超高壓噴射鉆井技術(shù)應(yīng)用探討

黑龍江 周長虹 張曉慧

超高壓噴射鉆井技術(shù)應(yīng)用探討

黑龍江 周長虹 張曉慧

超高壓噴射鉆井技術(shù)是一種機(jī)械破巖和水力破巖復(fù)合的過程，更注重發(fā)揮水力破巖的鉆井過程。相對普通噴射鉆井技術(shù)，能有效提高鉆頭進(jìn)尺和機(jī)械鉆速。超高壓是在普通噴射鉆井技術(shù)基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步提升射流的水力作用，提高鉆井效率。隨著鉆井設(shè)備、工具和工藝技術(shù)的改進(jìn)，循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生和承受壓力能力的增強(qiáng)，為進(jìn)一步發(fā)揮水力破巖效果提供了保證。結(jié)合噴射鉆井應(yīng)用狀況，通過地面泵升壓和井下增壓泵等方式，對提高噴射鉆井技術(shù)的應(yīng)用具有較大的促進(jìn)作用。

超高壓；噴射鉆井；水力破巖；機(jī)械鉆速

噴射鉆井技術(shù)作為一種新型鉆井技術(shù)，相對與普通鉆井技術(shù)，無論在提高鉆頭進(jìn)尺和機(jī)械鉆速等方面，都取得了突破性的發(fā)展。由于鉆頭進(jìn)尺和機(jī)械鉆速指標(biāo)的提高，也使鉆井的非生產(chǎn)時(shí)間相對縮短，提高了鉆井的速度，減少了事故，降低了成本，也使噴射鉆井技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。為更有效提高鉆井效率，生產(chǎn)現(xiàn)場廣泛進(jìn)行井下研究、試驗(yàn)超高壓噴射鉆井技術(shù)。這種鉆井技術(shù)能更進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速，增加鉆頭進(jìn)尺，發(fā)揮水力破巖作用是影響超高壓噴射鉆井的關(guān)鍵。處理好水力破巖和機(jī)械破巖效果的結(jié)合，也是制約超高壓噴射鉆井技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的因素。鉆井生產(chǎn)實(shí)踐和研究表明，射流噴速越高，鉆速也隨之增大，鉆頭進(jìn)尺也增多。到目前為止,尚未找到噴射速度對提高鉆速的極限值。如何能夠獲取更大射流噴射速度和沖擊力，是影響噴射鉆井技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的瓶頸。

一、超高壓噴射鉆井技術(shù)應(yīng)用所需的條件

獲得高效的鉆井水力參數(shù)是影響噴射鉆井的主要條件。獲得超高壓是影響和制約當(dāng)前噴射鉆井技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵因素，下面就超高壓噴射鉆井條件進(jìn)行闡述。

1.先進(jìn)的噴射鉆頭。鉆頭是破巖的工具，也是射流水力特性形成的關(guān)鍵。要結(jié)合地層巖性、鉆井深度、鉆井性能、鉆具結(jié)構(gòu)等因素，合理選擇噴射鉆頭噴嘴的類型，確保形成的射流對井底水力沖擊作用效果。

2.優(yōu)質(zhì)的鉆井液。選用的鉆井液要充分考慮地層造漿性、巖性特點(diǎn)、鉆具組合等因素。鉆井液要具有良好的流動(dòng)性，形成的射流產(chǎn)生的沖擊力要有利于井底破巖和凈化。

3.穩(wěn)定的井眼結(jié)構(gòu)。井壁要規(guī)整、井徑要規(guī)范，形成的泥餅要致密，鉆具上行、下放不受阻卡。鉆井液在環(huán)行空間流態(tài)保持良好，循環(huán)阻力小。

4.鉆井泵形成的泵壓足夠大。地面機(jī)泵性能良好，確保鉆井液在高壓狀況下，循環(huán)產(chǎn)生足夠的推力，滿足對地層巖性的破碎。

5.密閉良好的循環(huán)系統(tǒng)。鉆井液循環(huán)的路線要能承受高液流的作用，確保不刺、不漏，滿足高壓液流循環(huán)的需要。

6.設(shè)置井下增壓泵。為有效提升鉆頭處形成高壓液流，降低和減緩地面機(jī)泵和循環(huán)管路承壓和密封的要求，在鉆頭附近加設(shè)增壓泵，在鉆頭處形成高速水力射流的效果。

二、超高壓噴射鉆井技術(shù)研究現(xiàn)狀

超高壓噴射鉆井作為一種高效的鉆井技術(shù)，在普通噴射鉆井技術(shù)的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外都進(jìn)行了大量的研究、探索和應(yīng)用試驗(yàn)。這種技術(shù)對提高鉆井速度、縮短建井周期、降低鉆井成本、提升鉆井效益效果明顯。對設(shè)備、工具、鉆具和鉆井液性能的要求也很嚴(yán)格。

1.國外超高壓噴射鉆井技術(shù)研究狀況

超高壓噴射鉆井技術(shù)起端與國外，對這項(xiàng)技術(shù)的研究經(jīng)歷了三個(gè)階段:第一階段是改善機(jī)泵性能，全排量增壓,因地面循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備經(jīng)受不住長時(shí)間超壓運(yùn)轉(zhuǎn)而終止；第二階段是地面局部排量增壓，通過兩套機(jī)泵組,井下采用內(nèi)外雙管實(shí)現(xiàn)增壓的目的。但因承受高壓內(nèi)管密封可靠性和安全性問題難以保證而終止；第三階段是井下局部排量增壓,采用常規(guī)機(jī)泵組和循環(huán)部件,只在鉆頭上方安裝增壓器,確保進(jìn)入鉆頭噴嘴的射流具有很大的水力特性，并且增壓器已進(jìn)入工業(yè)性試驗(yàn)階段。

2.國內(nèi)超高壓噴射鉆井技術(shù)研究狀況

國內(nèi)噴射鉆井技術(shù)研究始于上世紀(jì)60年代，這種技術(shù)研究經(jīng)歷了淹沒非自由射流特性和噴嘴結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的研究試驗(yàn),獲得了噴嘴水力學(xué)特性有關(guān)數(shù)據(jù),建立了各種噴嘴剖面曲線方程；研制噴射式鉆頭、耐高壓大功率鉆井泵、固控裝備、低固相不分散鉆井液體系,改造了高壓循環(huán)系統(tǒng)。

3.我國超高壓噴射鉆井技術(shù)取得的主要成果

我國對超高壓噴射鉆井技術(shù)研究試驗(yàn)在借鑒國外技術(shù)研究和應(yīng)用的情況，也經(jīng)過三個(gè)發(fā)展階段。第一階段泵壓為10～12MPa；第二階段泵壓為14～15MPa；第三階段泵壓為18～20MPa。對應(yīng)這幾個(gè)階段，從設(shè)備、技術(shù)的研究和應(yīng)用也同步進(jìn)行。

（1）地面泵增壓。通過改善鉆井泵及配套設(shè)施的方式，提高泵壓。目前我國地面泵最高泵壓已達(dá)到40MPa，機(jī)械鉆速提高1～2倍。地面泵增壓對提高噴射鉆井技術(shù)的應(yīng)用，效果十分明顯,但因循環(huán)過程，整個(gè)系統(tǒng)都要承受很高的循環(huán)壓力。對鉆井泵、配套設(shè)備、管匯以及井下鉆柱的密封性能提出了很高的要求。鉆井長期、連續(xù)作業(yè)，對各機(jī)部件的安全性是極大的考驗(yàn),加之制造設(shè)備和工具投資成本大，易損件更換頻繁，影響鉆井時(shí)效等問題,嚴(yán)重制約了這種方式的推廣和應(yīng)用。

（2）井下泵增壓。在靠近鉆頭處，加裝增壓泵，通過井下泵給進(jìn)入鉆頭噴嘴的液流加壓。這種方式既降低了對地面機(jī)泵、管匯對設(shè)備和部件要求，又能確保鉆頭噴嘴獲得足夠的液流水力特性。由石油天然氣總公司勘探開發(fā)研究院承擔(dān)的井下增壓泵的研究、試驗(yàn),無論在成本的預(yù)測,增壓理論,增壓方式串、并聯(lián),大、小噴嘴參數(shù)優(yōu)選,動(dòng)密封技術(shù),鉆頭水動(dòng)力特性研究、試驗(yàn)等都取得了可喜的成果,井下增壓泵輸出壓力達(dá)到150MPa。相信這種方式應(yīng)用到應(yīng)用階段，一定會(huì)顯著的提高鉆頭進(jìn)尺和機(jī)械鉆速，降低鉆井成本，促進(jìn)噴射鉆井技術(shù)的成熟。

三、超高壓噴射鉆井技術(shù)的應(yīng)用

超高壓噴射鉆井（150～200MPa）理論研究和現(xiàn)場試驗(yàn)都取得了一定的突破，但也存在著全面推廣的難度和問題。主要表現(xiàn)在增壓泵超高壓密封、使用壽命、材料質(zhì)量等難以滿足需要，而且制造成本大、研究開發(fā)周期長、短時(shí)間內(nèi)不能盡快應(yīng)用服務(wù)于鉆井現(xiàn)場生產(chǎn)等。結(jié)合鉆井速度、成本和技術(shù)等綜合因素，目前應(yīng)用30～50MPa井下增壓泵是可行的,符合各項(xiàng)指標(biāo)的需求。這種技術(shù)開發(fā)、研究具有的特點(diǎn)。

1.技術(shù)成熟，研發(fā)周期短，效益好。鉆井生產(chǎn)現(xiàn)場研究、應(yīng)用試驗(yàn)表明，目前獲得了井下增壓泵工藝成熟的技術(shù),而且井下增壓泵增壓到30～50MPa壓力,無論是設(shè)備和工具及噴射效果都比較穩(wěn)定。只要將工藝技術(shù)進(jìn)一步定型，就能投入到生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用。

2.設(shè)備工藝、制造容易實(shí)現(xiàn)，成本低。無論是設(shè)備材質(zhì)的選用、加工，還是工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)30～50MPa的增壓很容易。材料及零部件成本低,且增壓泵承壓相對較低，工作時(shí)間長,利于井下作業(yè)的使用。

3.機(jī)械鉆速快、鉆頭進(jìn)尺大。近鉆頭增壓即解決了射流破巖效率，又避免了其他復(fù)雜情況的發(fā)生?？梢蕴岣呱罹鳂I(yè)破巖效率低，事故頻發(fā)的現(xiàn)象。通過增壓泵，能充分發(fā)揮水力射流破巖效率，鉆頭進(jìn)尺和機(jī)械鉆速得到有效提高。

超高壓噴射鉆井技術(shù)是噴射鉆井技術(shù)的延伸，在原來的基礎(chǔ)上通過提高射流的水力作用，使鉆頭的進(jìn)尺和機(jī)械鉆速顯著增加。同時(shí)采用適當(dāng)?shù)拇胧?，避免和杜絕由于設(shè)備制造、密封和使用周期等問題的限制，使超高壓噴射鉆井在生產(chǎn)現(xiàn)場井下推廣應(yīng)用成為可能。

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（編輯 王旸）

（作者單位：大慶技師學(xué)院）