劉曉敏，侯樹剛，蔣金寶，楊玄

（1.中國石化中原油田分公司科技部，河南濮陽 457001；2.中國石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南濮陽 457001；3.中國石化中原石油工程有限公司塔里木分公司，新疆庫爾勒 841000）

高壓噴射鉆井技術(shù)及其應(yīng)用

劉曉敏1，侯樹剛2，蔣金寶3，楊玄2

（1.中國石化中原油田分公司科技部，河南濮陽 457001；2.中國石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南濮陽 457001；3.中國石化中原石油工程有限公司塔里木分公司，新疆庫爾勒 841000）

高壓噴射鉆井是實現(xiàn)鉆井提速的有效手段。塔里木盆地作為我國石油工業(yè)的戰(zhàn)略接替地區(qū)，鉆井提速的需求非常迫切。針對塔河地區(qū)高壓噴射鉆井先導(dǎo)試驗過程中存在的問題，通過環(huán)空流場數(shù)值模擬研究，分析了鉆井液排量、流變性能等參數(shù)對水力能量的影響，開展了鉆井裝備優(yōu)化配置，制定了鉆井參數(shù)優(yōu)化方案，并在3口井進行了現(xiàn)場試驗。試驗表明，采用推薦的高壓噴射鉆井參數(shù)優(yōu)化方案施工，對鉆井提速具有非常顯著的效果，建議在塔河地區(qū)推廣應(yīng)用。

高壓噴射鉆井；鉆井參數(shù)優(yōu)化；環(huán)空流場模擬；鉆井提速

我國自1978年開始推廣應(yīng)用高壓噴射鉆井技術(shù)，實踐表明這一技術(shù)是提高鉆井速度的有效手段[1-4]，能夠縮短鉆井周期，顯著提高經(jīng)濟效益[5-9]。塔里木盆地由于儲層深、鉆井周期長，鉆井提速提效的需求非常迫切[10-14]。中原油田自2009年以來在塔河地區(qū)開展了35 MPa高壓噴射鉆井技術(shù)先導(dǎo)試驗，現(xiàn)場應(yīng)用2口井，與常規(guī)工藝相比，鉆井周期明顯降低。

本文在前期研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，進一步開展了高壓噴射鉆井技術(shù)的研究，2011年在TH12153井（50～4 200m）、TP140井（50～5 035m）和TP146X井（800～5 010m）開展現(xiàn)場推廣應(yīng)用工作?，F(xiàn)場試驗表明，采用推薦的高壓噴射鉆井參數(shù)優(yōu)化方案施工，對鉆井提速具有非常顯著的效果。

1 存在問題

1）上部地層阻卡。塔河地區(qū)上部地層包括庫車、康村和吉迪克組，巖性主要為砂泥巖互層。鉆井過程中，砂巖地層產(chǎn)生虛厚泥餅，泥巖地層易水化縮徑，且康村和吉迪克組泥巖中含分散狀石膏，極易發(fā)生蠕變縮徑。快速鉆井條件下，環(huán)空巖屑體積分數(shù)高，起下鉆過程中易產(chǎn)生鉆具阻卡。為避免鉆具阻卡的發(fā)生，在鉆井過程中，需要頻繁短起拉井壁，嚴重影響了鉆進生產(chǎn)時效。

2）鉆頭鉆入下部地層時水力能量不足，難以充分發(fā)揮噴射鉆井的優(yōu)勢。從表1可以看出，隨著井深的增加，受鉆具組合、鉆井液性能、鉆井設(shè)備等條件的限制，循環(huán)壓耗迅速增加，鉆頭能夠獲得的水力破巖能量較低，因此需進一步研究提高水力能量利用效率的途徑。

3）鉆井液固控設(shè)備不能滿足高壓噴射鉆井的要求。在高速鉆井條件下，環(huán)空巖屑體積分數(shù)很大，對固控設(shè)備的處理能力要求很高。先導(dǎo)試驗過程中，振動篩跑漿、漏漿的現(xiàn)象非常嚴重，配備的高速離心機不能對大排量條件下的鉆井液進行處理。

2 參數(shù)優(yōu)化

為了提高水力能量利用率，本文通過環(huán)空流場數(shù)值模擬研究，分析了鉆井液排量和流變性對環(huán)空流場分布的影響，從而為水力參數(shù)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

2.1 水力參數(shù)

環(huán)空流場分布主要受鉆井液排量、密度和流變參數(shù)的影響，其中鉆井液排量和流變參數(shù)為主要影響因素。現(xiàn)場使用的鉆井液可視為冪律流體[15]，其K，n的取值范圍可現(xiàn)場測定。塔河地區(qū)高壓噴射鉆井常用的二開鉆具組合為:φ311.2mm鉆頭+φ228.6mm鉆鋌+ φ127mm鉆桿?？疾霶=45～75 L/s，ρ=1.0～1.3 g/cm3，K=（0.1，1.4，2.6）Pa·sn，n=（0.5，0.6，0.7）范圍內(nèi)的鉆井液，依據(jù)計算得出的環(huán)空雷諾數(shù)是否大于2 000，確定不同條件下的環(huán)空流態(tài)。以井口中心為坐標零點，選取環(huán)空一側(cè)橫截面，如鉆鋌處橫截面，坐標為（-155.6 mm，-114.3mm）。

當ρ=1.124 g/cm3，K=0.14 Pa·sn，n=0.58時，超過45 L/s排量范圍內(nèi)的環(huán)空流態(tài)均為紊流。采用CFD軟件FLUENT進行數(shù)值模擬，得到不同排量條件下鉆鋌和鉆桿處的環(huán)空返速分布曲線（見圖1）。可以看出，隨著排量增大，環(huán)空返速明顯增大，有利于攜巖。因此，在機泵允許條件下，建議增大排量以保證巖屑能夠有效運移，以緩解塔河地區(qū)泥巖地層水化引起的阻卡問題。

當ρ=1.124 g/cm3，Q=65 L/s，n=0.58時，K由0.1增大到1.4，環(huán)空流態(tài)由紊流變?yōu)閷恿?；K由1.4增大到2.6，流態(tài)依然為層流，環(huán)空流場大小稍有不同，而返速分布曲線形狀維持不變。層流狀態(tài)下，鉆井液流速分布不均勻，環(huán)空中部的軸向返速較高，而在兩側(cè)壁面附近較低（見圖2）。對于塔河地區(qū)地層泥巖多、鉆進過程中易阻卡、起下鉆困難等問題，通過控制鉆井液黏度使其在環(huán)空中保持紊流流動，可得到有效緩解或解決。

當ρ=1.124 g/cm3，Q=65 L/s，K=0.14 Pa·sn時，鉆鋌和鉆桿處環(huán)空流態(tài)均為紊流。從圖3可以看出，n值對鉆鋌處環(huán)空速度剖面影響不大，只是中心和兩壁附近略有不同，說明在紊流狀態(tài)下冪律流體的剪切稀釋特性對環(huán)空返速的影響較小，對鉆桿處影響稍大。

表1 高壓噴射鉆井條件下水力參數(shù)計算

圖1 不同Q值時鉆鋌和鉆桿處的環(huán)空返速分布

圖2 不同K值時鉆鋌和鉆桿處的環(huán)空返速分布

圖3 不同n值時鉆鋌和鉆桿處的環(huán)空返速分布

高壓噴射鉆井時，通過增大鉆井液排量、適當調(diào)整流變性能，使其保持低黏度、高剪切稀釋性，提高巖屑的運移速度，改善井壁沖刷效果，可以緩解塔河地區(qū)的阻卡問題。而采用高轉(zhuǎn)速（180 r/min）、適當鉆壓（120～ 180 kN），可取得良好的提速提效效果。

2.2 噴嘴組合

鉆頭壓降與噴嘴尺寸密切相關(guān)，其大小直接關(guān)系到鉆頭水功率的大小。噴嘴尺寸過大，鉆頭壓降較低，同時鉆頭水功率也較低；噴嘴尺寸太小，鉆頭壓降過大，開泵困難:因此，合適的鉆頭壓降，對高壓噴射鉆井試驗的成敗意義重大。在保證總泵壓不變的同時，為了提高鉆頭壓降，降低環(huán)空壓耗，發(fā)揮鉆頭的水功率，基于理論公式針對不同鉆具組合、噴嘴組合下的井底水力能量開展了優(yōu)化研究。

鉆頭壓降計算公式為

式中:pb為鉆頭壓降，MPa；ρ為鉆井液密度，g/cm3；Q為鉆井液排量，L/s；d為鉆頭噴嘴當量直徑，cm；C為噴嘴流量系數(shù)。

對于上部地層，采用牙輪鉆頭鉆進時，鉆頭壓降不低于循環(huán)壓耗的50%或15MPa；對于中下部地層PDC鉆頭，鉆頭壓降為5～10MPa。同時應(yīng)對環(huán)空流場進行分析，合理控制整個鉆井過程中的水力能量分配，為優(yōu)質(zhì)高效鉆井提供基礎(chǔ)。

3 裝備配套及方案制定

3.1 裝備配套

中原油田自2009年開展35MPa高壓噴射鉆井技術(shù)先導(dǎo)試驗以來，對泥漿泵、高壓管線、可控硅電傳動控制系統(tǒng)等設(shè)備進行了升級改造，配備了2臺F2200-HL高壓泥漿泵和1臺F1600泥漿泵，能夠提供充足的水力能量。這些配套的裝備為35MPa高壓噴射鉆井技術(shù)先導(dǎo)試驗的實施提供了保障。

在先導(dǎo)試驗過程中，中上部地層采用高壓噴射鉆井后，排量大、機械鉆速高，產(chǎn)生的鉆屑為超細顆粒（最小粒度小于20μm），原有固控設(shè)備已無法及時處理鉆井液中的超細顆粒，這將對鉆井提速產(chǎn)生很大影響。因此，將原有振動篩篩布由120目提高到140目，及時清理振動篩及砂泥一體機上的超細顆粒，防止細顆粒堵塞篩布，同時更換2臺處理能力更強的離心機，有效提高了固控設(shè)備的處理能力。

3.2 方案制定

在上述研究的基礎(chǔ)上，為了高壓噴射鉆井進一步提速提效，制定了適合西部地區(qū)的高壓噴射鉆井水力參數(shù)推薦方案（見表2）。

表2 高壓噴射鉆井水力參數(shù)推薦方案

4 現(xiàn)場試驗效果評價

4.1 機械鉆速

TH12153井一開平均機械鉆速與鄰井同比提高85.03%，二開提高73.53%；TP140井一開平均機械鉆速與鄰井同比提高107.00%，二開提高116.80%；TP146X井二開平均機械鉆速與鄰井同比提高110.60%（一開泵故障，單泵鉆進），如表3所示。

表3 高壓噴射鉆井平均機械鉆速統(tǒng)計

4.2 鉆井周期

TH12153井二開中完周期22 d 23.5 h，比設(shè)計周期28 d節(jié)約17.86%。TP140井二開中完周期27 d 1.8 h（其中一開下套管遇阻及二開鉆具脫扣復(fù)雜情況共計損失時間4 d），與設(shè)計周期31 d相比節(jié)約12.9%。TP146X井二開中完周期25 d 16.0 h，與設(shè)計周期38 d相比節(jié)約32.5%。

4.3 井身質(zhì)量分析

錄井資料顯示，TH12153井二開平均井斜0.46°（最大井斜0.51°），二開平均井徑312.23mm（最大井徑312.51mm），井徑擴大率為0.33%；TP140井二開平均井斜0.55°，二開平均井徑為318.26mm，井徑擴大率2.27%。說明采用高壓噴射鉆井，井斜控制良好，能夠保證較高的井眼質(zhì)量。

5 結(jié)論

1）數(shù)值模擬與現(xiàn)場實踐表明，高壓噴射鉆井時，通過增大鉆井液排量、適當調(diào)整流變性能，使其保持低黏度、高剪切稀釋性，可提高巖屑的運移速度，改善井壁沖刷效果，而采用高轉(zhuǎn)速、適當鉆壓，可取得良好的提速提效效果。

2）利用配套的裝備與推薦的試驗參數(shù)，在TH12153井、TP140井和TP146X井進行了高壓噴射鉆井現(xiàn)場試驗，提速提效明顯。與鄰井同井段相比，可大幅度提高機械鉆速，建議在塔河地區(qū)推廣應(yīng)用。

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（編輯 趙衛(wèi)紅）

High pressure jet drilling technique and itsapp lication

Liu Xiaom in1,Hou Shugang2,Jiang Jinbao3,Yang Xuan2

(1.Department of Science and Technique,Zhongyuan Oilfield Com pany,SINOPEC,Puyang 457001,China;2.Research Institute of Drilling Engineering and Technology,Zhongyuan Petroleum Engineering Co.Ltd.,SINOPEC,Puyang 457001,China; 3.Tarim Company,Zhongyuan Petroleum Engineering Co.Ltd.,SINOPEC,Korla 841000,China)

High pressure jet drilling isan effective way to accelerate ROP.It is very urgent to improve ROP in Tarim Basin since it is the strategic substitution area of Chinese petroleum industry.The problems encountered during the pilot tests of high pressure jet drilling in Tahe region were discussed.The annual flow field,the influence of output volume and rheology of drilling fluid on the hydraulic energywere analyzed in threewells.The drillingequipmentwas optimized based on the study,and an optimum schemeof drilling parameterswas app lied.The result shows that the recommended scheme of drilling parameter of high pressure jet drilling accelerates ROPenhancement significantly,so the application of high pressure jet drilling should be applied extensively in Tahe Region.

high pressure jetdrilling;drilling parameteroptimization;annual flow field simulation;ROPenhancement

中國石化集團先導(dǎo)試驗項目“35MPa高壓噴射鉆井技術(shù)推廣應(yīng)用”（SG11026）

TE248

A

2013-06-04；改回日期：2013-09-26。

劉曉敏，女，1971年生，高級工程師，1994年畢業(yè)于江漢石油學院地球物理專業(yè)，主要從事鉆井提速提效技術(shù)和提高采收率技術(shù)研究。電話:（0393）4821265，E-mail:lxmzwq@163.com。

劉曉敏，侯樹剛，蔣金寶，等.高壓噴射鉆井技術(shù)及其應(yīng)用[J].斷塊油氣田，2013，20（6）:809-812.

Liu Xiaomin，Hou Shugang，Jiang Jinbao，et al.High pressure jet drilling technique and its application[J].Fault-Block Oil&Gas Field，2013，20（6）:809-812.

10.6056/dkyqt201306034