水力脉冲射流钻井提速技术在江苏油田的应用.pdf

2 0 1 5年第 4 3卷第 5期 石 油机械 CHI NA P ET ROL EUM MACHI NERY 钻 井技术与装备 水 力脉 冲射流钻 井提 速技术在 江苏油 田的应用 秦 春 陈小元 李 禹 郭俊平 中石化江苏石油工程有限公司钻井处 摘要水力脉冲射流钻井技术是一种具有改善井底流场、减少压持效应 、降低重复破碎 以及提 高破岩携屑效果和机械钻速的特设技术。通过将 P D C钻头安装脉冲喷嘴，将连续射流变为脉冲射流， 克服 了现有喷嘴射距短和持续能量小等缺点。该技术在 4 0多口井进行 了应用 ，在 2 0 0 0 m 中上部 井 段使用脉冲喷嘴，机械钻速提高 1 0 ％ ～ 4 0 ％，在 2 0 0 0～ 3 5 0 0 m 下部 井段使用脉冲喷嘴机械钻速 提高 1 0 ％ ～2 0 ％。水力脉冲空化射流接头与脉冲 喷嘴 的耦合钻井，产生多级谐振脉冲射流，该技 术在 4口井进行 了应用 ，在 2 0 0 0 m上部地层机械钻速提高 1 5 ％左右，在 2 0 0 0～2 8 0 0 m 的下部 井段机械钻速提高 1 5 ％ ～ 2 5 ％。该技术在江苏油田的应用 中取得 了较好的提速效果。 关键词 P D C钻头；脉冲喷嘴；水力脉冲射流；耦合钻井；机械钻速 中图分类号 T E 2 4 2 ． 9 文献标识码 A d o i 1 0 ． 1 6 0 8 2 ／ j ． c n k i ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 5 ． 0 5 ． 0 0 5 Ap p l i c a t i o n s o f Hy d r a u l i c P u l s e J e t Te c h n o l o g y i n J i a n g s u Oi l fie l d Q i n C h u n C h e n X i a o y u a n L 1 Y U G u o J u n p i n g D r i l l i n g D e p a r t m e n t o f S I N O P E C O i lfie l d S e r v i c e J i a n g s u C o r p o r a t i o n Ab s t r a c t H y d r a u l i c p u l s e j e t d r i l l i n g t e c h n o l o g y i s a s p e c i a l t e c h n o l o g y t h a t c o u l d i m p r o v e R O P b y i m p r o v i n g d o wnh o l e fl o w fie l d， r e d u c i ng c h i p h o l d d o wn e f f e c t ， r e d u c i ng r e pe a t r o c k b r o k e n， i n c r e a s i n g t h e e f f e c t o f r o c k b r e a k i n g a n d t h e c u t t i n g c a r r y i n g p e r f o r ma n c e ． T h e p u l s e j e t i s a c h i e v e d b y i n s t a l l i n g p u l s e n o z z l e s o n t h e P D C b i t ， e l i mi n a t i n g t h e s h o r t c o mi n g s o f s h o rt j e t d i s t a n c e a n d s m a l l s u s t a i n e d e n e r gy o f e x i s t i n g n o z z l e s ． T h e t e c h n o l o g y h a s b e e n a p p l i e d i n mo r e t h a n 4 0 we l l s ． T h e ROP c o u l d b e i n c r e a s e d b y 1 0 ％t o 4 0 ％i n 2 0 0 0 m u p p e r h o l e s e c t i o n a n d i mp r o v e 1 0％ t o 2 0％i n 2 0 0 0 3 5 0 0 n l l o we r s e c t i o n u s i n g p u l s e d n o z z l e ． Th e c o mb i ne d h y d r a u l i c p ul s e c a v i t a t i n g j e t n o z z l e j o i n t a n d p u l s e n o z z l e r e s u l t i n a mu l t i s t a g e r e s o n a n c e p u l s e j e t ，t h e t e c h n o l o g y h a s b e e n a p p l i e d i n f o u r we l l s ． Th e ROP c o u l d b e i n c r e a s e d b y a bo u t 1 5％i n 2 0 0 0 m u p pe r h o l e s e c t i o n a nd i mpr o v e 1 5％ t o 2 5％ i n 2 0 0 0 ～ 2 8 0 0 m l o we r s e c t i o n．a c h i e v i n g a g r e a t ROP i n c r e me n t i n J i a n g s u Oi l fi e l d ． Ke y w o r d s P D C b i t ；p u l s e n o z z l e ；h y d r a u l i c p u l s e j e t ；c o u p l i n g d r i l l i n g ；R O P 0 引 言 在常规钻井作业 中， 无论是转盘钻进还是井底 动力钻具钻进 ， 均是依靠钻柱重力加压 ，在水力能 量的作用下 ， 依靠钻头和射流的联合作用破岩。而 随着井深的增加 ，井底 围压和地层岩石强度增大 ， 不易破碎 ，井底岩屑压持效应加剧 ，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 ，由于井底水力能量 降低 ， 水力破岩和清岩能力也大大下降 ， 在很多情况下 由 于岩屑不能及时清除而导致重复破碎 ，甚至造成钻 头泥包 ，导致 中深井钻井机械钻速低 、周期长、成 本高。因此， 如何提高井底水力能量利用效率和钻 井机械钻速已成为亟待解决的问题 J 。 水力脉冲射流钻井技术是一种独具特色 、能显 基金项 目中石 化石 油工程 技术服务有限公司先导项 目 “ 苏北盆地长泥岩裸 眼井段 优快钻井技术应用研 究” S G1 3 4 1 X ；中石化 江苏石 油工程 有限公司科研项 目 “ 脉冲空化射流钻井技术研究” J S 1 4 0 2 2 。 石 油机械 2 0 1 5年第 4 3卷第 5期 著提高机械钻速的工艺技术方法 ，该技术利用水力 脉冲空化射流接头或脉冲喷嘴将钻井管柱中的连续 流转变为脉冲射流 ，从而 改变井底 流场 的压力 状 况 ， 改善井 底流场 、减 少压持 效应 、降低重 复破 碎、提高破岩携屑效果 ，从而提高机械钻速。该技 术在江苏油田的 4 0多 口井进行 了应用 ，取得了较 好的提速效果 。 1 水力脉冲射流钻井的提速机理 1 ． 1 P D C钻头脉冲喷嘴的提速机理 脉冲喷嘴 见 图 1 将钻井泵 提供 的连续 射 流 ，通过脉冲装置 内的 自激振荡腔室边界条件的碰 撞产生振荡放大和反馈作用 ，使射流产 生振 荡脉 冲，将连续射流变为脉冲射流。 自激振 荡腔 室 图 1 脉 冲喷嘴 示意图 Fi g ．1 S c he ma t i c di a g r a m o f p u l s e no z z l e 在相同的条件下 ，与现有的普通喷嘴比较 ，脉 冲射流瞬时冲击力提高 1 ． 7～2 ． 5倍 ，有效喷距提 高 1 ． 5～ 2 ． 0倍 ，岩石冲击体积提高 2～ 4倍 。脉 冲 喷嘴克服了现有喷嘴射距短 和持续能量小等缺点 ， 大大提高了钻井速度 ，而且还有 助于提高 P D C钻 头进尺，也使破碎的岩 屑粒径增大 2～ 4倍 ，这对 于某些勘探井 ，扩大了 P D C钻头的使用范围 J 。 1 ． 2水力脉冲空化射流接头的提速机理 水力脉冲空化射流接头主要由本体、弹性挡圈、 导流体 、叶轮总成和 自激振荡腔室等组成，见 图 2 。 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 冲空化射流接头安装 于钻头 上 部 ，将流体 的扰动作用和 自振空化效应耦合 ，使进 入钻头的常规连续流动调制成振动脉冲流动 ，钻头 喷嘴出口 成脉冲空化射流，产生3 种效应①水力 脉冲效应。改善井底流场 ，提高井底净化和清岩效 率 ，减少压持和重复破碎 。②空化冲蚀效应。利用 空化冲击能量辅助破岩 ，提高破岩效率。③瞬时负 压效应 。井底瞬时负压脉冲，局部瞬时欠平衡 ，改 变岩石受力状态使岩石易破。水力脉冲空化射流发 生器能改变井底流场和岩石应力状态 ，达到提高破 岩和携岩效率的作用 ，从而提高机械钻速 。 6 7 8 自激振 荡腔 室 9 l F 接头 ；2 -- 自激振荡喷嘴 ；3 一 叶轮轴 ；4 一导流体 ； 5 一上接头 ； 6 一弹性挡圈 ； 7 一 叶轮 ； 8 一叶轮座 ； 9 一本体 。 图 2水力脉冲空化射流接头结构示意 图 F i g ． 2 S t r u c t u r a l s c h e ma t i c d i a g r a m 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 g e n e r a t o r 1 ． 3 水力脉冲空化射流接头与脉冲喷嘴耦合钻井 的提速 机理 水力脉冲空化射流接头与脉冲喷嘴耦合钻井技 术是通过对强攻击性 P D C钻头配以脉冲喷嘴 ，同 时配合水力脉冲空化射流接头 ，将 P D C钻头 的强 力破岩性能与脉冲射流的水力增压效能有机结合起 来 ，形成多级谐振脉冲射流 ，提高了射流对地层 冲 击和冲蚀的能力 ，减少了压持现象 ，增加井底岩屑 脱离上返速度 ，提升 了 P D C钻头破岩效率，减少 了钻头泥包现象 ，从而提高钻井速度_ 9 J 。 2 水力脉冲射流钻井配套技术措施 2 ． 1 钻井水力参数优化措施 为较好地发挥水力脉冲射流钻井的优势，应进 行钻井水力参数优化 。水力参数优化就是确定钻井 液排量和选择喷嘴直径 ，在不同井深下优选最优的 排量和喷嘴直径的组合。排量在考虑最低返速和压 耗的前提下 ，尽可能采用大排量钻进 。 喷嘴组合优化措施为 1 牙轮钻 头安装不等径 喷嘴时 ，喷嘴 的布 置按孔径 由小到大的顺序与钻头旋转方 向一致 的组 合最优。 2 P D C钻头安装不等径 喷嘴时 ，考虑刀翼 的切削量 ，大尺寸喷嘴放在主刀翼 ，小尺寸喷嘴放 在副刀翼。 3 使用螺杆钻具时 ，钻 头喷嘴压降须考 虑 螺杆的要求 。螺杆钻具要求钻 头喷嘴压降保持 在 1 ． 8～7 ． 0 MPa。 2 ． 2 钻井液性能要求 钻井液对脉冲喷嘴和脉冲空化射流接头的水力