 以降低了能够输送到钻头超高压喷嘴的流量 和水马力 ， 但施加到钻头上的净水马力仍然高 于常规钻井。由此人们会问， 由超高压射流辅 助得到提高的破岩速度 ， 是否用将常规水马力 增加到同样水平的方法也可以达到呢 nb h i t t s 等 1 9 8 1 指出， 当用三个 9 号、 三 个 7 号常规钻头喷嘴的 7 英寸 F 3钻头在实 验室钻 Ma n t a s页岩时， 比水马力增加到大约 8 HS I ， 然而喷嘴大于 9 号时， 比水马力变得平 缓， l O 号 喷嘴大 约为 4 HS I ， 1 1号喷嘴大约为 5 H1 s Mi t c h e l l 1 9 9 4 还指出钻页岩时比水马 力大约稳定在 3 HS I 。 在钻头实验 架上用 F 3 7 I A1 3 12 5 4 7 钻头 钻 C a r t h a g e 大理石样 品试验， 用了从 8号到 l 3号的各种喷嘴组合 ， 包括一些加长喷嘴 ， 流 量 在 1 4 ～1 9 1 ／ s之间 ， 产生的 喷嘴压 力降 从 2 ． 8～ 1 3 ． 8 MP a ，最 高 的 比 水 马 力 达 到 6 ． 3 HS I 。虽然破岩速度曲线一直随 HS I 缓慢 增加 ， 但 实际上数 据大 约稳定在 3 HS I ， 这 与 Mi t c h e l l 的结论相符。 用井下泵， 大多数水马力都变成超高压射 流 ， 使比水马力大约为 5 ． 2 5 H S I 而用常规钻 头 时， 会 失 去 一 部分 压 力 降， 只 剩 下大 约 1 ． 1 5 HS I 。无论是 b b i t t s 、 Mi t c h e l l ， 还是本文 试验得出的结果都不能说明把钻头的常规 比 维普资讯 2 6 国界蛄井技术 第十二謇1 9 9 7 年第 6期 I 水马力从 3或 4 HS I 提高到 6 ． 4 HS I 就能将破 岩速度增加 1 ． 5倍 。由此可以看 出， 用超高压 射流辅助提 高破岩速率 不同于 简单地增加常 规钻 头水马力 。 结 论 1 ．超高压射流辅助机械钻井的机理可能 是在切 口形成 自由面 ， 解 除了岩石的束缚 ， 从 而增加了牙齿穿透能力 ， 减小 了负载。原地水 平应力 超负荷 对射流辅助钻井应不起作用， 然而对于非渗透岩石， 由过平衡或井筒压力产 生的原地垂直应力会对此产生影响。 对大多数 岩石来说 ， 井筒压力会以影响常规钻井类似的 方式影响超高压射流辅助破岩速度。 2 。超 高 压射流 必须能 产生 足够深 的切 口， 存在 一个临界切 口深度 ， 小于这 一深度就 得不到任何优势 。要使岩石出现切 口， 喷嘴压 力必须高于门限压力 ， 对小喷嘴来说就要尽可 能靠近岩石表面 。 还不清楚泥浆性能是否影响 岩石的门限压力， 但当用泥浆代替水作为射流 流体时， 超高压射流除掉的岩石体积下降。 3 ．超高压射流喷嘴的个数与位置对射流 辅助钻头的破岩速度有很大影响 ， 使射流辅助 破岩速度与常规破岩速度之 比从 1 ． 1到 2 ． 7 5 变化 。 实验室观察到砂岩的比值最大 。 通常在 实验室中用超高压射流辅助钻高强度低渗透 的岩石得到的超高压破岩速度比较小 。 4 ．用超 高压井 下泵所 做的现 场 实验 表 明， 页岩的射流辅助破岩速度与其常规破岩速 度之 比大约为 1 ． 4 5 ， 而砂岩 则高达 2 ． O ， 花 岗 岩的破岩速度比为 1 ． 5 。 超高压射流辅助钻井 的现场试验与其实验室结果相符得很好 。 要 得 到可靠的超高压射流辅助破岩速度提高的资 料， 在把钻头送到现场之前必须先进行 实验室 实验。 5 ．超高压射流辅助机械钻井提高破岩速 度的原因不能用提高钻头通常应 用的水马力 来解释。 译 自S P E／ I ADc 3 7 5 7 9 上接 第 1 3酉 规径处切削刃受载更均匀 。钻 头的这个部位在定 向钻进时通 常是最容易磨 损的 。 因此 ， 在开发新的定向系统中， 试图尽可 能减小规径磨损是有利的。 小直径井眼对于旋转导向系统有着特殊 的需要 ， 因为马达问题在这里最突出。这些小 直 径 井 眼也 是 最 可 能需 要 高 的 造 斜率 的。 Amo c o系统 中用的轨迹控制机理使它能容易 地达到 比另外两个系统更大的曲率 。 未 来 导 向马达定向钻 井系统曾经使钻井行业 具有一种能在许多情况下有效钻定向井的工 具 。 但是这些 系统钻一些大位移井时效率相当 低 ， 并不能满足当前需要 。旋转导向系统消除 了这些不足。问题是要回答今后几年内 将如 何 由马达导 向系统过渡到旋转导向系统 ” 全自动系统正在被首先用于 那些 非常 昂 贵的大位移井上 ， 这些系统在其中所显示的能 力是用马达驱动系统前所未有的 。 这些系统在 大位移井中能经济地运转 ， 甚至当它们的费用 非常高时 。因此 ， 当开发费用有着与马达市场 直接竞争的最小值时， 设备供应者能 比较快地 回收他们的开发费用 。由于时机 ， 这些 工具将 变得不太 昂贵和更容易使用 ， 所 以它们能转向 一 般的定 向钻井市场。 这种系统在昂贵的尢位移井市场上也许 竞争能力不大 ， 但它在较小井眼的钻井市场上 却有费用和效率 的优势 。从这里入手 ， 较小的 系统将逐渐扩展到那些它能有效进行常规定 向钻井的场合。 可以预期今后几年内尢多数定 向井将是用某 一种旋转导向系统钻成的。 译 自 Wo r I dO i l l 9 9 7年 5月 号 维普资讯