旋轉(zhuǎn)射流鉆頭在南堡32-3646井的應(yīng)用

楊 靜，陶瑞東，郭 亮，李貴賓，張克正，肖仰德

（中國石油渤海鉆探工程有限公司，天津300280）

旋轉(zhuǎn)射流鉆頭在南堡32-3646井的應(yīng)用

楊 靜*，陶瑞東，郭 亮，李貴賓，張克正，肖仰德

（中國石油渤海鉆探工程有限公司，天津300280）

噴射鉆井技術(shù)在提高鉆井速度方面一直起著非常重要的作用，在此基礎(chǔ)上研發(fā)的旋轉(zhuǎn)射流鉆頭在射流噴嘴不旋轉(zhuǎn)的情況下能產(chǎn)生具有三維速度的射流質(zhì)點,沿螺旋線軌跡運動形成擴散狀射流，能有效地剪切、沖蝕、拉伸破碎以及旋流磨削巖石，從而有效提高單只鉆頭的鉆井速度。該技術(shù)在冀東油田東營組地層使用結(jié)果顯示，鉆井速度較普通圓射流鉆頭提高15%以上，對探索冀東油田深層鉆井提速具有較好的指導(dǎo)意義。

旋轉(zhuǎn)射流；鉆頭；冀東油田；鉆井提速

石油鉆井過程中，鉆頭優(yōu)選是提高機械鉆速的重要手段之一。實際上，鉆頭優(yōu)選提速通常是從鉆頭型號、刀翼、復(fù)合片材質(zhì)等方面考慮，而很少從井底流場的角度進行研究。國外自20世紀80年代中后期，已相繼有了這方面的研究[1-3]。國內(nèi)20世紀90年代開始，也出現(xiàn)了一些相關(guān)的研究[4-5]，但都只是理論的設(shè)計和計算，并沒有真正應(yīng)用于現(xiàn)場。冀東油田南堡32-3646井設(shè)計井深5798m，深部地層地質(zhì)資料少，地層硬度高、可鉆性差，在優(yōu)選鉆頭提速方面不僅考慮了鉆井過程中巖屑的破碎、清除、重復(fù)切削、鉆頭磨損等問題，還考慮了噴嘴射流和井底流場，試驗了旋轉(zhuǎn)射流鉆頭，取得了較好效果。

1 旋轉(zhuǎn)射流鉆頭

1.1 工作原理

所謂旋轉(zhuǎn)射流是指在射流噴嘴不旋轉(zhuǎn)的情況下產(chǎn)生的具有三維速度的射流質(zhì)點，沿著螺旋線軌跡運動而形成的擴散狀射流。旋轉(zhuǎn)射流是靠噴嘴腔內(nèi)的導(dǎo)向元件，將一維純軸向來流導(dǎo)引成具有軸向、切向和徑向三維速度的流動而形成的。在射流前進的過程中，在離心力的作用下不斷向外擴展，形成漸散的外形，以至于形成大的沖擊面積。

旋轉(zhuǎn)射流可鉆出大于噴嘴面積百倍的規(guī)則孔眼，形成的孔底呈規(guī)則的內(nèi)凸錐狀，完全不同于圓射流形成的類半球狀或錐狀。其破巖成孔的過程和孔底形狀如圖1所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)射流形成的破碎坑剖面示意圖

當(dāng)具有足夠能量的旋轉(zhuǎn)射流沖擊作用在巖石上時，首先使射流外殼內(nèi)部環(huán)形面積上速度最高的巖石產(chǎn)生破碎,而射流軸心位置的巖石保持完好(如圖1a所示)；隨著時間的增加、噴嘴的向前推進，這一破碎的環(huán)形面積在逐步向內(nèi)外擴大，同時破碎坑的深度增加，形成如圖1b、1c的形狀；直至環(huán)形高速射流帶附近的射流參與破巖，使初始狀態(tài)下的破碎形狀向前推進，同時向內(nèi)外擴展，形成了如圖1d所示的內(nèi)凸錐狀孔底。此時，整個射流截面的能量與對應(yīng)巖石破碎強度和面積達到了動態(tài)平衡，隨著鉆頭(噴嘴)的不斷前進，錐形孔底不斷向前推進，最終形成一個孔底為內(nèi)凸錐狀的連續(xù)圓形孔眼。

旋轉(zhuǎn)射流破巖面積比普通圓射流大上百倍，破巖門限壓力僅為圓射流的60%左右,具有很高的破巖效率，這些特性都是由其獨特的破巖機理所決定的。

1.2 旋轉(zhuǎn)射流破巖機理

旋轉(zhuǎn)射流破巖機理不同于普通圓射流,它不單純以與巖石相垂直的正面沖擊壓力而產(chǎn)生的密實核及拉伸、水楔作用來破巖,同時還相應(yīng)地施以平行于被沖擊巖石表面的平行載荷,使巖面產(chǎn)生剪切破壞并伴有沖蝕、拉伸破壞等多種形式作用的復(fù)雜過程。

剪切破碎。一般巖石的抗剪強度只是其抗壓強度的(1/15～1/8),抗拉強度僅有抗壓強度的(1/80～1/16)，巖石在剪應(yīng)力和拉應(yīng)力的共同作用下很容易破碎。旋轉(zhuǎn)射流沖擊在巖石上,除了正向沖擊作用外,旋轉(zhuǎn)流體產(chǎn)生的分量在巖石表面產(chǎn)生剪切作用。由于旋轉(zhuǎn)射流具有較高的切向速度，十分有利于巖石的破碎。

沖蝕破碎。旋轉(zhuǎn)射流能量相對集中，巖石在受到很大的沖擊力作用時，受到橫向流的沖蝕，更容易使巖石顆?；驇r屑迅速離開巖石母體而被流體帶出，后續(xù)射流能直接沖蝕到新的巖石表面，減少對巖石的重復(fù)破碎,提高了破巖效率。

拉伸破碎。旋轉(zhuǎn)射流向孔底沖擊時,施加一個平行載荷,產(chǎn)生拉應(yīng)力,比普通圓射流更容易使巖石產(chǎn)生裂紋。射流流體進入裂紋或者巖石本身所固有的空隙產(chǎn)生水楔作用,使裂紋在張力作用下不斷擴展，并逐漸相互連通，造成巖石破碎。

旋流磨削。旋轉(zhuǎn)射流以其獨特的流動形式,沿井底凸錐面沖擊到井底后,其返回流則從來流的外側(cè)旋轉(zhuǎn)返回。一是避免了射流能量損失,提高了射流能量的有效利用率和破巖效率；二是返回流攜帶著破碎的巖屑沿孔壁旋轉(zhuǎn)返回,使孔眼更加光滑規(guī)則，提高了鉆孔的質(zhì)量。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 南堡32-3646井基本情況

南堡32-3646井位于河北省唐山市南堡開發(fā)區(qū)南堡鄉(xiāng)東南約15.8km，是部署在南堡油田3號構(gòu)造堡古2斷塊構(gòu)造高部位的一口四開三段制定向井，設(shè)計井深5798m。以前在該地區(qū)使用的鉆頭大多采用普通圓射流鉆頭，為了進一步提高鉆井速度，為該區(qū)塊鉆頭優(yōu)選提供技術(shù)支持，在南堡32-3646井四開?215.9mm井眼3864～4265m的穩(wěn)斜井段，選用TUS1653RD旋轉(zhuǎn)射流鉆頭，所鉆地層巖性為深灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖互層，完成進尺401m，純鉆時間90.25h，機械鉆速4.45m/h。其中復(fù)合鉆進鉆時5～15min/m，定向鉆進鉆時20～40min/m。該段井斜29.18°，井眼方位269.22°。

（1）鉆具組合。?215.9mmTUS1653RD鉆頭× 0.30m+?172mm1.25°馬達×7.83m+?208mm穩(wěn)定器× 0.72m+411/410浮閥×0.49m+?165mm無磁鉆鋌× 9.15m+?175mmMWD短節(jié)×1.34m+521/410×0.51m+?127mm加重鉆桿×130.84m+?127mm鉆桿× 3364.03m+411/520×1.16m+?139.7mm鉆桿。

（2）鉆井液性能（見表1）。

表1 鉆井液性能參數(shù)表

（3）鉆井參數(shù)。鉆壓20～40kN，轉(zhuǎn)速45r/min+馬達，泵壓20MPa，排量30L/s。

3 對比分析

3.1 鉆頭磨損情況

由于馬達使用壽命到而起鉆，起出鉆頭整體完好，僅有3個復(fù)合片磨損嚴重，外徑磨損0.5mm，可再次使用，鉆頭入井及起出對比圖見圖2。

3.2 與鄰井對比情況

從表2得出，在同地層相近井段，使用旋轉(zhuǎn)射流鉆頭比普通圓射流鉆頭機械鉆速提高15%以上。

4 結(jié)論與建議

（1）使用旋轉(zhuǎn)射流鉆頭能減少壓持效應(yīng)，充分攜帶井底巖屑，減少鉆頭重復(fù)破碎巖石，有效提高機械鉆速。

圖2 鉆頭入井前與起出照片

表2 鉆頭對比分析

（2）旋轉(zhuǎn)射流鉆頭在冀東油田南堡32-3646井試驗效果較好，建議在更多井和井段中推廣使用，促進整體提速。

[1]謝翠麗,楊愛玲，等.旋轉(zhuǎn)鉆頭射流方式對井底流場影響的數(shù)值剖析[J].石油鉆采工藝,2002,24(3):1-4.

[2]Crouse R，chia R.Optimization of PDC Bit Hydraulics by Fluid Simulation.SPE 14 221.

[3]Bission P,Choux J C,Provo A.Hydraulic Optimization of PDC Bits by Visualization Methods.SPE 18 370.

[4]高振果，董杰.PDC鉆頭井底水力問題的計算機模擬[J].石油鉆采工藝，1995,17(6):9-24.

[5]管志川，劉希圣.對股撞擊射流流場的數(shù)值模擬研究[J].石油學(xué)報，1998,19(2):117-121.

TE921

B

1004-5716(2015)01-0075-03

2014-02-26

2014-03-05

冀東油田3號構(gòu)造深井優(yōu)快鉆井技術(shù)應(yīng)用研究（2013ZD16Y）。

楊靜（1983-），女（漢族），重慶人，工程師，現(xiàn)從事鉆井技術(shù)管理工作。