低压脉冲空化射流复合钻井技术-.pdf

2 01 0正 第4 卷 第 6 期 天 然 气 技 术 Na t u r a l Ga s T e c h n o l o g y Vo 1 ． 4． NO． 6 De c ． 201 0 d o i 1 0 ． 3 9 6 9／ j ． i s s n ． 1 6 7 3 9 0 3 5 ． 2 0 1 0 ． 0 6 ． 0 1 7 低压脉冲空化射流复合钻井技术 李文飞王光磊周延军陶林 胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营2 5 7 0 1 7 摘要 低压脉冲空化射流复合钻井技术是在钻头与钻具组合之间安装一个低压脉冲空化射流调制装置，通 过其对射 流进行调制 ，产生脉动低压改 变井底岩石 的受力状 态，降低 抗破碎 强度 ，提 高钻头机械破 岩效率 ，同时 变常规连续射流为空化射流，增加井底水力破岩和清岩效率，进一步提高深井钻井速度。塔河油田现场实验结果 分析表明，实验井段5 3 4 9 ～6 1 6 2 m，纯钻时间为 1 2 9 ． 3 6 ～1 3 6 ． 6 3 h ，低压脉冲空化射流调制器工作正常，与临井 相 同井段 对比，机械钻速平均提 高4 0 ．6 ％～8 5 ． 1 ％。 关键词 低压脉冲空化射流深井钻速塔河油田 中图分类号T E 2 4 2 文献标识码B 文章编号1 6 7 3 9 0 3 5 2 0 1 0 J 0 6 0 0 5 5 0 3 O引言 塔河油 田深 部油气层 的不断发 现 ，使得深井 、 超深井 日益增加 。在 钻探 的过程 中，在地面设备 能力有限的条件下 ，钻柱 内及环空水力能量损失较 大 ，使得井底钻头水功率大幅减少 ，从而降低 了井 底岩屑 的清除能力 ，严重影 响了机 械钻速的提高 。 低压脉冲空化射流复合钻井技术是在钻头与钻具组 合之间安装一套射流调制器，通过对钻柱内部钻井 液流动特性的调制 ，使得井底钻头附近区域瞬间产 生脉动性低压状态 ，降低 岩石破碎强度 ，同时改变 钻头喷嘴处的常规连续射 流为空化射流 ，提高井底 水力能量， 从而提高深井钻井速度的技术。 l 低压脉冲空化射流复合钻井技术提速机理 1 ． 1 脉动性低压提高岩石破碎率 作用在井底 的钻井 液柱压力与地层压力之间 的 压力差是影响钻井速度提高的主要原 因之一 。室 内 实验研究与现场钻井实践分析表 明，井底压力差 的 增大会显著影响钻进速度 的提高 图 1 。这主要是因 为井底钻井液柱压力产生的压持效应，使得井底岩 屑难以清除导致钻头重复切削，从而降低了钻头的 ． 0 2 8 5 ．6 8．4 井 底 压 差／ M P a 图 1 钻速与井底压差的关系图 破岩效率 [ 2 1 。 井底压力差与机械钻 速成指数关 系 ，即在对数 坐标 内是一条直线 [3 1 n e 蛳 1 式 中 为实钻速度 ，i n／h ； 。 为压力差为零条件下 的钻速 ，IT ／ ／h ；△ p 为井 内液柱压力与地层孔隙压力 差 ，MP a ； 为地层岩性相关系数 ；e 为 自然对数 的 底 。 对式 1 进行分析可以发现 ，钻井速度随着井底 压差的增加而减小，反之则增加。因此，应当改进 钻井工艺技术以降低压力差，从而提高钻进速度。 收稿 日期 2 0 1 0 0 6一J 8 修订 日期 2 0 1 01 1 1 6 作者简介 李交飞 1 9 7 8 一 ，博 L， T 程师 ，从事钻井 1 ． 设 计研究 I 作E - ma i l l i w e n f e i s l o f ． 【 0 11 1 天然气技术 ／ 55 鸺 他 ．． ． Ⅲ ／ 磺 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第4 卷 李文飞，等低压脉冲空化射流复合钻井技术 第6 期 中国石油大学杨永印 通过研究认为 ，井底脉动性 低压一方面能够减小压持效应的影 响，另一方面降 低 了地层岩石 的抗破坏强度 ，使得钻头能够更容易 切碎地层。根据岩石力学理论 ，地层岩石处于非均 匀挤压状态 ，则任一深度处岩石的有效主应力为 P 6一o t p 。 2 e 一o tp 3 一a p 4 式 中P 为 钻 井 液 柱 压 力 ，MP a ；P p 为孔 隙 压 力 ， MP a ； 为有效垂向主应力 ，MP a ；O ／ 为地层孔 隙度 系数 ； e 为有效最大水平主应力 ，MP a ； 为有效 最 小水 平 主应 力 ，MP a ； 为最 大 水平 地 应 力 ， MP a ； 为最小水平地应力，MP a 。 在钻进过程中 ，由于钻井液循环流动使得井底 产生一定的动压力△ 此时 ，作用在井底岩石上的 有效垂 向主应力变为 P 6 一 p △ p 。 5 式 中a p 。 为钻井液循 环造 成井底 出现 的附加压 力 ， MP a。 当利用调制器使井底钻头附近产生幅值为△ 的 脉动性低压时 ，井底岩石受到的有效垂向主应力将 在式 5 的基础上减1 1 , a p ，即 P 6一a p 一△ p 一4 p 6 6 式中△ 为井底低压波动差 ，MP a 。 从式 6 可以看 出 ，随着△ 的增加 ，有效垂 向 主应力o r 是逐渐减小的。根据库伦莫尔准则 ，当 减小到由 和 形成的莫尔圆超过岩石剪切强度曲 线时 ，岩石就会发生剪切破坏 。由此 可知 ，井底 如 果存在一定幅值 的脉动低压将有利于降低岩石的抗 破坏强度 ，从而提高钻头破岩效率 。 对井底岩石进行受力分析 图2 ，常规钻井条件 下为 了井控安全考虑 ，作用在井底岩石上的垂直压 力会大于地层压力，则使岩石离开井底的侧向载荷F 为 F t a n 0 p 6 △ p 。 P e 7 式中 为岩石 自重 ，k g ； 为岩石内摩擦角 ， 。 。 当垂直压力越大时 ，即P p △p 0 越大 ，压持效应 越强 ，则所需的侧 向载荷 F变大 ，使得岩石难 以脱 离井底 ，导致重复性切 削 ，影响钻速 的提高。若井 56 ／ N a t u r a l G a s T e c h n o l o g y Pp 图2 井底岩屑 受力分 析图 底产生幅值为△ 的低压时，井底岩石上的垂直压力 减a p ，由式 7 ，侧向载荷F 将变小，使得岩石能 够更容易脱离井底 ，从而提高机械钻速。 1 ． 2 空化射流增加井底水力能量 空化射流 中的液体 和空泡 同时射向井底岩石表 面 ，由于两种介质密度差别 较大 ，使得作用在井底 岩石上 的压力产 生脉动性的变化 ，造成岩石瞬间承 受拉应力作用而发生破碎，从而提高射流破岩效率 。 低压脉冲空化射流调制器 内的空化腔根据风琴管原 理 设计加工 ，能够在深井条件下产生破坏力更强 的空化射流。试验研究表 明，相 同条件下空化射流 清除井底岩屑的能力是普通射 流的 3 4 倍 ，排屑效 果更好 。空化射流进一步增强 了井底射流的破岩能 力和清除岩屑的效果 ，促进了钻进速度的提高。 2 低压脉 冲空化射流调制器基本原理 低压脉冲空化射流调制器的基本结构 如图 3 所 示。导流体位于叶轮上方 ，主要是改变钻井液的流 动方 向和速度 ，不断 冲击叶轮使其连续转动 。叶轮 转 动时 ，周期性开启或关 闭流道 ，产生脉动射流 ， 使得液柱压力发生波动 ，当流道关闭时 ，叶轮下部 区域内由于无后 续压力补充 而形成瞬 间低压状 态。 脉动性的泥浆射流进入空化腔后 ，经过调制产生空 化射流 ，冲击井底岩石 。低压脉冲空化射流调制器 将低压减小岩石抗破碎强度的优点与空化射流增加 井底水力破岩的优点结合在一起 ，克服了深井中岩 石难以破碎和井底水力能量不足的劣势，从而提高 了机械钻速。 3 应用效果评价 为了验证低压脉冲射流调制器提高钻井速度的 P l P 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第2 4 期 天然气技术 钻井工程 ／ l l -1F ≥ _ ＼． 图 3 低 压 脉 冲 空化 射 流 调 制 器 图 效果 ，分别在塔 河油 田T K1 0 9 0 井 的 5 3 4 9～5 7 3 1 i n 井段和5 7 3 2～6 1 6 2 m井段进行了现场应用实验。该 段地层为三叠系哈拉 哈塘组 、阿克库勒组 、柯吐尔 组和石炭系卡拉沙依组 ，岩层可钻性较差 ，常规钻 井技术条件下机械钻速低 。 表 1 5 3 4 9 ～5 7 3 1 IT I 井段机械钻速对比表 表2 5 7 3 2～6 1 6 2 m井段机械钻速对比表 从 表 1 和表 2中可 以看 出 ，调 制 器 纯钻 时 间 1 2 9 ．3 6 ～1 3 6 ．6 3 h ，平均提高钻速4 0 ． 6％～ 8 5 ． 1 ％， 低压脉 冲空化射流复合钻井技术能够较大 幅度地提 高塔河油 田深部地层的钻进速度 。后期通过对调制 器 检查发 现 ，调制器 内部构件 运行 正常 ，性 能可 靠 ，无明显冲蚀痕迹。 4 结论与建议 1 脉动性的井底低压能够有效降低岩层抗破碎 强度和压持效应 ，空化射流具有增加钻头水力破岩 能量和提 高岩屑清除能力的优势 ，低压脉冲空化射 流复合钻井工艺将二者有机结合 ，达到了提高机械 钻速的 目的。 2 塔河油 田T K1 0 9 0井现场实验结果表 明，低 压脉冲空化射流复合钻井技术平均提高深部地层机 械钻速 4 0 ． 6 ％～8 5 ． 1 ％，提速效果 明显 ，且调制器无 明显冲蚀痕迹 ，工作稳定 ，性能可靠。 3 建议在塔河油 田多区块 、多层位进行试验及 技术推广应用 ，不断完善低压脉冲空化射流复合钻 井技术 。 参考文献 [ 1 ]汪海阁，郑新权． 中石油深井钻井技术现状与面临的挑战 [ J ] ． 石油钻采工艺，2 0 0 5 ，2 7 2 4 8 ． [ 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 [ J ] ． 石油大学 报 自然科学 版 ， 2 0 0 2 ，3 o 5 1 5 6 ． [ 3 ]李文飞． 低压脉冲射流提高钻速及调制的机理研究[ D] ． 东营中国石油大学 ，2 0 0 5 ． [ 4 ]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 0 5 ，2 7 6 1 3 1 5 [ 5 ]周长山，沈忠厚 ，李根生． 自振空化水射流冲击压力脉动 的实验研究[ J ] _ 石油大学学报f 自然科学版 ，1 9 9 6 ，2 0 5 3 2 3 5 ． [ 6 ]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 ． 编辑 周娟 天然气技术 ／ 5“l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m