水力脈沖空化射流鉆井技術(shù)在河南油田中硬地層中的應(yīng)用

呂 魁，馮小科，伍虹宇，代友華，張?jiān)谟?，何義新

（1.中國(guó)石化河南石油勘探局工程技術(shù)處，河南南陽(yáng) 473132；2.中國(guó)石化河南石油勘探局鉆井工程公司）

河南油田泌陽(yáng)凹陷安棚地區(qū)和深凹區(qū)中部地層主要以深灰色泥巖、頁(yè)巖、礫狀砂巖、砂礫巖為主，下部主要為堅(jiān)硬泥巖、頁(yè)巖、白云質(zhì)泥巖含礫砂巖互層，地層硬度高，研磨性強(qiáng)，可鉆性差，對(duì)鉆頭磨損嚴(yán)重；上部地層含有礫石，鉆進(jìn)過(guò)程中蹩跳嚴(yán)重，加不上壓，鉆頭工作不平穩(wěn)，鉆頭易先期損壞，影響鉆頭機(jī)械鉆速與鉆頭壽命；而下部地層泥巖膠結(jié)致密堅(jiān)硬，可鉆性級(jí)別在5～6.5，地層傾角在8°～23°之間，限制了鉆壓和轉(zhuǎn)速，技術(shù)指標(biāo)明顯落后［1－2］。為了有效提高機(jī)械鉆速，解決該區(qū)鉆井速度慢的難題，引進(jìn)了水力脈沖空化射流鉆井技術(shù)［3－4］。

1 水力脈沖空化射流鉆井機(jī)理

水力脈沖空化射流發(fā)生器［5］主要由本體、彈性擋圈、導(dǎo)流體和自激振蕩噴嘴等組成（圖1）。導(dǎo)流體改變鉆井液方向和速度，葉輪總成為振動(dòng)腔提供有源脈沖，自激振蕩腔有源脈沖信號(hào)具有流體聲諧共振、信號(hào)放大等功能，在流體出口端可產(chǎn)生強(qiáng)烈脈動(dòng)渦環(huán)流。

水力脈沖空化射流發(fā)生器安裝于鉆頭上部，將流體的擾動(dòng)作用和自振空化效應(yīng)耦合，使進(jìn)入鉆頭的常規(guī)連續(xù)流動(dòng)調(diào)制成振動(dòng)脈沖流動(dòng)，鉆頭噴嘴出口成脈沖空化射流，產(chǎn)生三種效應(yīng)。水力脈沖可改善井底流場(chǎng)，提高井底凈化和清巖效率，減少壓持和重復(fù)破碎；空化沖蝕可輔助破巖，提高破巖效率；井底瞬時(shí)負(fù)壓脈沖，可保持局部瞬時(shí)欠平衡，改變井底巖面應(yīng)力狀態(tài)。在相同排量下，空化射流的沖擊壓力是連續(xù)射流滯止壓力的8.6～124倍，這可提高井底的凈化程度，改善井底附近的巖石受力狀況，從而提高鉆頭破巖效率。

圖1 水力脈沖空化射流發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖

2 水力脈沖空化射流鉆井技術(shù)應(yīng)用

2.1 鉆頭及鉆井參數(shù)優(yōu)選

泌陽(yáng)凹陷安棚地區(qū)和深凹區(qū)施工井較多，而且相隔距離較近，均為二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，井眼尺寸均為φ216 mm，對(duì)比性較強(qiáng)，鉆井技術(shù)也較為成熟。因此，在安棚地區(qū)和深凹區(qū)開(kāi)展水力脈沖空化射流鉆井技術(shù)試驗(yàn)，采用和鄰井基本相同的鉆頭選型及鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行鉆進(jìn)，并通過(guò)對(duì)泌陽(yáng)凹陷安棚地區(qū)和深凹區(qū)已完鉆井的測(cè)井資料分析得到了地層可鉆性極值。其可鉆性級(jí)別在5.0～6.5之間。

水力脈沖空化射流技術(shù)適應(yīng)多種型號(hào)的鉆頭［6］，安棚區(qū)塊中硬地層由于含有礫石，而且?jiàn)A層多，可鉆性差，限制了PDC鉆頭使用，所以選用牙輪鉆頭鉆進(jìn)。為了增強(qiáng)對(duì)比性，選擇HJT517（井段1800～2500 m）、HJT537（井段2500～3200 m）系列鉆頭配合水力脈沖空化射流技術(shù)進(jìn)行鉆進(jìn)。該技術(shù)只有在排量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)才產(chǎn)生明顯的壓力脈沖，實(shí)際φ178 mm水力脈沖發(fā)生器在排量達(dá)到1.78 m3／min左右時(shí)，可產(chǎn)生較明顯的壓力脈沖，壓力脈沖幅度隨排量的增加而增加，排量為1.92 m3／min左右時(shí)，壓力脈沖幅度為1.7 MPa。隨著鉆井泵排量的增加，經(jīng)過(guò)水力脈沖空化射流發(fā)生器的流體平均壓力增大，壓力波動(dòng)振幅增大［7］，根據(jù)鉆井設(shè)備壓力情況選擇排量30～36 L／s。

2.2 水力脈沖空化射流發(fā)生器結(jié)構(gòu)與鉆具組合優(yōu)選

水力脈沖空化射流發(fā)生器越接近井底其作用發(fā)揮的越明顯。將水力脈沖空化射流發(fā)生器與鉆頭直接連接，試驗(yàn)井井眼尺寸為φ216 mm，水力脈沖空化射流發(fā)生器選擇外徑φ178 mm，最薄處內(nèi)徑為134.9 mm，最大鉆壓設(shè)為400 kN，最大拉力為500 kN，以保證正常施工，因此，選擇了雙母結(jié)構(gòu)（扣型為430×410）的水力脈沖空化射流發(fā)生器。水力脈沖空化射流發(fā)生器對(duì)鉆具結(jié)構(gòu)無(wú)特殊要求，由于上述區(qū)塊井眼易斜，在中部井段選用滿眼鉆具組合，這樣可有效防斜，在下部井段中靶后選用光鉆鋌鉆具組合有利于施工安全。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 應(yīng)用實(shí)例

該技術(shù)在泌396井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用三次（圖2）。在井段2122～2453 m時(shí)，鉆壓160 kN，轉(zhuǎn)速120～100 r／m，排量34 L／s，鉆井液密度1.17 g／cm3，粘度52 s；在井段2453～2830 m和2830～3133 m時(shí)，鉆壓180～200 kN，轉(zhuǎn)速80 r／m，排量為34 L／s，鉆井液密度1.20 g／cm3，粘度54～60 s，鉆頭、鉆具組合與鄰井選擇一致。鉆具組合為：φ216mm HJT517G鉆頭＋φ178 mm脈沖接頭＋411×410接頭＋φ215 mm扶正器＋φ178 mm短鉆鋌＋φ215 mm扶正器＋φ178 mm無(wú)磁＋φ215 mm扶正器＋411×410A接頭＋φ165 mm鉆鋌＋411A×410接頭＋φ127 mm鉆桿。

泌396井與泌374井選擇了相同的鉆頭及鉆具組合，鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量、泵壓等參數(shù)也基本一致，從圖2鉆時(shí)對(duì)比曲線可看出，使用水力脈沖空化射流發(fā)生器后，泌396井鉆時(shí)明顯降低，且前期鉆時(shí)均勻、鉆速高，明顯優(yōu)于未使用該技術(shù)的B374井，尤其是在井段2200～2600 m，鉆時(shí)基本在15～25 min／m；井段2122～2453 m處時(shí)，進(jìn)尺為331 m，純鉆時(shí)間93.63 h，機(jī)械鉆速3.54 m／h；井段在2453～2830 m處時(shí)，進(jìn)尺為377 m，純鉆時(shí)間113.4 h，機(jī)械鉆速3.32 m／h；井段2830～3133 m處時(shí)，進(jìn)尺為303 m，純鉆時(shí)間110.01 h，機(jī)械鉆速2.75 m／h。當(dāng)鄰井相比，使用水力脈沖空化射流發(fā)生器機(jī)械鉆速提高了14.89%。

圖2 泌396井試驗(yàn)井段與鄰井鉆時(shí)對(duì)比情況

3.2 提速效果分析

水力脈沖空化射流技術(shù)在河南油田泌陽(yáng)凹陷安棚和深凹區(qū)塊四口井（括直井和斜井）中硬地層的不同井段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，取得了明顯的提速效果，與同區(qū)塊未使用水力脈沖工具的井相比，機(jī)械鉆速提高12.38%～21.3%，而且，水力脈沖空化射流發(fā)生器適應(yīng)多種鉆頭和鉆具組合，對(duì)鉆井液性能、鉆壓、轉(zhuǎn)速等參數(shù)也無(wú)特殊要求。

3.3 工作壽命分析

水力脈沖空化射流發(fā)生器內(nèi)部芯子材質(zhì)為硬質(zhì)合金，耐沖蝕能力強(qiáng)，上下都選用API標(biāo)準(zhǔn)的螺紋進(jìn)行連接。在泌396井試驗(yàn)中，單只水力脈沖空化發(fā)生器工作時(shí)間341.79小時(shí)，4口井平均使用266.77小時(shí)，起出后水力脈沖空化射流發(fā)器葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)良好且無(wú)明顯沖蝕現(xiàn)象。因此，水力脈沖空化發(fā)生器工作壽命完全可以滿足在該區(qū)塊的鉆井需要。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

研究了水力脈沖空化射流鉆井提速機(jī)理，加工了4套φ178 mm水力脈沖空化射流發(fā)生器，水力脈沖空化射流發(fā)生器平均使用266.77小時(shí)，使用壽命長(zhǎng)，可靠性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，工作壓降小，能夠滿足正常鉆井要求，而且適應(yīng)多種鉆頭和鉆具組合，其鉆井參數(shù)為正常施工參數(shù)。在中硬地層現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用4口井，效果良好，機(jī)械鉆速提高12.38%～21.3%。

［1］田平.泌陽(yáng)凹陷深凹區(qū)優(yōu)快鉆井技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.石油地質(zhì)與工程，2012，26（2）：84－86.

［2］李繼斌，蒲尚樹(shù)，梁國(guó)進(jìn)，等.泌陽(yáng)凹陷南部陡坡帶優(yōu)快鉆井技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.石油地質(zhì)與工程，2010，24（2）：87－89.

［3］沈忠厚.現(xiàn)代鉆井技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)［J］.石油勘探與開(kāi)發(fā)，2005，32（1）：89－911.

［4］孫寧，蘇義腦，李根生.鉆井工程技術(shù)進(jìn)展［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2006：30－50.

［5］馬東軍，李根生，史懷忠，等.水力脈沖空化射流發(fā)生器參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)研究［J］.石油機(jī)械，2009，37（12）：9－11.

［6］李根生，史懷忠，沈忠厚，等.水力脈沖空化射流鉆井機(jī)理與試驗(yàn)［J］.石油勘探與開(kāi)發(fā)，2008，35（2）：239－243.