应用水力空化射流技术提高灰岩地层钻速.pdf

2 0 1 3年第 4 0卷第 5期 探矿工程( 岩土钻掘工程) 应用水力空化射流技术提高灰岩地层钻速 鲍 洪 志 ( 中国石化石油工程技术研 究院， 北京 1 0 0 1 0 1 ) 摘要： 水力空化射流技术具有安全、 可靠 、 效果好等特点， 在石油钻井中得到了推广应用。针对伊朗 Y油田中下 部 中硬灰岩地层可钻性差 、 机械钻速低 的情况 ， 试验应 用 了水力空化 射流工 具。研究 了试验 油 田的地 层强度及 可 钻性参数， 优选了水力脉冲空化射流装置和下部钻具组合， 优化了机械及水力参数。现场实钻资料表明， 水力空化 射流工具提高钻速明显， 对中硬地层的灰岩具有良好的钻进效果。 关键词 ： 水力空化射流 ； 灰岩地层 ； 可钻性 ； 机械钻速 ； 伊 朗 中图分类号 ： T E 2 4 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 7 4 2 8 ( 2 0 1 3 ) 0 5 0 0 0 1 0 3 App l i ca t io n o f Hy d r a u l ic Ca v i t a t io n J e t Te ch n o l o g y t o I mp r o v e Pe n e t r a t io n Ra t e in L ime s t o n e F o r ma t i o n B AO H o n g z h i ( S i n o p e c R e s e a r ch I n s t i t u t e o f P e t r o l e u m E n g in e e rin g ， B e i j in g 1 0 0 1 0 1 ，C h in a ) Ab s t r a ct ： H y d r a u l i c ca v i t a t i o n j e t t e ch n o l o g y is w id e l y u s e d i n p e t r o l e u m d r i l l in g f o r i t s s a f e t y a n d r e l ia h i l i g y w it h g o o d e f f e ct s Acco r d ing t o t h e co nd it io n s o f p o o r d r il l a bil it y a nd l o w ROP in l owe r pa r t o f me d iu m h a r d l ime s t o ne for ma t io n o f Y o i l fi e l d i n I r a n ， h y d r a u l i c ca v i t a t i o n j e t t o o l s a r e t e s t e d B y t h e s t u d y o n t h e f o r m a t i o n s t r e n g t h o f t e s t o i l fie l d a n d t h e d r i l l a b i l i t y p a r a m e t e r s ， h y d r a u l i c p u l s e d ca v i t a t i o n j e t d e v i ce a n d B H A w e r e s e l e ct e d ； t h e m e ch a n ica l a n d h y d r a u l ic p a r a me t e r s h a v e b e e n o p t i n fiz e d T h e r e a l d r i l l i n g d a t a in d ica t e t h e o b v io u s im p r o v e m e n t o f h y d r a u l ic ca v i t a t io n j e t d r i l l in g t o o l ， w h ich is g o o d f o r d ri l l in g in me dium h a r d l ime s t o n e f o r ma t io n Ke y wo r d s ：h y d r a u l i c ca v i t a t io n j e t ；l i me s t o n e f o r ma t i o n；d r i l l a h i l i t y；ROP；I r a n 1 水 力 空化射 流装 置及 其破 岩机 理 空化射流是指人为地控制水射流流束并产生许 多空泡 ， 利用空泡破裂所产生 的强大冲击力来增强 射流的作用效果。基本原理是在液体射流内诱使空 化发生并让空泡长大 ， 当含有这些空泡 的射流冲击 物体时 ， 使空泡在物体表面及其附近破裂 ， 由于空泡 破裂时产生的能量高度集 中 ， 并局 限在许多非常小 的面积上 ， 从而在物体表面许多局部 区域产生极 高 的冲击压力和应力集 中， 使物体表面迅 速破坏。在 相 同泵压和流速条件下 ， 空化射流 的这种局部压力 放大作用使其清洗切割效果大大优于非空化射流。 水力空化射流装置的结构原理见 图 1 ， 其结构 主要 由本体 、 弹性挡圈、 导流体和 白激振荡喷嘴等组 成。导流体改变钻井液方 向和速度 ， 叶轮总成为振 动腔提供有源脉冲， 自激振荡腔有源脉冲信号具有 流体声谐共振 、 信号放大等功能 ， 在流体 出口端可产 生强烈脉动涡环流。水力脉冲空化射流发生器安装 于钻头上部 ， 将流体的扰动作用和 自振空化效应耦 合 ， 使进入钻头的常规连续流动调制成振动脉冲流 动 ， 钻头喷嘴出口成脉 冲空化射流 ， 产生 3种效应 ： 水力脉冲可改善井底流场 ， 提高井底净化和清岩效 率 ， 减少压持和重复破碎 ； 空化 冲蚀可辅助破岩 ， 提 高破岩效率 ； 井底瞬时负压脉冲， 可保持局部瞬时欠 平衡 ， 改变井底岩面应力状态。 弹性挡 圈叶轮 叶轮座 自 激振 荡腔 室本体 上母 接 头 导 流 体 叶 轮 轴 自撒 振 荡喷 嘴 F 母 接 头 图 1 水力空化射流工具结构 示意图 V E J o h n s o n J r 等人推导出了等温压缩条件 下 空化射流产生的冲击压力与连续射流冲击压力之间 的关系 ： P =( P 6 3 5 ) e x p ( 2 3 ) ) ( 1 ) 式 中： p i空化射流冲击压力 ， P a ； p 连续射流 冲击压力 ， P a ； 液体内气体的体积分数 ， 。 C o n n和 R u d y曾用试验 的方法求取 了 值 ， 假 定当 =1 6 1 1 2范围内时， 从式 ( 1 ) 可得到空化 收稿 日期： 2 0 1 3 0 42 5 ；修 回日期 ： 2 0 1 30 5 0 3 基金项 目： 中国石化科技部项 目“ 伊 朗 Y油 田安 全快速成井关键技术研究” ( J P 1 0 0 0 5 ) 资助 作者简介： 鲍洪志 ( 1 9 6 6一) ， 男 ( 汉族 ) ， 辽 宁盖州人 ， 中国石化石油工程技术研 究院高级工程师 ， 钻探工程专业 ， 从 事钻井技术研 究 、 钻井 工 程设计 、 海外钻井技术支持等工作 ， 北京 市朝 阳区北辰东路 8号 ， b a o h z s fip e s i n o p e c co n。 2 探矿工程( 岩土钻掘工程 ) 2 0 1 3年第 4 0卷第 5期 射流与连续射流冲击压力之间的关系 ： P ：( 8 61 2 4 ) P ( 2 ) 式 ( 2 ) 表明 ， 在泵压和流速相 同的条件下 ， 空化 射流冲击压力为连续冲击压力的 8 6一 ， 1 2 4倍 ， 即如 果连续射流的冲击压力为 1 0 MP a ， 则相同条件下空 化射流冲击压力高达 8 61 2 4 0 MP a ， 如此高的冲击 压力 ， 足 以切割和破坏岩石金属之类的坚硬材料。 2 水力空化射流装置在伊朗 Y油 田适用性分析 伊朗 Y油 田上部地层 主要 为砂 泥岩夹灰岩地 层 ， 中下部为大段的灰岩地层。早期 已钻井资料表 明 ， 该油田中下部灰岩地层平均机械钻速普遍较低 ( 1 6 h ) ， 严重制约了油 田勘探开发进程。为了实 现提高机械钻速的目的， 开展了一系列提高机械钻速 的研究 ， 包括了力水空化射流装置应用。Y油田为白 垩系灰岩为主的海相地层 ， 主要地层描述见表 1 。 表 1 Y油 田地层描述 采用 A S T M D 3 1 4 8 9 3和 I S R M推荐的岩石力 学试验方法 ， 利用 已钻井取得 的岩心开展 了岩石力 学实验 ( 见表 2 ) 。 表 2 岩心单轴试验 数据 应用测井资料结合灰岩可钻性经验模型 ， 建立 了地层的可钻性剖面 ( 见 图 2 ) 。从图中可 以看 出， 中下部地层的可钻性变差 ， 可达 6 7级。 根据 Y油 田的地层抗压强度 以及空化射 流的 射流压力 ， 可以得 出空化射流在此地 区的提速适应 性 ( 见 图 3 ) 。 嘿 怊 是 接 篙 】l j 簧 0 0 5 1 0 1 5 2 0 钻头 比水功率 ( k w( e ra ) ) 图 3 常规 水 射 流 与 空 化 射 流 冲 击压 强 的 比较 水射流提高机械钻速的原 因： 一是有效清洗井 底 ， 射流撞击井底后形成的井底冲击 波和井底漫流 对井底清洗起重要作用。这种作用尤其在软地层快 速钻井时作用尤为显著， 钻速提高时破碎的岩屑很 多 ， 需要快速有效的清洗井底 ， 以防止重复破碎 。 二是射流的辅助破岩作用 ， 理论和实践表明射流 功率足够大时， 不但具有冲洗井底 的作用 ， 而且具备 辅助破岩的作用。但是具备的条件是射流的冲击力 要超过地层岩石的抗破碎压力。因此对于常规钻头 的射流而言 ， 辅助破岩只能在软地层时才能发生作 用 。 综上所述 ， 常规钻头水射流提高机械钻速最有 效的地层条件是软地层 ， 当钻遇硬地层时， 常规水射 流难 以达到岩石 的破碎压力 ， 根据 钻 井手册 ( 甲 方 ) 推荐的通用钻速方程可定量评价。 使用简化 的钻速方程可以进行射流压力对钻速 的影 响 ： V=( W 5 6 2) 。 。 。 d( N 6 0) 。 。 一 。 。 d ( HE 1 1 0 2 6) 。 。 一 。 。 H E I =C 0 O 5 p Q ( A B A ) ( 3 ) 2 0 1 3年第 4 0卷第 5期 探矿工程 ( 岩土钻掘工程) 3 式 中 ： 机 械 钻 速 ， m h ； 一比 钻 压 ， t in ； 可钻性 级值 ； 转 速 ， r ra in ； 埘 有 效钻头 比水 功率， k W cm ； c钻头 喷嘴能量转 换效率 ； p 钻井 液密度 ， g cm ； Q 排量 ， L s ； 。钻头面积 ， cm ； A 钻头喷嘴出 口截面积 ， 1 c m 0 钻头射流冲击压强为 ： PB J = p Q ( 1 0 0 A ) ( 4 ) 将式( 3 ) 、 ( 4 ) 进行整理可以得到钻头 比水功率 与钻头喷嘴压强的关系 ： H E I = 5 C Q a ( 5 ) 假设转换效率为 0 9 ， 排量为 3 0 L s ， 钻头尺寸 为 2 1 5 9 cm， 用水射流冲击力表达的钻速方程可以 推导为： V：( 5 6 2 ) 。 。 。 。 ( N 6 0) 。 。 一 。 。 ( 0 3 3 PR 1 1 0 2 6) 。 。 一 。 。 J d 同时 ， 根据岩石强度 与可钻性的相关性关系经 验 公式 ： =8 5 7 2 e O 4 8 6 K ( 6 ) 可做出不 同强度 的岩石条件下钻头水射流压力 对于机械钻速的影响( 见 图4 ) 。 根据通用钻速方程计算出的曲线可 以看出地层 的影响， 硬地层条件下 ， 钻头射流压力提高机械钻速 效果有限， 因此需要使用高压水射流来辅助破岩。 根据岩石力学参数试验和计算结果 ， 伊朗雅达 地区井深 3 0 0 0 m以下 的地层岩石强度基本保 持在 1 5 2 5 MP a 。根据图 4可知 ， 常规 的水射流在这种 硬 地层 中难以有效提高钻速 ， 如果应用高压水射流 - 蚓 图 4软硬 地层对水射流提高机械钻速的影响 需要极高的泵压 ， 在不考虑钻柱 、 井眼压耗的情况下 就要需 3 51 4 0 M P a的高压 ， 钻井现场难 以达 到。 采用空化射流工具在钻头处产生空化射流可以在常 规钻头水功率的条件下达到极高的压力 。 3 水力空化射流装置在 Y油 田应用效果分析 为了验证空化射流工具 的效果 ， 选择了雅达油 田机械钻速相对较低的 G a d地层进行 了试验 ， 并与 邻井的同地层常规钻进数据进行了对 比。 试验井 ： F 2 4井 ， 井眼尺寸 8 i n ， 井 深 3 7 4 0 3 9 5 3 m， 空化射流工具规格为 7 i n ( O1 7 8 ra m) 。 钻具组合 ： 8 in钻头 +空化射流工具 + 6 x z in D C2+ 8 in S T B+ 6 1 z in D C1+ 8 in S T B+ 6 in DC6+5 in HWDP x 6+J a r +5 in HW D P8 +5 in DP。 应用效果见表 3 。 4结论与认识 水力空化射流装置可应用于中硬地层 ， 能有效 表 3 空化射流工具应用效果对比 提高钻井机械