水力脉冲空化射流欠平衡钻井提高钻速技术.pdf

2 O 1 O年 2月 石油勘探与开发 P ETRoLEUM EXPL 0RAT1 0N AND DEVEL 0PM ENT Vo 1 ． 3 7 No ． 1 1 1 1 文章编号 1 0 0 0 0 7 4 7 2 0 1 0 0 1 0 1 1 1 一 O 5 水力脉冲空化射流欠平衡钻井提高钻速技术 史 怀忠 ，李根生 ，王学杰 ，沈忠厚 ，牛继磊。 ，黄 中伟 ，廖华林 1 ．中国石油大学 北 京 油气资源与探测 国家重点 实验 室； 2 ． 中国石油大学 华东 石油工程学 院 基 金项 目国 家重 点 基 础 研 究发 展 计 划 项 目 9 7 3计 划 2 0 1 0 CB 2 2 6 7 0 0 摘要 研 究了水力脉冲 空化射流欠平衡钻井破岩 、 清岩 、 提高机械钻速机理 ， 并在准噶尔盆地金龙 3井进行 了水力脉 冲空化 射流欠平衡钻井现场试验。研 究结果表明， 井底 欠平衡状态下产 生水力脉 冲、 空化冲蚀和局部负压效应 ， 可 改善井底流场 ， 降 低岩石 的破 碎强度 ， 促进井底 已破碎岩 石及 时脱 离井底， 减少反复切 削及压 持效应 ， 从 而达 到提高机械钻速 的 目的。金龙 3 井相邻井段机械钻速 对比表 明， 在钻井参数基本不变的情况 下， 采用牙轮钻头水力脉冲空化射流发生器欠平衡钻井方式钻 2 5 9 0 2 6 5 5 m井段和采用牙轮钻头水力脉 冲空化射流发生器 螺杆钻具欠平衡钻井方式钻 2 6 5 5 ～2 7 5 9 m井段的机械 钻速分别比采用欠平衡钻 井方式钻 2 4 8 5 ～2 5 9 0 m 井段的平均机械钻速提高 1 9 ． 8 和 8 7 ． 1 。图 5 表 2参 1 4 关 键 词 水 力脉 冲 ；空 化 射 流 ；欠 平衡 钻 井 ；机 械 钻 速 中图分类号 TE 2 4 8 ； T E 2 4 9 文献标识码 A I m pr o v i n g t h e r a t e o f pe ne t r a t i o n b y h y dr a u l i c p u l s a t i ng ‘ c a v i t a t i ng wa t e r j e t u n d e r - b a l a n c e p r e s s u r e d r i l l i n g S h i Hu a i z h o n g ，Li Ge n s h e n g ，Wa n g Xu e j i e ，S h e n Z h o n g h o u ， Ni u J i l e i ，Hu a n g Z h o n g we i ，Li a o Hu a l i n 1 ． St a t e Ke y La 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，Ch 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， C h i n a ； 2 ． C o l l e g e o f P e t r o l e u m En g i n e e r i n g， C h i n a U n i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m，D o n g y i n g 2 5 7 0 6 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r s t u d i e s t h e me c h a n i s m o f r o c k b r e a k i n g a n d c l e a r i n g a n d 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 ROPi n 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 n g wa t e r j e t u n d e r b a l a n c e p r e s s u r e d r i l l i n g ．Fi e l d e x p e r i me n t i n W e l l J i n l o n g 3，J u n g g a r B a s i n d e mo n s t r a t e s 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 n g wa t e r j e t u n d e r b a l a n c e p r e s s u r e d r i l l i n g c a n g e n e r a t e h y d r a u l i c p u l s e ， c a v i t a t i n g e r o s i o n a n d l o c a l n e g a t i v e p r e s s u r e e f f e c t ． I t c a n mo r e e f f e c t i v e l y c h a n g e b o t t o m f l o w f i e l d， d e c r e a s e r o c k b r e a k i n g s t r e n g t h，p r o mo t e b o t t o mh o l e r o c k t O l c a v e o n t i me ，r e d u c e b o t t o m h o l e r o c k h o l d d o wn e f f e c t ，a n d i mp r o v e t h e r a t e o f p e n e t r a t i o n ．Co mp a r e d wi t h d r i l l i n g t h e i n t e r v a l o f 2 4 8 5 2 5 9 0 m b y t h e u n d e r b a l a n c e d d r i l l i n g，u n d e r t h e s a me d r i l l i ng pa r a me t e r s， d r i l l i ng t h e i n t e r v a l o f 2 5 9 02 6 55 m by t he un de r b a l a nc e d dr i l l i ng of c o ne bi t wi t h hy dr a ul i c pul s a t i ng 。c a vi t a t i n g g e ne r a t o r a n d dr i l l i n g t he i nt e r v a l of 2 65 5 2 75 9 m by t he u n de r b a l an c e d d r i l l i ng o f c on e b i t 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 n g wa t e r j e t wi t h h y d r a u l i c mo t o r i mp r o v e ROP，O n a v e r a g e ，1 9 ． 8 a n d 8 7 ． 1 ，r e s p e c t i v e l y ． 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 n g wa t e r j e t ；u n d e r b a l a n c e d d r i l l i n g；p e n e t r a t i o n r a t e 0引言 随着我 国深部油气层 的不断发现 ， 特别是 西部地 区深 井和超 深 井 钻 井 数 量 不 断 增 加 ， 钻 井 过 程 中 遇 到 的复 杂情况 增多 ， 并且 随 着井 深 的 增加 ， 钻井 速 度 下 降 幅度明显增大， 同时钻井成本也急剧增加 ， 这直接影 响 到油 田的勘探 开发 速度 。深 井 机 械 钻速 低 成 为 制约 深 井钻井技术发展的瓶颈， 如何提高深井钻速成为钻井 界研 究 的重要 课题 之一[ 1 。 ] 。 传统钻井方式的能量传输 、 转换 、 分配和利用效率 等问题一直未能解决， 能量综合利用效率很低 。世界 各 国的石油 专 家 不 断 地 探 索 研 究 新 的 钻 井 方 法 ， 研 究 和试验表明， 通过水力脉 冲和空化射流技术来提 高钻 井 速度 是一 种行 之有 效 的方法 [ s q o ] 。 欠平衡压力钻井 比超平衡压力钻井井底岩石容易 破 碎 ， 而 且井 底 易 清 洗 ， 可 大 幅 度 提 高 机 械 钻 速 ， 从 而 缩短 钻井 周期 ， 减 少作 业及 相关 费用 。 本文主要研究水力脉冲空化射流钻井技术在欠平 衡钻井工况下提高机械钻速 的机理 ， 并结合金 龙 3井 现场试验进行分析总结 。 1水力 脉 冲空 化射 流发 生 器结 构与 工作 原 理 1 ． 1水 力脉 冲 空化射 流发 生器 结构 水力 脉 冲空化 射 流发 生 器 主要 由上 ／ 下母 接 头 、 本 2 0 1 0年 2月 史怀忠 等 水力脉冲空化射流欠平衡钻井提高钻速技术 l 1 5 4结 论 研 究表 明 ， 水 力 脉 冲空 化 射 流欠 平衡 钻 井 过 程 中 在井底产生的瞬时负压可起 到降低岩石破碎强度和促 进 已破 碎岩 石 及 时 脱 离井 底 的作 用 ， 通 过 减 少 反 复 切 削、 降低压持效应进而达到提高机械钻 速的 目的。现 场试验表明， 在钻井参数基本不变的情况下 ， 水力脉冲 空化射流欠平衡 钻井、 水力脉冲空化射流欠平衡复合 钻井 比常规 欠平 衡 钻 井 的平 均 机 械 钻 速分 别 提 高 1 9 ． 8 和 8 7 ． 1 。 水 力脉 冲空 化射流 发 生器 在 金 龙 3井 试 验 过程 中 性 能稳 定 、 质 量 可 靠 ， 起 出工 具 新 度 在 9 8 以 上 纯 钻 时间为 1 0 8 ． 5 h ， 充 分说 明水 力 脉 冲空 化 射 流 发 生 器 在 欠平衡 条件 下 以及跟 螺 杆钻 具 配 合情 况 下 有很 好 的 适 应性 ， 且使用 寿命 完全 可 以满足 钻井 的需 要 。 本 研究得 到 中 国石 油 新疆 油 田公 司勘 探 公 司 西北 缘 项 目经理部 的 大力支 持与 协助 ， 在此 深表 感谢 。 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 ． S h e n Z h o n g h o u ．D e v e l o p me n t t r e n d o f mo d e r n d r i l l i n g t e c h n o l o g y [ J ] ． Pe t r o i e u m Ex p l o r a t i o n a n d De v e l o p me n t ，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 ． Li Ge n s he n g， S h e n Z h o ng h o u ．Adv a n c e s i n r e s e a r c h e s a n d a p p l ic a t i o n s o f w a t e r j e t t h e o r y i n p e t r o l e u m e n g i n e e r i n g[ J ] ． Pe t r o l e u m Ex pl o r a t i o n a nd De v e l o p m e n t ，2 0 0 5，3 2 1 9 6 9 9 ． E 3 ] 陈国明，殷 志 明，许 亮斌 ，等．深水 双梯 度钻 井技 术研 究进 展 _ J ] ．石油勘探与开发 ，2 0 0 7 ，3 4 2 2 4 6 ～ 2 5 1 ． Ch e n Gu o m i n g， Yi n Zh i mi n g， Xu Li a n g b i n， e t a 1 ． Re v i e w o f d e e p w a t e r d u a l g r a d i e n t d r i l l i n g t e c h n o l o g y[ J] ． P e t r o l e u m Ex p l o r a t i o n a n d De v e l o p me nt ，2 0 0 7，3 4 2 2 4 6 2 5 1 ． [ 4 ] 乔磊 ，申瑞 臣，黄洪春 ，等．沁水盆地南 部低成本 煤层气钻井 完 井技术E J ] ．石油勘探 与开发 ，2 0 0 8 ，3 5 4 4 8 2 4 8 6 ． Qi a o Le i ，Sh e n Ru i c h e n， Hua n g Ho n gc h u n， e t a 1 ． Lo w c o s t d r i l l i n g a n d c o mp l e t i o n t e c hn i q u e s f o r c o a l b e d me t h a n e i n s o u t h e r n Qi n s h u i Ba s i n ， Ce n t r a l C h i n a [J] ． P e t r o l e u m Exp l o r a t i o n a n d De v e l o p m e n t ，2 0 0 8，3 5 4 4 8 2 - 4 8 6 ． E 5 ] 汪海阁 ， 郑新权．中石油深井钻井技术现状 与面临的挑 战E J ] ．石 油钻采工艺 ， 2 0 0 5 ，2 7 2 4 - 8 ． W a ng H a i g e，Zh e n g Xi n q u a n ． S t a t u s q u o a n d f a c e d c h a l l e n g e s o f d e e p we l l d r i l l i n g t e c h n i q u e s o f P e t r o C h i n a [ J ] ．Oi l Dr i l l i n g Pr o d u c t i o n Te c h n ol o g y ，2 0 0 5，2 7 2 4 - 8 ． [ 6 ] 刘汝 山， 朱德武．中国石化深井钻井 主要技术难点及对策E J ] ．石 油钻探技术 ， 2 0 0 5， 3 3 5 6 - 1 0 ． I i u Ru s h a n．Zh u De wu ． M a i n t e c hn i c a l d i f f i c u l t i e s e n c ou nt e r e d wh i l e d r i l l i n g d e e p we l l s a n d c o u n t e r me a s u r e s[ J ] ．P e t r o l e u m [ 7 2 [ 8 ] [ 9 ] [ 1 o ] [ 1 1 2 [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] Dr i l l i n g Te c h n i q u e s ，2 0 05 ，3 3 5 6 - 1 0 ． 周玉仓 ， 宋 勇． 塔河油 田大尺寸井 眼提高钻井速度初探[ J _ ．石油 钻探技 术，2 0 0 4 ，3 2 6 6 2 6 3 ． Z h o u Yuc a ng，S o n g Yo n g ． H o w t o i nc r e a s e t h e ROP i n a l a r ge w e l l b o r e i n T a h e Oi l f i e l d[ J ] ．P e t r o l e u m D r i l l i n g T e c h n i q u e s ， 2 0 04 ，3 2 6 6 2 ～ 6 3 ． 王 智锋．负 压脉 冲 钻井 技术 理论 和方 法 [ J ] ．石油 钻 采工 艺 ， 2 0 05 ，2 7 6 l 3 - 1 5 ． W a n g Zh i f e ng ．Di s c u s s io n o n t h e o r y＆ me t h o d o l o g y o f s uc t i o n p u l s e d r i l l i n g t e c h n iq u e[J] ． 0i 1 Dr i l l i n g 8 L P r o d u c t i o n Te c h n o l o g y，2 0 0 5，2 7 6 1 3 1 5 ． 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 u 1 3 ． Li Ge n s he n g， S h e n Zh o n gh o u， Zh a n g Zh a o p i n g， e t a 1 ． De v e l o p me n t a n d f i e l d t e s t s o f s e l f - r e s o n a t i n g c a v i t a t i n g wa t e r j e t n o z z l e f o r o i l we l l d r il l i n g[ J ] ．P e t r o l e u m Dr i l l i n g T e c h n i q u e s ， 2 0 0 3，3 1 5 1 1 1 3 ． 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 ． Li Ge n s h e n g，S h e n Z h o n g h ou，Zh o u Ch a n g s h a n，e t a 1 ． Adv a n c e s i n i n v e s t i g a t i o n a n d a p p l i c a t i o n o f s e l f r e s o n a t i n g c a v i t a t i n g wa t e r j e t E J ] ．E n g i n e e r i n g S c i e n c e ，2 0 0 5 ，7 1 2 7 3 2 ． 李根生 ，史怀忠 ，沈忠厚 ，等．水 力脉冲空化 射流钻井机 理与试 验[ J ] ． 石油勘探 与开发，2 0 0 8 ，3 5 2 2 3 9 2 4 3 ． L i Ge n s he n g， Sh i Hu a i z h o n g， Sh e n Z h o n gh o u， e t a 1 ． Me c h a n i s ms a n d t e s t s f o r h y d r a u l ic p u l s e d c a v i t a t i n g j e t a s s i s t e d d r i l l i n g [ J ] ．P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n a n d De v e l o p me n t ，2 0 0 8 ，3 5 2 2 3 9 - 2 4 3 ． 龙芝辉 ，汪志 明，范军．欠 平衡 钻井 多相 流动理 论 与计算 分析 [ J 2 ．石油勘探与开发 ，2 0 0 6 ， 3 3 6 7 4 9 7 5 3 ． Lo n g Z h i h u i ， Wa n g Zh imi n g，Fa n J u n ． A d y n a mi c mo d e li n g o f u n d e r b a l a n c e d d r i l l i n g mu l t i p h a s e - f l o w a n d n u me r i c a l c a l c u la t i o n [ J ] ． Pe t r o l e u m Ex p l o r a t io n a n d De v e l o p me n t ，2 0 0 6，3 3 6 7 4 9 7 5 3 ． 刘绘新 ， 孟英峰．注气欠平衡钻水平井的新技术[ J ] ．石油勘探与 开 发 ，2 0 0 5 ， 3 2 1 1 0 0 1 O 2 ． Li u H u i x i n，M e n g Yi n g f e n g． Ne w t e c h n o l o g y t o d r i l l h o r i z o n t a l we l l s wi t h u n d e r - b a l a n c e d p r e s s u r e b y a i r i n j e c t i o n [J] ． Pe t r o l e u m Ex p l o r a t i o n a n d De v e l o p me nt ，2 0 0 5，3 2 1 1 0 0 1 0 2 ． 杨永印，沈忠厚 ，王瑞 和．低压脉冲射 流井底欠 平衡钻井提 高钻 速机理分析E J ] ．石油钻探技术 ，2 0 0 2 ， 3 0 5 1 5 1 6 ． Ya n g Yo n g y i n， S h e n Z ho n gh o u，W a n g Ru i he ． An a l y s i s o f t h e me c h a n i s ms o f i mp r o v i n g RO P u s i n g l o w p r e s s u r e p u l s e j e t t i n g t e c h n i q u e s i n u n d e r b a l a n c e d d r i l l i n g[ J ] ． P e t r o l e u m Dr i l l i n g Te c h n i q ue s ，2 0 0 2，3 0 5 1 5 - 1 6 ． 第一作者简介 史 怀忠 1 9 7 4 一 ， 男， 河南 南乐人， 博 士， 中国石 油大 学 北京 石油天然气工程学院讲 师， 主要从事 油气井工程和 高压 水射流 研究工作。地址 北京市昌平区中国石 油大学 北京 油气资源与探测 国 家 重 点 实 验 室 ， 邮政 编码 1 0 2 2 4 9。E ma i l h u a i z h o n gs h i y a h o o ． t o m． c n 联系作者 李根 生。地址 北京市昌平 区中国石油 大学 北京 油气资 源与探测 国家重点实验 室， 邮政编码 1 0 2 2 4 9 。E - ma i l l ig s c u p ． e d u ． e n 收稿 日期 2 0 0 7 l 1 1 5 修 回 日期 2 0 0 9 一 l 】 一 2 7 编辑唐 金华 绘 图付 改荣