徑向水平井多孔組合射流破巖孔眼直徑計(jì)算方法研究

舒小平

（中石化海洋石油工程有限公司上海鉆井分公司，上海 201206）

徑向水平井多孔組合射流破巖孔眼直徑計(jì)算方法研究

舒小平

（中石化海洋石油工程有限公司上海鉆井分公司，上海 201206）

多孔組合射流水力鉆頭是徑向水平井徑向鉆進(jìn)所用的一種水力鉆頭形式，其通過互不干涉的多個(gè)水眼射流在巖石上形成多個(gè)小破碎坑的連通，形成供其本身和后續(xù)軟管通過的水平孔眼。目前，多通過地面實(shí)驗(yàn)方法對(duì)多孔組合射流水力鉆頭的徑向鉆進(jìn)能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過對(duì)孔眼形態(tài)的分析，以單個(gè)周向孔眼傾斜射流的切槽寬度為基礎(chǔ)，建立了一套多孔組合射流水力鉆頭破巖孔眼直徑的計(jì)算方法。

多孔組合射流；水力破巖；孔眼直徑

徑向水平井多孔組合射流水力鉆頭中心和周向水眼射流在破碎巖石產(chǎn)生小破碎坑的連通，形成直徑較大的孔眼，以供其本身和后續(xù)軟管通過進(jìn)行徑向鉆進(jìn)[1-3]。周向水眼的空間形態(tài)對(duì)水平孔眼的形成和大小有很大影響。目前，多通過實(shí)驗(yàn)手段對(duì)不同周向水眼擴(kuò)散角和扭轉(zhuǎn)角的多孔組合射流水力鉆頭鉆進(jìn)能力進(jìn)行摸索式的評(píng)價(jià)和研究，缺乏一定的理論指導(dǎo)。通過對(duì)多孔組合射流水力鉆頭破巖的孔眼形態(tài)進(jìn)行分析，建立了一套孔眼直徑的計(jì)算方法，能夠?yàn)槎嗫捉M合射流水力鉆頭的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 多孔組合射流水力鉆頭布孔方式

圖1所示為徑向水平井多孔組合射流水力鉆頭示意圖。其正向噴孔布局方式一般為鉆頭中軸線上布一個(gè)與軸線平行的小孔，距離軸線一定半徑的圓周上（本文稱為“定位圓”）均勻分布多個(gè)與中軸線呈一定夾角（本文稱為“擴(kuò)展角”）的小孔；在前噴孔“擴(kuò)展角”的基礎(chǔ)上，將前噴孔軸線沿鉆頭周向再“扭轉(zhuǎn)”一定角度（本文稱為“扭轉(zhuǎn)角”），故形成的射流既有徑向速度，又有周向速度。

圖1 徑向水平井多孔組合射流水力鉆頭示意圖

2 孔眼形態(tài)分析

隨著多孔組合射流水力鉆頭的前進(jìn)，相鄰切槽發(fā)生干涉。單股周向射流相當(dāng)于與沖擊平面成一定角度的傾斜射流，傾斜角度與擴(kuò)散角和扭轉(zhuǎn)角有關(guān)。根據(jù)水射流破巖理論，傾斜射流在巖石表面形成非圓的破碎坑，按順時(shí)針方向，某一切槽的右緣與其相鄰切槽的左緣相交于一點(diǎn)。該點(diǎn)所在圓即代表多孔組合射流水力鉆頭形成的有效孔眼，其與原點(diǎn)的距離即為有效孔眼的半徑。周向射流與中心射流在有效孔眼范圍形成交互破巖區(qū)域，各個(gè)射流產(chǎn)生的破碎坑在此區(qū)域內(nèi)連通，形成連續(xù)孔眼。

3 計(jì)算方法

3.1 周向水眼中心線空間形態(tài)分析

圖2為周向水眼中心線的空間形態(tài)。由圖可知，通過擴(kuò)散角ω和扭轉(zhuǎn)角φ的空間轉(zhuǎn)動(dòng)變換，周向水眼中心線與沖擊平面π形成夾角θ，其在沖擊平面π的投影與ZOY平面形成夾角α。OcD與沖擊平面π垂直，其長(zhǎng)度為噴距h。因?yàn)锽C與CD共面且相互垂直，所以BC垂直于平面ZOY，平面OcBC垂直于平面ZOY。

圖2 周向水眼中心線空間形態(tài)示意圖

則有：

又可得：

則有：

3.2 周向水眼射流切槽干涉分析

且有：

圖3 相鄰切槽干涉示意圖

其中，d為單股周向射流的切槽寬度。

左、右緣方程為：

第i個(gè)切槽的左緣線繞原點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ=360°/n（n為周向水眼個(gè)數(shù)）后為第i+1個(gè)切槽的左緣線，其方程為：

其中，β為第i+1個(gè)切槽的左緣線mi+1與X軸的夾角：

mi和mi+1到原點(diǎn)的距離相等，則有：

由（6）可得：

聯(lián)立（3）、（4）和（7）可得第i個(gè)切槽右緣與第i+1個(gè)切槽左緣線的交點(diǎn)A的坐標(biāo)，如（8）所示，其與原點(diǎn)的距離即為有效孔眼的半徑：

4 實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

圖4為實(shí)驗(yàn)用高壓釜、噴嘴和沖擊試件。高壓釜額定圍壓30MPa，制備兩種試件：①空氣磚，抗壓強(qiáng)度6.4MPa；②水泥石，抗壓強(qiáng)度20.7MPa。

圖4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備、噴嘴和沖擊試件

表1為多孔組合射流水力鉆頭破巖孔眼直徑計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比。由表可知，計(jì)算值小于實(shí)測(cè)值，最大誤差為8.5%，計(jì)算方法能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算孔眼直徑。在多孔組合射流水力鉆頭的破巖成孔過程中，隨著其進(jìn)入孔眼，在孔眼內(nèi)部形成增壓。同時(shí)，相鄰周向射流對(duì)于有效孔眼范圍內(nèi)的巖石不會(huì)出現(xiàn)重復(fù)破碎的情況，而計(jì)算方法中未考慮這一點(diǎn)，所以孔眼直徑計(jì)算值小于實(shí)測(cè)值。該計(jì)算方法以實(shí)驗(yàn)得到的切槽寬度為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，預(yù)測(cè)孔眼直徑能力較弱。將來應(yīng)進(jìn)行傾斜射流的破巖，形成傾斜角度、巖石強(qiáng)度、射流壓力與切槽寬度的關(guān)系“數(shù)據(jù)庫(kù)”，結(jié)合該計(jì)算方法，理論上能夠?qū)Χ嗫捉M合射流水力鉆頭的鉆進(jìn)能力進(jìn)行“事前”評(píng)價(jià)，以指導(dǎo)其水眼空間形態(tài)的設(shè)計(jì)，減少地面實(shí)驗(yàn)的工作量。

表1 孔眼直徑計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

5 結(jié)論和建議

1） 單股周向水眼射流為與沖擊平面成一定夾角的傾斜射流，切槽寬度與水眼直徑、擴(kuò)展角、扭轉(zhuǎn)角、巖石強(qiáng)度和射流壓力有關(guān)。

2） 本文提出的計(jì)算方法能夠較為準(zhǔn)確地對(duì)多孔組合射流水力鉆頭破巖形成的孔眼直徑進(jìn)行預(yù)測(cè)，但其準(zhǔn)確性主要依賴于周向水眼射流切槽寬度的確定。在后續(xù)研究工作中應(yīng)開展在不同水眼直徑、巖石強(qiáng)度和射流壓力條件下，傾斜射流切槽寬度變化規(guī)律的研究，以期為今后多孔組合射流水力鉆頭破巖孔眼直徑的預(yù)測(cè)提供準(zhǔn)確參考。

[1] Dickinson W，Dykstra H，Nordlund R.Coiled ubing radials placed by rater jet drilling[J].SPE Paper，1993，（26348）.

[2] Kolle J，Theimer K，Theimer A，et al.Coiled tubing jet drilling with a downhole intensif i er[J].SPE，2008，113725：1-2.

[3] 周衛(wèi)東，師偉，李羅鵬.徑向水平鉆孔技術(shù)研究進(jìn)展[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（4）：1-6.

Study on Calculation Method of Hole Diameter of Perforated Rock in Radial Horizontal Well

Shu Xiao-ping

The porous combined jet hydraulic drill is a kind of hydraulic drill used in the radial horizontal drilling of radial horizontal well.It forms the connection of several small crushing pits on the rock by the multiple water-eye jets that do not interfere with each other.Its own and subsequent hose through the horizontal hole.At present，the radial drilling ability of the porous combined jet hydraulic drill bit is evaluated by the ground experiment method.Based on the analysis of the shape of the hole，the calculation method of the hole diameter of the perforated hydraulic drill bit is established based on the grooving width of the single circumferential hole inclined jet.

porous combination jet；hydraulic breaking rock；hole diameter

TE921.1

：B

：1003–6490（2017）04–0133–02

2017–04–02

舒小平（1972—），男，上海人，工程師，主要從事石油勘探工作。