水力脉冲空化射流钻井技术适应性分析.pdf

第 3 4卷 第 5期 2 0 1 2年 9月 石 油 钻 采 工 艺 oI L DR I L LI NG PR ODUCTI o N TECHN oLo GY Vo 1 ． 3 4 NO．5 S e p t ．2 01 2 文章编号 1 0 0 07 3 9 3 2 0 1 2 0 5 0 0 1 0 0 5 水 力脉 冲 空化射流钻 井技术适应 性分析 付 加 胜 李 根生 史 怀忠 牛 继 磊 常 德 玉 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 油大学石 油工程 学院， 山东东营2 5 7 0 6 1 引用格式 付加胜， 李根生， 史怀忠， 等 ． 水力脉冲空化射流钻井技术适应性分析 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 1 2 ， 3 4 5 1 0 ． 1 4 ． 摘要为了推广应用水力脉冲空化射流钻井技术， 在介绍该技术提 高机械钻速机理的基础上， 通过理论分析、 统计总结的 方法对该技术的现场试验进行 了适应性分析， 包括适用的钻具组合、 地层、 井径、 钻头以及钻进参数等。结果表明水力脉冲空 化射流发生器可与常规钻具、 井下动力钻具、 欠平衡钻具以及 P o w e r V钻具等多重钻具组合配合钻进；适用于新生代至古生 代地层， 包括软、 中硬、 硬地层， 最大试验井深达 6 1 6 2 m；可在 O2 1 6 ～ 04 0 6 mm不同井眼配合不同型号P DC和牙轮钻头应用； 适用的钻井参数范围较大， 对钻井参数没有特别要求；一般工作寿命在 2 3 0 h以上。水力脉冲空化射流钻井技术对现有的钻 井装备、 工艺参数等具有较好的适应性， 平均机械钻速提高 1 O ． 1 ％～ 1 0 4 ． 4 ％， 为深井钻井提供了一种安全高效的钻井新技术。 关键词水力脉冲 ；空化射流；机械钻速；适应性分析 ；钻井技术 中图分类号 T E 2 1 文献标识码 A An a l y s i s o n a d a p t a b i l i t y o f h y d r a u l i c p u l s e c a v i t a t i n g j e t d r i l l i n g t e c h n o l o g y F U J i a s h e n g ， L I G e n s h e n g ， S H I H u a i z h 0 n g ， NI U J i l e i ， C H A NG D e y u ‘ 1 ． S t a t e Ke yL a b o r a t o r yo fP e t r o l e u m R e s o u r c e a n dP r o s p e c t i n g ， C h i n a U n i v e r s i t y o fP e t r o l e u m， B e o i n g 1 0 2 2 4 9 ， C h i n a 2 ． C o l l e g e o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g , C h i n a Un i v e r s i t y o fP e t r o l e u m， Do n g y i n g 2 5 7 0 6 1 ， C h i n a A b s t r a c t T o mo r e e ff e c t i v e l y p r o mo t e t h e a p p l i c a t i o n o f h y d r a u l i c p u l s e c a v i t a t i n g j e t d r i l l i n g t e c h n o l o g y H P C J D T ， ma n y a p p l i c a t i o n c a s e s o f t h e HPCJ DT h a v e b e e n s u mma r i z e d a n d a n a l y z e d b a s e d o n t h e i n t r o d u c e o f t h e me c h a n i s m o f i mp r o v i n g t h e r a t e o f p e n e t r a t i o n wi t h t h e HP CJ DT ． Re s u l t s i n d i c a t e t ha 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 n g J e t Ge n e r a t o r h a s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f s i mp l e s t r u c t u r e ， c o n v e n i e n t a p p l i c a t i o n ， a n d s o n g r e l i a b i l i t y ． I t c o u l d b e u s e d wi th c o n v e n t i o n a l BHA， mu d mo t o r , u n d e r b a l a n c e d d r i l l i n g s t r i n g a n d P o we r V dri l l i n g t o o 1 ． T h i s t o o l h a s b e e n a p p l i e d f r o m Ce n o z o i c f o r ma t i o n t o P a l e o z o i c f o rm a t i o n ， a n d i s s u i t a b l e f o r e i t h e r s o ft o r h ard f o rm a t i o n ． T h e ma x i mu m e x p e r i m e n t a l we l l d e p th i s u p t o 6 1 6 2 m， a n d t h e r a n g e o f b o r e h o l e d i a me t e r i s fro m 2 1 5 n u n t o 4 0 6 mm， us i ng di ffe r e n t t ype PDC dri l l b i t or c o ne bi t ． The a p pl yi ng r a ng e ofd r i l l i ng pa r a me t e r s i s wi de wi t ho u t s pe c i al r e q ui r e me nt ． Us ua l l y , t h e t o o l c o u l d wo r k o v e r 2 3 0 h ． T h e HP CJ DT h a s we l l a d a p t a b i l i ty t o t h e p r e s e n t dri l l i n g e q u i p me n t s ， t e c h n o l o g i c a l p a r a me t e r s ， e t c ． ， an d t h e a v e r a g eROPh a s b e e ni n c r e a s e db y 1 0 ． 1 t o 1 0 4．4p e r c e n t ， i t p r o v i d e s a s a f ean dh i g he ffi c i e n t n o v e l d r i l l i n gt e c hn o l o g yfo r d e e pdri l l i n g ． Ke y w o 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 n g j e t ； r a t e o f p e n e t r a t i o n ； a p p l i c a b i l i ty a n a l y s i s ； d r i l l i n g t e c h n i q u e 钻 井 是油 气 勘 探 开 发必 不 可 少 的 关键 环 节 和 手段。世界 范 围 内， 探井 费用 占勘探 总成 本 的 5 5 ％～ 8 0 ％， 开发井费用占开发总成本的比例也越来 越高 。随着油气 勘探开发 的深入 和钻探地层复杂 程度 的增加 ， 提 高钻井速度 、 缩 短钻井周期一 直是 石油钻井界研究 的热点和难点 问题 ， 也是永恒 的追 求 目标。 在钻井作业中， 钻进过程均是 由钻柱重量加压 ， 基金项 目国家重点基础研 究发展计划项 目 “ 9 7 3计划” “ 深井复杂地层安全 高效钻 井基础研究” 编号 2 O l 0 c B2 2 6 7 o 0 。 作者简介付加胜， 1 9 8 3 年生。现为中国石油大学 北京 油气井工程专业在读博士研究生， 研究方向为油气井流体力学与工程。电话 0 1 0 8 9 7 3 3 9 8 8 。E- ma i l k a n g 3 3 4 5 1 8 1 2 6 ． c o m。通讯作者 李根生 ， 1 9 6 1年生。 中国石油 大学 北京 教授 、 博 士生导师 ， 现 主要从事石油工程和高压水射流的教学和研究工作。电话0 1 0 8 9 7 3 3 9 3 5 。E m a i l l i g s c u p ． e d u ． c a 。 付加胜等 水力脉冲空化射流钻井技术适应性分析 依靠机械和水力能量的联合作用破岩并由钻井液清 岩。而在深井或超深井 中， 随着井深的增加 ， 沿程水 力损失大幅增加 ， 在地面机泵功率不变的条件下 ， 井 底钻头可用水马力急剧下降 ， 水力破岩 、 清岩能力也 大大下降， 导致岩屑重复破碎， 甚至钻头泥包 ， 使钻 井速度下降。如何提高深井钻速成为钻井界研究的 重要课题之一 l 1 J 。研究和试验表明， 将水力脉冲射 流和 自振空化射流结合 即是一种能很好地提高钻井 速度的方法 。 1 提高机械钻速机理 李根生教授等经过 十多年系统 的理论研究 、 室 内实验和现场试验应用 ， 创造性地将水力机械 中十 分有害 的空化 空蚀破坏作用人为引入钻井射流中， 变有害为有利 ， 研制成功水力脉冲空化射流钻井新 技术 Ⅲ 。 水力脉 冲空化射流钻井技术是水力脉 冲射流和 自振空化射流耦合 的一种钻井新技术 ， 通过水力脉 冲空化射流发生器来实现 。水力脉冲空化射流发生 器主要 由本体 、 弹性挡 圈、 导流体 、 叶轮总成、 自激振 荡腔室等组成， 见图 1 。叶轮总成主要有叶轮座、 叶 轮 和叶轮轴等部件。钻进时 ， 水力脉 冲空化射流发 生器安装于钻头和钻铤或井下动力钻具之间 ， 将流 常规连续流动调制成振动脉 冲流动 ， 在井底形成脉 冲空化射流 ， 产生水力脉 冲、 空化冲蚀、 瞬时负压 3 种效应。通过水力脉冲和空化射流的组合作用改变 井底流场、 岩石应力状态 ， 达到提高破岩和携岩效率 的作用。 上母接头 导流体 叶轮轴 自激振 荡喷嘴 下母接 头 性挡圈 轮 轮座 激振荡腔室 体 图 1 水力脉冲 空化射流发生器结构示意图 2 现场试验分析 水力脉冲空化射流发生器研制成功后 ， 即开展 油 田现场试验 ， 截至 2 0 1 0年 7月在塔里木油 田、 新 疆油 田、 大庆油 田、 吐哈油 田、 吉林油 田、 四川油 田、 青海油 田、 西北局等 8个油 田 2 6 3 井次进行 了多 区 块 、 多井段 、 多地层 、 多组合的现场试验和应用 ， 见表 1 。提 高机 械钻速 1 0 ． 1 ％～ 1 0 4 ． 4 ％， 对现有 的钻井装 备、 工艺参数、 钻井液性能、 软到硬地层等深井超深 体的扰动作用和自振空化效应耦合， 将进入钻头的 井具有较好的适应性 ， 经济效益显著。 表 1 油田现场试验统计 2 ． 1 多重组合钻井适应性分析 水力脉冲空化射流发生器可与常规钻具组合、 井下动力钻具组 合、 欠平衡钻具组合 以及 P o we r V 钻具等配合钻进 ， 见表 2 ， 在现有钻井参数条件下 ， 可 较大幅度提高机械钻速， 为深井钻井提供了一种安 全高效的钻井新技术 。 l 2 石油钻采工艺2 0 1 2年 9月 第 3 4卷 第 5 期 2 ． 1 ． 1 水力脉冲空化射流配合常规钻具在新疆塔 里木克拉 、 英买利、 塔 中、 轮南区块 ， 新疆塔河 区块 ， 四川元坝区块， 吉林伊通区块等不同油田不同区块， 在 04 0 6 mm、 3 1 1 ml T l 、 O2 4 1 mm、 02 1 6 mm等不同 井眼， 使用 P D C、 牙轮等不同钻头在正常的钻井参数 条件下钻进 ， 进行 了大量现场试验。结果表明 ， 水力 脉 冲空化射流发生器与常规钻具组合配合较好 ， 机 械钻速平 均提高 1 0 ． 1 ％～ 8 5 ． 1 ％， 取得显著效 果。图 2为新疆塔河区块 T K1 0 9 0井使用常规水力 脉冲空 化射流钻井现场试验 的钻时对 比图， 该井试 验井段 5 3 4 9 ～ 5 7 3 1 m， 进尺 3 8 3 ． 0 1T I ， 纯钻时间为 1 3 6 ． 6 3 h ， 平均机械钻速 2 ． 8 0 m ／ h ， 比邻井 T K1 0 1 3 井同井段机 械钻速提高 5 3 ． 8 ％。 图 2 T K1 0 9 0井与邻 井 T K1 0 1 3相 同井段钻 时对 比图 2 ． 1 ． 2 水力脉冲空化射流复合钻井在塔里木油 田英 买利 区块 、 轮南区块 、 内蒙古海拉尔区块 、 中石化西 北局等 区块 ， 在 03 1 1 mm、 O 2 1 6 mm 等不同井眼 ， 使 用 P DC、 牙轮等不同钻头进行 了大量现场试验。结 果表 明， 水力脉冲空化射流发生器 与螺杆钻具组合 配合较好 ， 机械钻速平均提 高 1 3 ． 8 ％～ 1 0 4 ． 4 ％， 取得 明显提速效果。图 3为内蒙古海拉尔 区块乌 3 4井 使用水力脉冲空化射流复合钻井现场试验的钻时对 比图， 该井试验井段为 3 0 1 4 ～ 3 0 8 3 m， 钻具组合螺 杆钻具 水力脉冲空化射流发生器 牙轮钻头复合 钻井进尺 6 9 1T I ， 纯钻时间 2 4 ． 6 4 h ， 平均机械钻速 2 ． 8 0 m ／ h ， 与同井相邻井段 2 9 2 8 ～ 3 0 1 4 m ， 使用螺杆钻 具相比， 平均机械钻速提高 4 2 ． 1 ％。 一 螺杆钻具和 水力脉冲发生器 复合钻井井段 3 0143 083m 井 深 ／ m 图3 乌 3 4井试验井段与相邻井段钻时对比图 2 ． 1 - 3 水力脉冲空化射流欠平衡钻 井克拉玛依金 龙 3 井 由于地层硬、 高研磨性造成机械钻速低等问 题， 所以选择水力脉冲空化射流发生器配合螺杆钻 具一起使用以达到提高机械钻速、 降低钻井成本的 目的。 在欠平衡钻井过程 中安装水力脉冲空化射流发 生器后能提高机械钻速。在钻井参数基本不变 的情 况下 ， 钻头 水力脉 冲空化射流发生器配合欠平衡 钻井和钻头水力脉冲空化射流发生器螺杆钻具 配合欠平衡钻井比常规欠平衡钻井的机械钻速分别 平均提高 1 6 ． 7 ％、 8 7 ． 3 ％。起出水力脉冲空化射流发 生器新度在 9 8 ％ 以上， 充分说明水力脉冲空化射流 发生器在欠平衡条件下与螺杆钻具配合有较好的适 应 l生， 且使用寿命完全可以满足现场的正常使用。 2 ． 1 ． 4 水力脉冲空化射流配合 P o we r V钻 井水力 脉 冲空化射流发生器与 P o we r V配合在新疆 油 田 准噶尔盆地风城 1 井现场试验 。试验井段地层硬 ， 地 层倾角达 到 1 2 。， 属 于高 陡地层 ， 该段 地层 机械 钻 速低 、 易斜 ， 采 用 P o we r V技 术进 行 防斜 打直 。 在 2 9 7 6 ～ 3 0 0 9 m井段 ， 采用水力脉冲空化射流钻井 技术配合 P o we r V技术进行现场试验 ， 平均机械钻 速为 1 ． 1 2 m ／ h ， 相 比上部邻井段平均机械钻速提高 1 9 ． 1 ％。由试验结果可知 ， 水力脉冲空化射流钻井跟 P o we r V技术配合有较好的适用性 ， 减少了 P o w e r V 技术使用时间， 降低了钻井成本。 2 ． 2 地层适应性分析 水力脉冲空化射流钻井技术在 8个油田不同井 付加胜等水力脉冲空化射流钻井技术适应性分析 1 3 深的地层进行了大量试验 ， 结果表明， 水力脉冲空化 的古生代地层 ， 地层特性包括软 、 中硬 、 硬地层 ， 最大 射流钻井技术适用于从最新 的新生代地层到较古老 试验井深为 6 1 6 2 m， 见表 3 。 表 3 水力脉冲空化射流钻井技术试验地层统计 2 ． 3 井径、 钻头适应性分析 水 力脉 冲空化 射流钻井技 术在不 同井 眼配合 果表 明， 水 力脉 冲空化射流钻井 技术 在 0 4 0 6 r l l l T l 、 O3 1 1 1 T n T I 、 O 2 4 1 I n m、 O2 1 6 mm等井眼配合 P DC和 不同的 P D C钻头和牙轮钻头进行 了大量试验 。结 牙轮钻头使用较好 ， 取得 明显提速效果 ， 见表 4 。 表 4 水力脉冲空化射流钻井技术试验井眼、 钻头及钻压、 转速统计 2 ． 4 钻压、 转速适应性分析 水力 脉冲空化射流钻井技术在不 同的钻压 、 转 速参数范 围进行 了大量试验。结果表 明， 水力脉冲 空化射流钻井技术在钻压 2 0 ～ 3 5 0 k N和转速 4 0 ～ 1 2 0 r ／ rai n范 围内及复合钻井条件下 ， 使用效果较好 ， 取 得明显提速效果 。 2 ． 5 泵压、 排量适应性分析 水力脉冲空化射流钻井技术在 8 个油 田不 同泵 压 、 排量参数范围进行 了大量试验。结果表 明， 水力 脉冲空化射流钻 井技术在泵压 1 0 ～ 2 3 MP a和排 量 2 6 ～ 5 8 L ／ s 范围条件下 ， 使用效果较好 ， 取得 明显提 速效果 ， 见表 5 。 l 4 石油钻采工艺 2 0 1 2年 9月 第 3 4卷 第 5期 2 ． 6 钻井液密度适应性分析 水 力脉 冲空化射 流钻井技 术在 8 个 油 田使用 不 同钻井 液 密度进 行 了大量试 验。结果 表 明， 水 力脉 冲空化射流钻井技术在钻井液密度 1 ． 0 6 ～ 1 ． 7 0 g ／ c m 范围条件下， 使用效果较好， 取得明显提速效 果 ， 见表 5 。 2 ． 7 工具寿命分析 试验表 明， 水力脉冲空化射 流发生器正常可配 合 2只牙轮钻头或 1只 P DC钻头工作 2 3 0 h以上 ， 部分应用超过 5 2 0 h ， 使用可靠， 工具寿命可保障正 常钻进 ， 使用效果较好 ， 取得明显提速效果。 3结论 水 力脉 冲空化射 流钻井技术 是将 水力 脉冲射 流和 自振空化射流耦合 ， 将连续流动的钻井液调制 成振动脉冲流动， 在井底产生水力脉冲、 瞬时负压、 空化空蚀 3 种效应 ， 改 变井底流场 、 岩石应力状态 ， 达到提高破岩和携岩效率 的作用。统计结果表明 水力 脉冲空 化射 流钻井 技术适 用 于软到 硬地层 ， 2 1 6 ～ 4 0 6 mm井 眼配合 P D C和牙轮钻头 ， 钻压 2 0 ～ 3 5 0 k N和转速 4 0 ～ 1 2 0 d min 及复合钻井， 泵压 1 0 ～ 2 3 MP a 和排量 2 6 ～ 5 8 L ／ s ， 钻井液密度 1 ． 0 6 ～ 1 ． 7 0 g ／ c m 。正常可工作 2 3 0 h以上 ， 部分应用超过 5 2 0 h ， 平均机械钻速 提高 1 0 ． 1 ％～ 1 0 4 ． 4 ％。水力 脉冲空化 射流发生器结构简单， 使用方便 ， 可靠性强， 工作时 间长， 对现有的钻井装备、 工艺参数、 钻井液性能、 软 到硬地层 等具有 良好的适应性 ， 能满足现场使用 的 可靠性要求和寿命要求。 参考文献 [ 1 ] 沈忠厚 ． 现代钻井技术发展趋势[ J ] ． 石油勘探与开发 ， 2 0 0 5， 3 2 1 8 9 9 1 ． [ 2] 李根生， 沈忠厚 ． 高压水射流理论及其在石油工程中应 用研究进展 [ J ]． 石油勘探与开发， 2 0 0 5 ， 3 2 1 9 6 ． 9 9 ． [ 3] 王智锋 ． 负压脉冲钻井技术理论及方法 [ J ]． 石油钻 采工艺 ， 2 0 0 5 ， 2 7 6 1 3 ． 1 5 ． [ 4] 李根生， 沈忠厚， 张召平， 等 ． 自振空化射流钻头喷嘴研 制及现场试验 [ J ]． 石油钻探技术， 2 0 0 3 ， 3 1 5 l 1 1 2 ． [ 5] 李根生， 沈忠厚， 周长山， 等 ． 自振 空化射流研究与应用 进展 [ J ]． 中国工程科学， 2 0 0 5 ， 7 1 2 7 ． 3 2 ． [ 6] 李根生， 沈忠厚， 李在胜， 等 ．自振空化射流提高钻井速 度的可行性研究 [ J ] ． 石油钻探技术， 2 0 0 4 ， 3 2 3 1 - 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