巖樣水力射流孔眼軌跡特性試驗(yàn)研究

陳勇 張輝

勝利石油工程公司鉆井工藝研究院，中國(guó)·山東 東營(yíng) 257017

針對(duì)在水射流孔工藝過(guò)程中孔眼軌跡特性不明確的問(wèn)題，搭建試驗(yàn)流程，采用不同巖樣和多種水泥石開(kāi)展水力噴射試驗(yàn)。根據(jù)經(jīng)濟(jì)鉆速和試驗(yàn)結(jié)果，測(cè)試相關(guān)巖樣的抗壓強(qiáng)度和可鉆性級(jí)值，確定水射流工藝適用巖樣抗壓強(qiáng)度范圍和可鉆級(jí)值范圍。通過(guò)測(cè)量井眼軌跡，分析孔眼在水平和豎直方向的軌跡特性，提供軌跡特性曲線，為該技術(shù)的進(jìn)一步研究和水射流井身設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

水射流；軌跡特性；可鉆性級(jí)值

1 引言

徑向水力射流鉆孔技術(shù)是一種低成本微小井眼水平井鉆井技術(shù)，近年來(lái)在中國(guó)和國(guó)際上得到了廣泛的應(yīng)用。目前，中國(guó)和國(guó)際上的徑向水力射流鉆孔技術(shù)基本都采用套管鉆孔、水力噴射破巖的方式，即先用套管鉆孔工具把套管鉆穿，然后用水力噴射工具在油層中形成徑向水平井。噴射鉆孔技術(shù)基于水力破巖原理，利用高壓水射流破碎巖石，形成直徑30～50mm的小孔[1，2]。噴射鉆孔工具包括高壓軟管和噴頭，軟管一端與連續(xù)管相連，一端與噴頭連接，利用連續(xù)管將高壓軟管和噴頭通過(guò)轉(zhuǎn)向器送到套管鉆孔位置，開(kāi)啟地面高壓泵組，高壓水射流經(jīng)噴頭噴射地層，實(shí)現(xiàn)破巖成孔。為了噴射形成較長(zhǎng)距離的小孔，噴射系統(tǒng)具有帶動(dòng)自身前進(jìn)的自進(jìn)能力。中國(guó)部分生產(chǎn)井、注水井和老井改造實(shí)施了水射流工藝，在取得較好增油增注效果的同時(shí)，也有部分井效果不明顯。對(duì)于效果不明顯的情況，普遍認(rèn)為在實(shí)施水射流工藝過(guò)程中，噴頭帶動(dòng)軟管在疏松油層中形成小孔的軌跡特性不明確，小孔軌跡可能符合設(shè)計(jì)要求，也可能偏離設(shè)計(jì)軌道，從而導(dǎo)致部分井水射流工藝效果不明顯。開(kāi)展巖樣水力噴射試驗(yàn)，目的是研究分析水射流工藝中形成孔眼的軌跡特性，進(jìn)而為水射流工藝設(shè)計(jì)提供參考，進(jìn)一步提高水射流工藝效果。

2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1、圖2所示，主要由高壓泵組、高壓管匯、儲(chǔ)液池、圓鋼管、巖樣及噴射工具等組成，巖樣模擬水射流疏松砂巖地層。

圖1 水力噴射成孔軌跡特性試驗(yàn)裝置示意圖

（1）高壓泵組和高壓管匯同現(xiàn)場(chǎng)施工地面設(shè)備，高壓泵機(jī)組的動(dòng)力源為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，柴油機(jī)功率145kW，高壓泵最高壓力70MPa，最大流量90L/min。

（2）圓鋼管提供射流工具前進(jìn)通道和噴射液及鉆屑返回通道，鋼管一端緊壓在巖樣上，噴射返出液充滿整個(gè)圓鋼管，為試驗(yàn)提供淹沒(méi)條件。

（3）射流鉆頭同現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)用的鉆頭，射流鉆頭上各孔直徑相同，側(cè)向向前孔眼擴(kuò)散角均為10°，射流鉆頭正反流量比為3/4，射流鉆頭向前有4個(gè)孔眼，其中1個(gè)是中心孔眼，另外3個(gè)孔眼繞中心孔眼均布排列，向后孔眼3個(gè)，繞噴頭軸心均布向后擴(kuò)散角30°，噴頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 射流鉆頭結(jié)構(gòu)圖

（4）試驗(yàn)巖樣采用地層露頭巖石和人造水泥石，露頭巖樣分別為粉砂巖及風(fēng)化疏松砂巖，規(guī)格為30cm×30cm×30cm的方塊各5塊，水泥石選用8種（水泥砂漿配比不同），規(guī)30cm×30cm×100cm 共40塊（每種5塊），實(shí)物如圖3所示。

圖3 巖樣實(shí)物圖

3 試驗(yàn)方法

3.1 巖樣安裝

試驗(yàn)臺(tái)架平面調(diào)整為水平基準(zhǔn)面，原鋼管端面設(shè)定為豎直基準(zhǔn)面，巖樣緊靠基準(zhǔn)面，整齊疊放巖樣5塊，巖樣組固定壓緊，減少相鄰巖樣界面間的干擾，確保巖樣組近似均質(zhì)地層。

3.2 測(cè)量準(zhǔn)備

巖樣在噴射前刻畫(huà)孔位置測(cè)量基準(zhǔn)線，5塊樣品參照豎直基準(zhǔn)面和水平基準(zhǔn)面整齊疊放，樣品高度方向畫(huà)3條橫線，4 等分高度尺寸，樣品寬度方向畫(huà)1條縱線，2 等分寬度尺寸，每組樣品以第一塊巖樣上縱橫刻線交點(diǎn)為噴射起點(diǎn)，噴射完成后，測(cè)量每塊樣品孔中心相對(duì)對(duì)應(yīng)縱橫刻線交點(diǎn)（噴射起點(diǎn)投影點(diǎn)）的偏移尺寸。

3.3 水力參數(shù)

噴射試驗(yàn)參數(shù)噴射壓力50～55MPa，排量54～65L/min（與現(xiàn)場(chǎng)施工水力參數(shù)相同），如圖4所示。

3.4 孔軌跡測(cè)量

孔軌跡由噴射起始點(diǎn)和5個(gè)樣品上孔眼位置組成，孔眼位置由x、y表示，其中x為孔眼中心相對(duì)起點(diǎn)橫向偏移距離，y為孔眼中心相對(duì)起點(diǎn)縱向偏移距。

3.5 噴射速度測(cè)量

測(cè)量每塊巖樣鉆穿時(shí)間，并計(jì)算該巖樣平均鉆進(jìn)速度，單塊巖樣鉆進(jìn)時(shí)間從開(kāi)始噴射計(jì)時(shí)，巖樣間隙出水為止，如圖5所示。

圖4 露頭噴射試驗(yàn)

圖5 噴射破巖巖樣

3.6 巖樣可鉆性級(jí)值及抗壓強(qiáng)度測(cè)定

根據(jù)噴射鉆進(jìn)速度情況，選取巖樣測(cè)定可鉆性級(jí)值及抗壓強(qiáng)度。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

4.1 噴射速度

巖樣噴射試驗(yàn)開(kāi)展10組，10種巖樣組各鉆1 孔。其中，5組巖樣鉆進(jìn)速度經(jīng)濟(jì)有效，5種巖樣噴射鉆孔速度如圖6所示，可鉆性差的巖樣鉆速慢，可鉆性好的巖樣鉆速快，其中5組巖樣鉆速適中，具有經(jīng)濟(jì)鉆速的巖樣抗壓強(qiáng)度小于15MPa，可鉆級(jí)值小于1.1。

圖6 噴射破巖速度

4.2 孔眼軌跡

（1）噴射成孔軸向軌跡在水平方向均發(fā)生向左或向右方向持續(xù)偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)方向隨機(jī)，偏轉(zhuǎn)比率隨長(zhǎng)度達(dá)到6.26%，如圖7所示。分析原因得出的結(jié)果是軟管受到已噴射成孔凹凸不平內(nèi)表面的影響，噴頭噴射方向發(fā)生持續(xù)偏轉(zhuǎn)。

（2）噴射成孔軸向軌跡在豎直方向只發(fā)生向下持續(xù)偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)比率隨長(zhǎng)度達(dá)到2.66%。分析原因得出的結(jié)果是軟管及噴頭受更多受到自身重量影響，向下發(fā)生持續(xù)偏轉(zhuǎn)，如圖8所示。

圖7 軌跡水平方向偏離

圖8 軌跡豎直方向偏離

5 結(jié)語(yǔ)

徑向水力射流形成的孔眼軌跡受噴射工具特性、孔內(nèi)表面質(zhì)量及巖樣軟硬程度影響，具有經(jīng)濟(jì)鉆速的巖樣抗壓強(qiáng)度小于15MPa，可鉆級(jí)值小于1.1，形成的孔眼軌跡在水平方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)情況比較隨機(jī)，偏轉(zhuǎn)隨位移與深度比率達(dá)到6.26%，在豎直方向受自身重量影響，一般向下發(fā)生持續(xù)偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)位移與隨深度比率達(dá)到2.66%，同時(shí)隨深度增加，前進(jìn)阻力持續(xù)增加，工具前進(jìn)動(dòng)力不變，噴射鉆井能力衰減較快。