连续油管高压喷射钻井系统

1、高压喷射沟槽钻井技术开展探讨易松林 刘寿军中油集团钻井工程技术研究院江汉机械研究所【摘 要】 简要介绍了高压喷射钻井技术开展状况，重点介绍了当前美国的高压喷射沟槽钻井技术HP JKD井下工具系统组成、技术性能和研究成果，介绍了基于连续管钻机和常规钻机的现场试验和试验暴露的问题。进行了经济分析，认为该项技术应用前景广，指出了进一步开展该技术要攻克的关键技术点，值得国内借鉴。【关键词】 喷射 钻井 连续管1 概述提高钻速的技术追求在油气钻井界从未间断过，提高钻井和建井速度可以获得潜在的经济利益。美国天然气技术研究所GTI通过调查3111口油气井的本钱构成，认为：钻井作业时间占整个建井周期的三分之一

2、多。而来自深井的统计资料说明，钻井用时甚至高出整个建井时间的50%，另外50%的费用用于完井例如：下套管、注水泥、测井、人工升举等。如果钻井效率提高一倍，总的钻井费用可以降低约25%；钻井效率是影响整个本钱的主要因素1。喷射辅助钻井技术是一种提高钻井速度的有效方法，得到了广泛应用，该技术主要目的是：利用钻井液流经钻头喷嘴所形成的高能射流充分地清洗井底，使岩屑兔于重复切削，并与机械作用联合破碎井底岩石。目前这种技术钻井液压力不高，所使用的泥浆泵最高压力一般不超过35MPa5100psi。近年来，一种旨在提高油气藏采收率，完全依靠高压水射流破岩的喷射钻井技术径向水平钻井技术，在国内外得以研究开发。

3、美国和加拿大完成了2000多口径向井的商业应用。这项技术中，所采用的地面泵压喷射压力稍低在45103.5MPa650015000psi之间，国内地面泵压一般在4562MPa65009000psi之间，在清水或钻井泥浆介质下一般只能进行非胶结地层的喷射钻井；国外地面泵压一般在55103.5MPa800015000psi之间，早期技术开展地面泵压在5569MPa800010000psi之间，后期技术开展地面泵压提高到103.5MPa15000psi2。完全依靠高压水喷射破岩的径向钻井技术说明：通过提高现有旋转喷射钻井作业的喷射压力，提高喷嘴的水射流破岩能力，进一步提高机械钻速是可能的。事实上，运用

4、高压液体射流钻井不是一个新的概念。在上世纪50年代，俄罗斯进行的大量实验室试验说明：高压喷射钻头能够有效地钻硬岩石。在上世纪6070年代，埃克森Exxon、壳牌Shell、海湾Gulf等公司进行了大规模的现场试验，并指出：高压喷射钻头在69103.5MPa1000015000psi的射流压力下工作，能够将钻井速度提高24倍。但是，附加的地面设备和特殊钻具要求以及经济性限制了该技术的商业应用。美国能源部联邦能源技术中心资助的主要由摩尔Maurer工程公司进行的一项称作高压喷射沟槽钻井技术High-Pressure Jet Kerf Drilling, HP JKD的工程2005年已经完成技术研究

5、3。该技术地面设备提供的泵压为55103.5 MPa800015000 psi，主要思想是把高压钻井液射流与机械旋转工具结合在一起破碎岩石，首先在井底岩石上喷射切割出层状的径向沟槽，不仅仅满足防止重复切削和清洗井底岩屑；随后由机械刀具切除沟槽突出局部。试验研究说明：这项技术富有革命性，与常规旋转钻井相比，机械钻速可以提高24倍。高压喷射沟槽钻井技术是基于两种方法实施的，一种是基于连续管的方法，使用连续管钻机；另一种是基于接钻杆方法，使用压力升级后的常规钻机。其特色技术是井下工具系统，包括高动力PMD马达、高压喷射钻头等。由于比常规喷射钻井的压力等级高，地面配备有高压钻井泵、高压井控设备。该技术

6、目前已进入现场试验。2 井下工具与地面设备2.1 基于连续油管的高压JKD技术以往的研究说明，钻具连接的密封渗漏、频繁起下钻时间的增加制约着高压或超高压喷射钻井技术的开展。连续油管运用于高压喷射旋转钻井，不仅可以克服这些问题，还能发挥它的其它优点，如：连续循环钻井液、占地面积小、欠平衡钻井、小井眼钻井4。美国的高压喷射沟槽钻井技术起初是基于运用连续油管系统进行研发的。它分为单流钻井工具系统和双流钻井工具系统。2.1.1 单流钻井工具系统图1 单流钻井工具系统示意图连续管滚筒高压喷射钻头高压马达实心转子注入头高压泵连续管的高压喷射沟槽钻井技术的单流钻井工具系统如图1所示。该系统是通过单根连续油管

7、输送69MPa10000 psi的高压钻井液至井下，驱动泥浆马达，再将其输送到钻头喷嘴，由钻头的喷嘴高速射出。该系统主要由单根连续管、单流高压钻井马达、单流喷射钻头组成。结构相对简单、可靠性高，可以钻出较小的井眼127mm或更小，与现有工具设备兼容。单流钻井系统也有很多挑战性的问题。美国进行了两个主要技术的研发，其一：高性能的连续管的研制，技术目标是在内部高压作用下，使由滚筒缠绕的反复出入油井的连续管不会遭到快速疲劳破坏。因为，当连续管内压较高时，常规连续油管经过鹅颈管几个循环次数后，就发生疲劳破坏和胀径直径增长现象。其二是：开发一种可以在69MPa10000 psi下工作的泥浆马达。马达的输

8、出动力与其外径尺寸直接有关。例如：一个171mm的PDM马达可以传输130170马力的功率，而一个73mm的PDM马达只能传递2030马力的功率。连续管直径小，与常规钻杆相比，输送液体能力相对缺乏，导致与之相连接的马达的输出动力缺乏。所以，美国摩尔Maurer工程公司开发了高动力的PMD马达，这种马达可以传递相同直径下常规马达2倍的动力并使钻速提高2倍。共研制了三种不同规格特殊的高压泥浆马达，外径尺寸分别为：42.86mm、79.38mm、120.65mm，它们分别与50.8mm、152.4mm、120.65mm钻头配用。图2 高压泥浆马达结构示意图PDC推力轴承PDM多级马达转子/定子23/

9、8"CT高压喷射钻头径向轴承/限流器钛金属弹性轴过滤器驱动轴PDM马达是可承受高压的涡轮叶片式马达，如图2。围绕三个关键技术展开研究：推力轴承、钛金属弹性轴、泥浆限流器。高压泥浆马达在高压下会产生很高的下推载荷，要求采用金刚石推力轴承；它比常规的滚柱球轴承承载能力增大3倍。增大的向下推力也使得作用在弹性轴或耦合器上的应力增大，为此，他们开发了一种用于该类马达的钛金属弹性轴，目前在实验室进行的大量试验测试说明：这种轴能够承受较大的轴向载荷和扭转载荷。高压泥浆马达的轴承部件可以让一小股钻井液经过轴承部件内部对轴承进行冷却和润滑。设计了一种特殊的迷宫式密封以较高的分级压降控制这股流体流量的

10、大小。高压钻井马达钻伯里亚砂岩Berea sandstone的机械钻速超过304.8m/hr1000ft/h，而相比之下，常规马达的机械钻速为70m/h230ft/h，旋转钻头的机械钻速为30.48 m/h100ft/h。单流工具系统可直接采用爆破强度超过69MPa10000psi的常用连续管；采用爆破压力到达1366MPa19800psi的50.8mm直径壁厚5.16mm的连续管更适宜，不仅可以提高地面泵压，还可以使连续管不产生过高的压降，从而给马达提供足够的驱动力，并能留有足够的钻井液流速清洗井眼。高压泵高压马达空心转子高压喷射钻头注入头连续管滚筒图3 双流钻井工具系统示意图2.1.2 双

11、流钻井工具系统双流钻井工具系统将高压钻井液泵入同心双层连续油管的中心管柱，将低压钻井液泵入管柱环空。该系统主要由同心双层连续油管、双流的高压钻井马达、双流的喷射钻头组成。在马达顶部装有特殊旋转水龙头和柔性接头，高压钻井液由此通过马达中心到达钻头，由钻头上的高压喷嘴射出，在岩石上切割出层状沟槽，低压钻井液用于驱动井底马达，并最后由钻头上的低压喷嘴射出，上下压混合射流最终将岩屑携带到地面。双流钻井工具系统结构显然复杂，美国方案先研究出成熟的单流工具系统，目前暂时放弃双流钻井系统研究。2.1.3 高压喷射钻头图4 高压喷射钻头钻 头PDC刀片高压喷咀锯齿形射流常规钻头是无法满足高压喷射沟槽钻井技术J

12、KD要求的。设计了特殊的高压钻头，“单流工具系统所用的钻头只有高压喷嘴，而“双流工具系统既有高压喷嘴又有低压喷嘴。埃克森Exxon公司所用的高压钻头有金刚石刀片、刮刀片和牙轮刀具几种，能够适应从柔软的页岩到坚硬的白云岩的所有类型岩石。高压钻头由PDC刀具或牙轮刀具机械地切除高压喷射作用弱化了的岩石，不必钻到硬地层时更换钻头。PDC钻头的优点是：可以使高压钻井液射流沿整个井眼底部布置，从而可以在岩石上切割出多个层状沟槽，如图4、图8所示。而对于高压牙轮钻头，由于尺寸空间的限制，为在井眼范围内切割出类似的沟槽，高压喷嘴必须安装在钻头的边缘。Exxon公司的现场试验说明：两种型号的钻头都是有效的，而

13、PDC钻头更适合于76.2127mm的小井眼。2.1.4 连续管当连续管带高压由滚筒上下轮转时，疲劳破坏是一个问题。例如：在83MPa12000psi的内压作用下，50.8mm QT-1000连续管在上提下放16次后就失效。对于初始的现场试验来讲，这个寿命也足够了，但是，一旦这套系统投入商业应用，就需要更长的连续管寿命。图5所示曲线说明：当连续管承受内部压力增加时，使用寿命急剧减少。美国正在进行研究试验的I-625连续管可以将其疲劳使用寿命由16循环次提高道72循环次，而美国正在进行研究试验的炭纤维合成管疲劳寿命可以到达2000循环次。与现有级别的连续油管相比，这些新型材料的爆破压力比常规的钢

14、制连续管高出相当多，高压下的疲劳寿命有显著提高，如图6所示。但是，大直径的新级别连续管目前处于实验室测试阶段，还不能进入现场试验。 图5 承受内压的连续管疲劳寿命比照2.1.5 地面设备 图6 新型高强度连续管疲劳曲线图连续管钻机主要设备由注入头、滚筒、液压系统等组成，很多文献有介绍，在此不多述。为了适应高压钻井的需要，美国人斯图尔特Stewart和史蒂文森Stevenson开发出了一种103.5MPa15000psi的高压水龙头，单流工具系统在连续管钻机滚筒轴的一端使用一只高压水龙头给连续管输送高压钻井液；对于双流工具系统，那么在滚筒轴的另一端装上常规的低压水龙头给同心连续管柱环空输送低压钻

15、井液，也可以使用一种安装在滚筒轴一端的双压水龙头。高压喷射沟槽钻井技术，配备了压力到达6983MPa1000012000psi，最小流量为12.62L/s200gpm的特殊泥浆泵设备，同时配备从高压泵到连续管钻机的高压管线。此外，井控设备压力等级也必须提高。2.2 基于接钻杆的高压JKD技术基于接钻杆的高压JKD技术除使用升级的常规钻机和钻杆接头采用特殊结构外，其余局部与连续油管的高压JKD技术是根本相同的。一般需要将钻机升级到69MPa10000 psi压力下工作，需要更换从钻杆到泥浆泵的高压管线，包括钻杆、高压旋转水龙头、高压水龙带等。为钻机配备了高压泥浆泵也是必需的。为解决钻具接头渗漏刺

16、漏和被冲掉的现象，美国人开发出了一种双台阶钻杆接头，目前，这种双台阶接头的钻杆应用于现场油田试验，没有出现渗漏、刺漏现象，钻杆外径是88.9mm，S-135钢级，丝扣为88.9mmHT。3 综合试验3.1 实验室试验进行了大量的高压喷射沟槽钻井技术JKD综合试验，不同地层中钻井实验数据显示：高压JKD技术具有增加机械钻速的潜能。图7是高压JKD技术在6.969MPa100010000psi压力下工作机械钻速的比照。图8 为地面试验岩石试件上喷出沟槽形状。3.2 现场试验高压JKD技术的第一口井的现场试验在俄克拉菏马州塔尔萨市的天然气技术研究所Catoosa试验井场进行，该试验井场可提供多种地层

17、条件，试验井深相对较浅，便于系统试验，便于工具系统的参数及性能测量。基于连续油管的高压JKD工具系统的高压泥浆马达局部试验压力到达69MPa10000 psi。连续油管以下局部钻井工具组合是：阻挡式连接器或滑块连接器液力快速释放阀截止阀高压泥浆马达钻头。图7 高压JKD技术机械钻速比照试验中暴露了各种问题，这些问题有：1井底钻具装置BHA组装起来困难，起吊工具和接头上下扣非常困难。配备了一套特制的便携式管钳用来连接工具。2连续管经过几个循环次数后，截面直径快速胀大前述的特殊高强度连续管这时还不能交付使用，连续管试验不得不中止。3连续管钻井试验配备的特殊高压泥浆泵、高压管线，增加了试验费用。图8

18、 高压JKD技术切割的层状沟槽4高压PDM马达的定子出现故障使得高压马达不得不中止试验，而用基于接钻杆的JKD技术试验高压喷射钻头和高压喷射沟槽辅助钻井技术工艺。5高压JKD钻头喷嘴局部开始存在刺漏问题，最后得到了解决。试验除暴露技术问题取得的经验外，取得的直接积极结果是：在不同的地层中，包括：砂岩、页岩、砂页岩、石灰岩等，与常规钻头相比，相同的地质条件下，JKD钻头能够提高钻井速度1.36倍。通过JKD瞬时钻井速率与邻井钻井速度的记录比照，JKD钻头的钻速显示可以提高10050026倍。4 经济性简评图9 收回投资每口井的钻井费用比照实验室试验和现场试验提供的数据说明：高压喷射沟槽钻井技术是

19、非常有潜力的钻井技术，但是，高压JKD技术的最终目标是进入商业应用，降低整个建井本钱；为此，在一定的假设根底上，对基于接钻杆的高压JKD技术进行了经济性分析，编制了计算机程序，建立了经济评价模型。下面以一口典型油井的钻井作业为例进行经济评价。假设一般典型油井需要28天完成钻井包括钻机搬家和钻机安装，根据经济评价模型测算：钻机日费一般为1万美元/天，每口井的钻井本钱为28万美元，每年可以完成13口钻井。小井眼165.1mm钻井天数为8天。关键问题是购置高压泥浆泵和升级钻机形成的费用增加必需通过增加高压JKD系统的日费埋掉。根据美国RMOTC现场试验报告，10万美元用于改造钻机，50万美元用于购置

20、泥浆泵，经济评价模型显示：假设钻井日费为1.1754万美元/天，那么一年就可以冲抵掉更新改造费用；假设按照两年冲抵掉更新改造费用计算，钻井日费为1.0929万美元/天，图9为按一年或两年收回投资每口井的钻井费用比照。如果钻井承包商平均每口井收取28万美元的费用，那么可接受每口井带来的额外收入，当然，如果钻井速度仅提高2倍，一年收回投资不可取；如果钻井速度提高很快或按照两年收回投资操作，每口井可以挣到可观的额外收入。在投资归还完毕后，额外收入急剧增长为直接收益。此外，假设油井费用维持不变，每个油井由于快速完成，可提前投产，每年所钻的钻井数量会增加。例如：假设一个小井眼井机械钻速提高2倍，每口油井

21、可以提前4天完成，每年可以多钻两口油井。基于连续油管的高压JKD技术，如果能突破连续管使用寿命的限制，采用新型长寿命连续管，显然，钻井费用会更低。5 开展前景探讨美国高压喷射沟槽钻井技术研究是在多家公司合作的根底上进行的，所取得的成绩是值得肯定的，值得我国借鉴。在实验室里的研究是成功的。利用连续管钻机进行高压喷射钻井的思想是可取的，在提高机械钻速方面非常有效，具有很好的开展前景。但是，目前该技术还不成熟，要进入工业应用还有大量的工作要做。表现在以下几个方面：1钻井日费太高，据测算，基于升级钻机的高压JKD技术机械钻速必须高于常规钻速的45倍，才能够使之得到商业化应用。所以今后必须考虑降低钻井日

22、费。 2由于连续管高压下上下轮转时，承受着很大的破坏性负荷和疲劳损伤，采用常规的连续油管进行试验研究尚可，现场使用常规的连续油管存在技术和经济两方面的问题；处在研究后期的炭纤维合成管是高压JKD技术今后商业应用的连续管的较理想方案。3通过高压钻头喷嘴水眼的钻井液流速大大高于常规喷射钻井，喷嘴寿命可能是制约该技术开展的一个重要因素，喷嘴寿命越长，起下钻时间越少，越能节约钻井本钱；相反，如果频繁更换高压钻头喷嘴，额外的起下钻时间和连续管反复卷起和下放，均会导致这项技术使用本钱增加。今后应该研究寿命很长的喷嘴。4连续管作业机作钻机用时，应该配备吊装设备和专门的井口工具，以便井下工具的上下扣等操作。5其它附加因素，如：泥浆携带岩屑能力，一定程度上限制了钻井速度的提高，应进行高压JKD技术条件下的井底流体力学分析。目前，安排合理的情况下，可以在两口井的钻井中共用一组高压泥浆泵；高压和超高压水射流技术已经有多年的开展，长寿命喷嘴移植到高压钻头上获得较经济的应用是可能的。我国相关部门应