高壓射流鉆進工藝試驗

張 才

（中國煤炭地質(zhì)總局，北京 100038）

0 引言

高壓水射流技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來的一項用途較為廣泛的高新技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于輕工、機械、建筑、軍工、采礦和石油開采等多個領(lǐng)域［1］。近20 年來，高壓水射流技術(shù)逐漸在鉆井領(lǐng)域被應(yīng)用。高壓水射流鉆進技術(shù)具有操作簡便易控制、效率高、成本低和適應(yīng)地層能力比較強等優(yōu)點，再加上水射流施工過程中使用清水或低固相鉆井液，在環(huán)境保護方面有極大的優(yōu)越性［2］。

高壓射流鉆進是利用井下鉆頭噴嘴等工具形成較為穩(wěn)定的高壓射流，通過高壓射流作用，配合鉆頭將井底巖石破碎，并將巖屑帶離井底的鉆井方法［3］。由于射流鉆進的特性是鉆頭噴嘴壓力高，水頭切割力大，通常情況下比較適宜堅硬穩(wěn)定地層，目前在非常規(guī)油氣、深層油氣和海洋油氣深井鉆井施工時經(jīng)常采用該工藝［4］。由于施工過程中泵壓較大（不低于35MPa），對鉆井液管線和鉆柱耐壓強度要求較高，在煤炭行業(yè)淺井鉆井施工時采用此工藝的比較少。

為實現(xiàn)礦山災(zāi)害救援地面生命保障孔快速、精準(zhǔn)鉆進，提高鉆效，根據(jù)高壓射流鉆進的特性，重點研究在黏土、礫石等松散覆蓋層等復(fù)雜地質(zhì)條件下如何實現(xiàn)快速鉆進的目的［5］。依托冀中能源九龍煤礦緊急避險系統(tǒng)鉆孔施工項目，對高壓射流鉆進工藝進行了試驗，通過試驗對比，此施工工藝較原施工工藝能提高鉆進效率35%，且孔底干凈，為后續(xù)下套管施工提供了便利條件。

1 試驗區(qū)地層及鉆進難點

1.1 試驗區(qū)地層

冀中能源九龍煤礦緊急避險系統(tǒng)鉆孔施工項目，預(yù)計深度約為720.00m，新生界松散層厚度約180m，基巖段地層約540m［6-7］。本次試驗主要在一開井段，試驗深度約200m，主要地層為新生界新近系和第四系，鉆進三疊系基巖20m 完鉆。主要鉆遇地層由老至新依次為中三疊統(tǒng)流泉組，厚度106～225m，平均厚200m，為一套黃色和灰黃色厚層狀中粒砂巖，局部具斜層理，中間夾薄層不穩(wěn)定紫綠色細砂巖和一層綠色頁巖，底部為2～3m 的黃綠、紫綠色紙片狀泥巖；新近系，厚度0～190m，平均120m，角度不整合于三疊系之上，巖性以疏松的黃色、白色中粗粒泥巖或細砂巖，紅黏土和灰黃綠色粉質(zhì)黏土等組成；第四系，全層厚0～60m，不整合接觸于下覆各地層之上，由黃色、灰黃色、黃色黏土和黃土組成，黃土中偶夾有石灰質(zhì)結(jié)核及微小礫石［6］。

1.2 鉆進難點

施工過程中，會遇到第四紀(jì)淤泥土、風(fēng)化帶、殘破積土、砂礫石（含漂礫）層等不穩(wěn)定地層，其厚度大小不均［3］。覆蓋層厚度及地質(zhì)復(fù)雜程度給鉆探施工帶來非常多的困難，嚴(yán)重制約孔內(nèi)安全和鉆進效率。

在松散覆蓋層、礫石層實現(xiàn)快速鉆進，關(guān)鍵是鉆井工藝的選擇［8］。松散覆蓋層、礫石層硬度相對較小，且地層中土體含量較大，常用的鉆井方式鉆進時受地層、鉆井液性能、泵排量等多種因素的影響，破碎后的巖屑無法及時徹底帶離孔底，容易產(chǎn)生泥包、塌孔、堵塞水眼的狀況。高壓射流鉆進技術(shù)借助其高速射流的水力能量迅速破壞土體結(jié)構(gòu)，同時沖刷鉆頭，而射流鉆進中鉆頭噴嘴高速射出的高壓鉆井液，能有效的凈化孔底環(huán)境，避免巖屑在孔底的重復(fù)破碎，起到有效保護鉆頭作用［3］，避免發(fā)生事故，達到在松散覆蓋層、礫石層中鉆進提高鉆井效率的目的。

2 試驗參數(shù)及設(shè)備選擇

2.1 試驗孔段井身結(jié)構(gòu)

本次試驗在一開井段，采用Ф420mm 鉆頭鉆進至200.00m（具體深度以鉆穿頂部沖積層入基巖10～20m 為準(zhǔn)），下入Ф339.7mm×9.65mm 石油套管，連接方式采用絲扣連接。

2.2 鉆頭設(shè)計及參數(shù)選擇

2.2.1 鉆頭要求

為了提高鉆進過程中井下水力能量，增加其破巖能力，提高鉆進速度和凈化井底環(huán)境，在射流鉆頭設(shè)計時重點考慮射流鉆頭噴嘴的結(jié)構(gòu)和水力特征、噴嘴的數(shù)量和分布形式以及射流水力能量。一般來說，巖石強度越低，孔隙度越大，滲透性越好，在水力作用下更加容易產(chǎn)生開裂，從而發(fā)生破碎崩離［9-10］。

2.2.2 三翼刮刀噴射鉆頭設(shè)計

對不同巖石特性，結(jié)合水射流速度，研究改進適合不同地層條件下的射流鉆頭，以利于提高鉆進效率。噴嘴數(shù)量與直徑的確定與選擇，采用以下公式。

式中：d為噴嘴直徑，mm；p為噴射壓力，0.1MPa；q為噴射流量，L/min；n為噴嘴數(shù)量；η為噴嘴效率系數(shù)，取1.05～1.10，無量綱［11］。

根據(jù)射流鉆進鉆頭優(yōu)化原理，設(shè)計了一種鉆井用的刮刀噴射鉆頭（圖1），本鉆頭主要有接頭體和翼板組成，接頭體下端有堵頭焊接封死，接頭體下部周向分布有三個噴嘴通道及噴嘴，每個噴嘴通道中軸線與接頭體中軸線成30°，接頭體上端設(shè)置有螺紋，可以與鉆桿連接；翼板有三塊，周向焊接在接頭體下端，每塊下端分布有4～5個截齒，截齒分布線與接頭體中軸線呈60°，截齒不是均勻分布在翼板上，三塊翼板共14 個截齒相互交錯分布，覆蓋鉆頭中心線到最遠端。翼板上端有軸向包圍的保護套，直徑略小于最外端截齒到鉆頭中心線的距離。噴嘴與翼板交叉分布，噴嘴中噴出的鉆井液可沖刷截齒及被截齒破壞的地層［12-13］。

圖1 噴射刮刀鉆頭Figure 1 Jetting scraper drill bit

本鉆頭適用于淺軟土層、覆蓋層等地層，鉆井工程開始下入表層套管之前需使用大直徑鉆頭進行開孔，鉆機驅(qū)動鉆頭切削地層，截齒相互交錯分布，可無死角切削地層；同時高壓鉆井液從噴嘴中噴出沖擊地層，使地層被破壞，便于截齒切削，并且可沖刷截齒；保護套可起到扶正器的作用，也可起到防止大塊地層卡到翼板中間的作用。

2.3 鉆進參數(shù)匹配優(yōu)化設(shè)計

影響射流鉆進機械鉆速的主要因素有鉆遇地層的巖性、深度，地層壓力，鉆頭類型、鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆井液性能等。

1）水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。水力參數(shù)的設(shè)計，主要考慮克服壓持效應(yīng)對射流的影響，通過增大射流噴速和流量來解決，通常用井底單位面積上的平均水功率（稱為比水功率）來研究水力因素對鉆速的影響規(guī)律。井底比水功率越大，破巖能力越好，攜巖程度越高，鉆進效率越顯著。鉆頭水功率經(jīng)驗公式：

式中：P為鉆頭水功率，kW；Δp為鉆頭噴嘴壓降，MPa；Q為排量，L/s［6］。

首先確定最小排量。通常使用的經(jīng)驗公式為：

式中：Qa為最小排量，l/s；dh為鉆井直徑，cm；dp為鉆桿外徑，cm；va為最低環(huán)空返速，m/s。

其次計算循環(huán)壓降系數(shù)。泥漿泵是高壓噴射鉆井的核心地面設(shè)備，應(yīng)根據(jù)鉆具組合情況及井身結(jié)構(gòu)選擇合理的泥漿泵，計算出不同井深時的循環(huán)系統(tǒng)壓降，以此確定泥漿泵的泵壓［12］。

式中：Δp為總壓降，MPa；Δp鉆頭為鉆頭消耗壓降，MPa；Δp鉆桿為鉆桿沿程損失壓降，MPa；Δp管匯為地面泥漿管匯損失壓降，MPa。

根據(jù)井深、泵排量，最后確定噴嘴組合，本次試驗采用Φ12、Φ10、Φ8 和Φ6mm4 種直徑噴嘴，以研究噴嘴尺寸和數(shù)量對鉆頭水功率的影響。

2）鉆頭、鉆壓及轉(zhuǎn)速等鉆進參數(shù)優(yōu)化。為了提高破巖的效果，在水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，結(jié)合地層物性參數(shù)，對鉆壓、轉(zhuǎn)速等鉆進參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。松散覆蓋層、礫石層采用刮刀鉆頭，對上部地層考慮到地層可鉆性較好，為提高機械破巖效果保證井身質(zhì)量，采用高轉(zhuǎn)速（60～100r/min）、低鉆壓（20～50kN）鉆進工藝；在中下部巖石相對完整地層，提高牙齒的入巖能力，采用高鉆壓（80～140kN）鉆進工藝；對于含礫地層，為保護鉆頭，采用低轉(zhuǎn)速（40～60r/min）鉆進工藝；在泥巖地層鉆進時采用高轉(zhuǎn)速、低鉆壓鉆進。

3）鉆井液性能優(yōu)化。通過試驗證明，在高壓射流鉆進時盡量使用低密度、低固相鉆井液體系，調(diào)節(jié)好鉆井液的流變性能（尤其是剪切稀釋特性），控制黏切在設(shè)計下限［14-15］。控制相對較高的瞬時失水和較低的累積失水，同時要充分發(fā)揮包被劑對巖屑等劣質(zhì)固相的包被作用。。為確保鉆井液的清潔程度，要充分發(fā)揮地面固控設(shè)備的作用，最大程度地清除鉆井液固相含量，振動篩篩布不低于140目，除砂除泥一體機、離心機的開啟效率不低于80%，為高壓射流鉆進創(chuàng)造有利條件［14］。

2.4 配套設(shè)備選擇

為滿足多種工藝方法的鉆進需要，本次試驗采用的鉆機為美國雪姆T200XD鉆機，該鉆機為多功能全液壓動力頭鉆機，最大提升能力90.72t，下壓能力14.54t。為了滿足高壓射流鉆進對泥漿泵排量、泵壓要求，選用QF-1000 型泥漿泵，最大排量43.2L/S，最大壓力35MPa。配備耐壓能力不低于35MPa的水龍帶、水龍頭及高壓管匯。高壓噴射鉆進鉆速增加，射流沖擊力使得產(chǎn)生的鉆屑粒徑較小，鉆井液中固相含量急劇增加，必須提高振動篩和除泥器的處理能力，及時清理振動篩及除泥器上的超細顆粒，有效提高固控設(shè)備的處理能力，振動篩篩布規(guī)格120～140目。鉆具選用Φ178mm鉆鋌和Φ127mm鉆桿。

3 試驗過程及存在問題處置

3.1 試驗過程

2020年12月23日，進行了高壓射流鉆進技術(shù)現(xiàn)場試驗。本次試驗重點研究在相同排量下，不同噴嘴尺寸配置對泵壓和機械鉆速的影響，以及不同排量下對相應(yīng)參數(shù)的影響，以利于在鉆進過程中鉆井參數(shù)的優(yōu)化配置。鉆具配置采用動力頭+變徑接頭+Φ127mm 外平鉆桿+變徑接頭+Φ178mm 鉆鋌+變徑接頭+Φ420mm噴射刮刀鉆頭，依次試驗Φ12、Φ10、Φ 8和Φ6mm尺寸的噴嘴對機械鉆速的影響，記錄試驗泵壓、泵量、鉆進深度及用時，具體試驗數(shù)據(jù)見表1。

在試驗過程中發(fā)現(xiàn)：用3 個Φ12mm 噴嘴，噴嘴直徑較大，泵壓不高噴射效果不顯著，與常規(guī)鉆頭鉆進效果相當(dāng)；將兩個Φ12mm 噴嘴更換為Φ10mm的噴嘴，噴射效果及平均機械鉆速均有所提高，使用Φ8mm 的噴嘴后，泵壓及平均機械鉆速與常規(guī)鉆井相比均提高1.5 倍以上；使用Φ6mm 的噴嘴后，泵壓及平均機械鉆速與常規(guī)鉆井相比均提高2 倍以上；使用同種規(guī)格噴嘴的情況下，提高泵的排量，泵壓降低，平均機械鉆速提高不顯著。

隨井深增加，使用三翼鉆頭進尺速度明顯變慢，后換成四翼復(fù)合片鉆頭鉆進，繼續(xù)采用不同噴嘴型號和泵量做對比研究，總進尺200m，平均機械鉆速37.58m/h，比普通鉆進方式提高鉆效近一倍。

3.2 存在問題處置

1）自制三翼噴射噴射刮刀鉆頭適宜黃土層鉆進，遇見較大卵石時，出現(xiàn)跳鉆現(xiàn)象，進尺速度減緩。

2）使用Φ6mm 噴嘴時，隨井深增加，壓力逐漸變大，出現(xiàn)憋鉆現(xiàn)象，通過變換大直徑噴嘴，消除憋鉆現(xiàn)象。

3）因施工井徑較大，噴射鉆進時，進尺速度較快，巖粉排出困難，井底凈化不徹底，通過反復(fù)劃眼保證孔底干凈，一定程度上影響鉆進效率。

4 結(jié)語

1）影響射流鉆進速度的主要有水射流速度、噴嘴直徑和噴嘴距離。鉆井速度隨水射流速度增加而增加，隨噴嘴直徑減小而變大，隨噴嘴間距的增大，呈減小的趨勢，但射流面積有所增加?？梢娪绊懮淞縻@進效率的因素中，鉆頭噴嘴直徑和位置對鉆效有較大影響。

2）提高鉆頭水功率是實現(xiàn)射流鉆進的主要條件。依據(jù)水力參數(shù)優(yōu)選的目標(biāo)，主要對泥漿泵的功率、排量、泵壓、鉆井液性能及鉆頭噴嘴直徑（數(shù)量）等水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，使鉆頭得到更大的壓力降和水功率，以達到提高鉆井噴射效率和機械鉆速的目的。

3）噴嘴尺寸過大或數(shù)量過多，鉆頭壓降和鉆頭水功率也較低；噴嘴尺寸太小或數(shù)量過少，鉆頭壓降過大，容易出現(xiàn)憋泵或跳鉆的現(xiàn)象。因此，噴嘴尺寸和數(shù)量的優(yōu)選，對實現(xiàn)高壓噴射鉆進具有重要意義。