陳勇 張輝

勝利石油工程公司鉆井工藝研究院，中國·山東 東營 257017

針對在水射流孔工藝過程中孔眼軌跡特性不明確的問題，搭建試驗流程，采用不同巖樣和多種水泥石開展水力噴射試驗。根據經濟鉆速和試驗結果，測試相關巖樣的抗壓強度和可鉆性級值，確定水射流工藝適用巖樣抗壓強度范圍和可鉆級值范圍。通過測量井眼軌跡，分析孔眼在水平和豎直方向的軌跡特性，提供軌跡特性曲線，為該技術的進一步研究和水射流井身設計提供依據。

水射流；軌跡特性；可鉆性級值

1 引言

徑向水力射流鉆孔技術是一種低成本微小井眼水平井鉆井技術，近年來在中國和國際上得到了廣泛的應用。目前，中國和國際上的徑向水力射流鉆孔技術基本都采用套管鉆孔、水力噴射破巖的方式，即先用套管鉆孔工具把套管鉆穿，然后用水力噴射工具在油層中形成徑向水平井。噴射鉆孔技術基于水力破巖原理，利用高壓水射流破碎巖石，形成直徑30～50mm的小孔[1，2]。噴射鉆孔工具包括高壓軟管和噴頭，軟管一端與連續(xù)管相連，一端與噴頭連接，利用連續(xù)管將高壓軟管和噴頭通過轉向器送到套管鉆孔位置，開啟地面高壓泵組，高壓水射流經噴頭噴射地層，實現破巖成孔。為了噴射形成較長距離的小孔，噴射系統(tǒng)具有帶動自身前進的自進能力。中國部分生產井、注水井和老井改造實施了水射流工藝，在取得較好增油增注效果的同時，也有部分井效果不明顯。對于效果不明顯的情況，普遍認為在實施水射流工藝過程中，噴頭帶動軟管在疏松油層中形成小孔的軌跡特性不明確，小孔軌跡可能符合設計要求，也可能偏離設計軌道，從而導致部分井水射流工藝效果不明顯。開展巖樣水力噴射試驗，目的是研究分析水射流工藝中形成孔眼的軌跡特性，進而為水射流工藝設計提供參考，進一步提高水射流工藝效果。

2 試驗裝置

試驗裝置如圖1、圖2所示，主要由高壓泵組、高壓管匯、儲液池、圓鋼管、巖樣及噴射工具等組成，巖樣模擬水射流疏松砂巖地層。

圖1 水力噴射成孔軌跡特性試驗裝置示意圖

（1）高壓泵組和高壓管匯同現場施工地面設備，高壓泵機組的動力源為柴油發(fā)動機，柴油機功率145kW，高壓泵最高壓力70MPa，最大流量90L/min。

（2）圓鋼管提供射流工具前進通道和噴射液及鉆屑返回通道，鋼管一端緊壓在巖樣上，噴射返出液充滿整個圓鋼管，為試驗提供淹沒條件。

（3）射流鉆頭同現場施工應用的鉆頭，射流鉆頭上各孔直徑相同，側向向前孔眼擴散角均為10°，射流鉆頭正反流量比為3/4，射流鉆頭向前有4個孔眼，其中1個是中心孔眼，另外3個孔眼繞中心孔眼均布排列，向后孔眼3個，繞噴頭軸心均布向后擴散角30°，噴頭結構如圖2所示。

圖2 射流鉆頭結構圖

（4）試驗巖樣采用地層露頭巖石和人造水泥石，露頭巖樣分別為粉砂巖及風化疏松砂巖，規(guī)格為30cm×30cm×30cm的方塊各5塊，水泥石選用8種（水泥砂漿配比不同），規(guī)30cm×30cm×100cm 共40塊（每種5塊），實物如圖3所示。

圖3 巖樣實物圖

3 試驗方法

3.1 巖樣安裝

試驗臺架平面調整為水平基準面，原鋼管端面設定為豎直基準面，巖樣緊靠基準面，整齊疊放巖樣5塊，巖樣組固定壓緊，減少相鄰巖樣界面間的干擾，確保巖樣組近似均質地層。

3.2 測量準備

巖樣在噴射前刻畫孔位置測量基準線，5塊樣品參照豎直基準面和水平基準面整齊疊放，樣品高度方向畫3條橫線，4 等分高度尺寸，樣品寬度方向畫1條縱線，2 等分寬度尺寸，每組樣品以第一塊巖樣上縱橫刻線交點為噴射起點，噴射完成后，測量每塊樣品孔中心相對對應縱橫刻線交點（噴射起點投影點）的偏移尺寸。

3.3 水力參數

噴射試驗參數噴射壓力50～55MPa，排量54～65L/min（與現場施工水力參數相同），如圖4所示。

3.4 孔軌跡測量

孔軌跡由噴射起始點和5個樣品上孔眼位置組成，孔眼位置由x、y表示，其中x為孔眼中心相對起點橫向偏移距離，y為孔眼中心相對起點縱向偏移距。

3.5 噴射速度測量

測量每塊巖樣鉆穿時間，并計算該巖樣平均鉆進速度，單塊巖樣鉆進時間從開始噴射計時，巖樣間隙出水為止，如圖5所示。

圖4 露頭噴射試驗

圖5 噴射破巖巖樣

3.6 巖樣可鉆性級值及抗壓強度測定

根據噴射鉆進速度情況，選取巖樣測定可鉆性級值及抗壓強度。

4 試驗數據及分析

4.1 噴射速度

巖樣噴射試驗開展10組，10種巖樣組各鉆1 孔。其中，5組巖樣鉆進速度經濟有效，5種巖樣噴射鉆孔速度如圖6所示，可鉆性差的巖樣鉆速慢，可鉆性好的巖樣鉆速快，其中5組巖樣鉆速適中，具有經濟鉆速的巖樣抗壓強度小于15MPa，可鉆級值小于1.1。

圖6 噴射破巖速度

4.2 孔眼軌跡

（1）噴射成孔軸向軌跡在水平方向均發(fā)生向左或向右方向持續(xù)偏轉，偏轉方向隨機，偏轉比率隨長度達到6.26%，如圖7所示。分析原因得出的結果是軟管受到已噴射成孔凹凸不平內表面的影響，噴頭噴射方向發(fā)生持續(xù)偏轉。

（2）噴射成孔軸向軌跡在豎直方向只發(fā)生向下持續(xù)偏轉，偏轉比率隨長度達到2.66%。分析原因得出的結果是軟管及噴頭受更多受到自身重量影響，向下發(fā)生持續(xù)偏轉，如圖8所示。

圖7 軌跡水平方向偏離

圖8 軌跡豎直方向偏離

5 結語

徑向水力射流形成的孔眼軌跡受噴射工具特性、孔內表面質量及巖樣軟硬程度影響，具有經濟鉆速的巖樣抗壓強度小于15MPa，可鉆級值小于1.1，形成的孔眼軌跡在水平方向發(fā)生偏轉情況比較隨機，偏轉隨位移與深度比率達到6.26%，在豎直方向受自身重量影響，一般向下發(fā)生持續(xù)偏轉，偏轉位移與隨深度比率達到2.66%，同時隨深度增加，前進阻力持續(xù)增加，工具前進動力不變，噴射鉆井能力衰減較快。