水力脈沖空化射流鉆井技術在河南油田中硬地層中的應用

呂 魁，馮小科，伍虹宇，代友華，張在玉，何義新

（1.中國石化河南石油勘探局工程技術處，河南南陽 473132；2.中國石化河南石油勘探局鉆井工程公司）

河南油田泌陽凹陷安棚地區和深凹區中部地層主要以深灰色泥巖、頁巖、礫狀砂巖、砂礫巖為主，下部主要為堅硬泥巖、頁巖、白云質泥巖含礫砂巖互層，地層硬度高，研磨性強，可鉆性差，對鉆頭磨損嚴重；上部地層含有礫石，鉆進過程中蹩跳嚴重，加不上壓，鉆頭工作不平穩，鉆頭易先期損壞，影響鉆頭機械鉆速與鉆頭壽命；而下部地層泥巖膠結致密堅硬，可鉆性級別在5～6.5，地層傾角在8°～23°之間，限制了鉆壓和轉速，技術指標明顯落后［1－2］。為了有效提高機械鉆速，解決該區鉆井速度慢的難題，引進了水力脈沖空化射流鉆井技術［3－4］。

1 水力脈沖空化射流鉆井機理

水力脈沖空化射流發生器［5］主要由本體、彈性擋圈、導流體和自激振蕩噴嘴等組成（圖1）。導流體改變鉆井液方向和速度，葉輪總成為振動腔提供有源脈沖，自激振蕩腔有源脈沖信號具有流體聲諧共振、信號放大等功能，在流體出口端可產生強烈脈動渦環流。

水力脈沖空化射流發生器安裝于鉆頭上部，將流體的擾動作用和自振空化效應耦合，使進入鉆頭的常規連續流動調制成振動脈沖流動，鉆頭噴嘴出口成脈沖空化射流，產生三種效應。水力脈沖可改善井底流場，提高井底凈化和清巖效率，減少壓持和重復破碎；空化沖蝕可輔助破巖，提高破巖效率；井底瞬時負壓脈沖，可保持局部瞬時欠平衡，改變井底巖面應力狀態。在相同排量下，空化射流的沖擊壓力是連續射流滯止壓力的8.6～124倍，這可提高井底的凈化程度，改善井底附近的巖石受力狀況，從而提高鉆頭破巖效率。

圖1 水力脈沖空化射流發生器結構示意圖

2 水力脈沖空化射流鉆井技術應用

2.1 鉆頭及鉆井參數優選

泌陽凹陷安棚地區和深凹區施工井較多，而且相隔距離較近，均為二開井身結構，井眼尺寸均為φ216 mm，對比性較強，鉆井技術也較為成熟。因此，在安棚地區和深凹區開展水力脈沖空化射流鉆井技術試驗，采用和鄰井基本相同的鉆頭選型及鉆進參數進行鉆進，并通過對泌陽凹陷安棚地區和深凹區已完鉆井的測井資料分析得到了地層可鉆性極值。其可鉆性級別在5.0～6.5之間。

水力脈沖空化射流技術適應多種型號的鉆頭［6］，安棚區塊中硬地層由于含有礫石，而且夾層多，可鉆性差，限制了PDC鉆頭使用，所以選用牙輪鉆頭鉆進。為了增強對比性，選擇HJT517（井段1800～2500 m）、HJT537（井段2500～3200 m）系列鉆頭配合水力脈沖空化射流技術進行鉆進。該技術只有在排量達到一定數值時才產生明顯的壓力脈沖，實際φ178 mm水力脈沖發生器在排量達到1.78 m3／min左右時，可產生較明顯的壓力脈沖，壓力脈沖幅度隨排量的增加而增加，排量為1.92 m3／min左右時，壓力脈沖幅度為1.7 MPa。隨著鉆井泵排量的增加，經過水力脈沖空化射流發生器的流體平均壓力增大，壓力波動振幅增大［7］，根據鉆井設備壓力情況選擇排量30～36 L／s。

2.2 水力脈沖空化射流發生器結構與鉆具組合優選

水力脈沖空化射流發生器越接近井底其作用發揮的越明顯。將水力脈沖空化射流發生器與鉆頭直接連接，試驗井井眼尺寸為φ216 mm，水力脈沖空化射流發生器選擇外徑φ178 mm，最薄處內徑為134.9 mm，最大鉆壓設為400 kN，最大拉力為500 kN，以保證正常施工，因此，選擇了雙母結構（扣型為430×410）的水力脈沖空化射流發生器。水力脈沖空化射流發生器對鉆具結構無特殊要求，由于上述區塊井眼易斜，在中部井段選用滿眼鉆具組合，這樣可有效防斜，在下部井段中靶后選用光鉆鋌鉆具組合有利于施工安全。

3 應用效果分析

3.1 應用實例

該技術在泌396井現場應用三次（圖2）。在井段2122～2453 m時，鉆壓160 kN，轉速120～100 r／m，排量34 L／s，鉆井液密度1.17 g／cm3，粘度52 s；在井段2453～2830 m和2830～3133 m時，鉆壓180～200 kN，轉速80 r／m，排量為34 L／s，鉆井液密度1.20 g／cm3，粘度54～60 s，鉆頭、鉆具組合與鄰井選擇一致。鉆具組合為：φ216mm HJT517G鉆頭＋φ178 mm脈沖接頭＋411×410接頭＋φ215 mm扶正器＋φ178 mm短鉆鋌＋φ215 mm扶正器＋φ178 mm無磁＋φ215 mm扶正器＋411×410A接頭＋φ165 mm鉆鋌＋411A×410接頭＋φ127 mm鉆桿。

泌396井與泌374井選擇了相同的鉆頭及鉆具組合，鉆壓、轉速、排量、泵壓等參數也基本一致，從圖2鉆時對比曲線可看出，使用水力脈沖空化射流發生器后，泌396井鉆時明顯降低，且前期鉆時均勻、鉆速高，明顯優于未使用該技術的B374井，尤其是在井段2200～2600 m，鉆時基本在15～25 min／m；井段2122～2453 m處時，進尺為331 m，純鉆時間93.63 h，機械鉆速3.54 m／h；井段在2453～2830 m處時，進尺為377 m，純鉆時間113.4 h，機械鉆速3.32 m／h；井段2830～3133 m處時，進尺為303 m，純鉆時間110.01 h，機械鉆速2.75 m／h。當鄰井相比，使用水力脈沖空化射流發生器機械鉆速提高了14.89%。

圖2 泌396井試驗井段與鄰井鉆時對比情況

3.2 提速效果分析

水力脈沖空化射流技術在河南油田泌陽凹陷安棚和深凹區塊四口井（括直井和斜井）中硬地層的不同井段進行了現場應用，取得了明顯的提速效果，與同區塊未使用水力脈沖工具的井相比，機械鉆速提高12.38%～21.3%，而且，水力脈沖空化射流發生器適應多種鉆頭和鉆具組合，對鉆井液性能、鉆壓、轉速等參數也無特殊要求。

3.3 工作壽命分析

水力脈沖空化射流發生器內部芯子材質為硬質合金，耐沖蝕能力強，上下都選用API標準的螺紋進行連接。在泌396井試驗中，單只水力脈沖空化發生器工作時間341.79小時，4口井平均使用266.77小時，起出后水力脈沖空化射流發器葉輪運轉良好且無明顯沖蝕現象。因此，水力脈沖空化發生器工作壽命完全可以滿足在該區塊的鉆井需要。

4 結論與認識

研究了水力脈沖空化射流鉆井提速機理，加工了4套φ178 mm水力脈沖空化射流發生器，水力脈沖空化射流發生器平均使用266.77小時，使用壽命長，可靠性強，操作簡單，工作壓降小，能夠滿足正常鉆井要求，而且適應多種鉆頭和鉆具組合，其鉆井參數為正常施工參數。在中硬地層現場應用4口井，效果良好，機械鉆速提高12.38%～21.3%。

［1］田平.泌陽凹陷深凹區優快鉆井技術研究與應用［J］.石油地質與工程，2012，26（2）：84－86.

［2］李繼斌，蒲尚樹，梁國進，等.泌陽凹陷南部陡坡帶優快鉆井技術研究與應用［J］.石油地質與工程，2010，24（2）：87－89.

［3］沈忠厚.現代鉆井技術發展趨勢［J］.石油勘探與開發，2005，32（1）：89－911.

［4］孫寧，蘇義腦，李根生.鉆井工程技術進展［M］.北京：石油工業出版社，2006：30－50.

［5］馬東軍，李根生，史懷忠，等.水力脈沖空化射流發生器參數優化試驗研究［J］.石油機械，2009，37（12）：9－11.

［6］李根生，史懷忠，沈忠厚，等.水力脈沖空化射流鉆井機理與試驗［J］.石油勘探與開發，2008，35（2）：239－243.