旋轉射流鉆頭在南堡32-3646井的應用

楊 靜，陶瑞東，郭 亮，李貴賓，張克正，肖仰德

（中國石油渤海鉆探工程有限公司，天津300280）

旋轉射流鉆頭在南堡32-3646井的應用

楊 靜*，陶瑞東，郭 亮，李貴賓，張克正，肖仰德

（中國石油渤海鉆探工程有限公司，天津300280）

噴射鉆井技術在提高鉆井速度方面一直起著非常重要的作用，在此基礎上研發的旋轉射流鉆頭在射流噴嘴不旋轉的情況下能產生具有三維速度的射流質點,沿螺旋線軌跡運動形成擴散狀射流，能有效地剪切、沖蝕、拉伸破碎以及旋流磨削巖石，從而有效提高單只鉆頭的鉆井速度。該技術在冀東油田東營組地層使用結果顯示，鉆井速度較普通圓射流鉆頭提高15%以上，對探索冀東油田深層鉆井提速具有較好的指導意義。

旋轉射流；鉆頭；冀東油田；鉆井提速

石油鉆井過程中，鉆頭優選是提高機械鉆速的重要手段之一。實際上，鉆頭優選提速通常是從鉆頭型號、刀翼、復合片材質等方面考慮，而很少從井底流場的角度進行研究。國外自20世紀80年代中后期，已相繼有了這方面的研究[1-3]。國內20世紀90年代開始，也出現了一些相關的研究[4-5]，但都只是理論的設計和計算，并沒有真正應用于現場。冀東油田南堡32-3646井設計井深5798m，深部地層地質資料少，地層硬度高、可鉆性差，在優選鉆頭提速方面不僅考慮了鉆井過程中巖屑的破碎、清除、重復切削、鉆頭磨損等問題，還考慮了噴嘴射流和井底流場，試驗了旋轉射流鉆頭，取得了較好效果。

1 旋轉射流鉆頭

1.1 工作原理

所謂旋轉射流是指在射流噴嘴不旋轉的情況下產生的具有三維速度的射流質點，沿著螺旋線軌跡運動而形成的擴散狀射流。旋轉射流是靠噴嘴腔內的導向元件，將一維純軸向來流導引成具有軸向、切向和徑向三維速度的流動而形成的。在射流前進的過程中，在離心力的作用下不斷向外擴展，形成漸散的外形，以至于形成大的沖擊面積。

旋轉射流可鉆出大于噴嘴面積百倍的規則孔眼，形成的孔底呈規則的內凸錐狀，完全不同于圓射流形成的類半球狀或錐狀。其破巖成孔的過程和孔底形狀如圖1所示。

圖1 旋轉射流形成的破碎坑剖面示意圖

當具有足夠能量的旋轉射流沖擊作用在巖石上時，首先使射流外殼內部環形面積上速度最高的巖石產生破碎,而射流軸心位置的巖石保持完好(如圖1a所示)；隨著時間的增加、噴嘴的向前推進，這一破碎的環形面積在逐步向內外擴大，同時破碎坑的深度增加，形成如圖1b、1c的形狀；直至環形高速射流帶附近的射流參與破巖，使初始狀態下的破碎形狀向前推進，同時向內外擴展，形成了如圖1d所示的內凸錐狀孔底。此時，整個射流截面的能量與對應巖石破碎強度和面積達到了動態平衡，隨著鉆頭(噴嘴)的不斷前進，錐形孔底不斷向前推進，最終形成一個孔底為內凸錐狀的連續圓形孔眼。

旋轉射流破巖面積比普通圓射流大上百倍，破巖門限壓力僅為圓射流的60%左右,具有很高的破巖效率，這些特性都是由其獨特的破巖機理所決定的。

1.2 旋轉射流破巖機理

旋轉射流破巖機理不同于普通圓射流,它不單純以與巖石相垂直的正面沖擊壓力而產生的密實核及拉伸、水楔作用來破巖,同時還相應地施以平行于被沖擊巖石表面的平行載荷,使巖面產生剪切破壞并伴有沖蝕、拉伸破壞等多種形式作用的復雜過程。

剪切破碎。一般巖石的抗剪強度只是其抗壓強度的(1/15～1/8),抗拉強度僅有抗壓強度的(1/80～1/16)，巖石在剪應力和拉應力的共同作用下很容易破碎。旋轉射流沖擊在巖石上,除了正向沖擊作用外,旋轉流體產生的分量在巖石表面產生剪切作用。由于旋轉射流具有較高的切向速度，十分有利于巖石的破碎。

沖蝕破碎。旋轉射流能量相對集中，巖石在受到很大的沖擊力作用時，受到橫向流的沖蝕，更容易使巖石顆粒或巖屑迅速離開巖石母體而被流體帶出，后續射流能直接沖蝕到新的巖石表面，減少對巖石的重復破碎,提高了破巖效率。

拉伸破碎。旋轉射流向孔底沖擊時,施加一個平行載荷,產生拉應力,比普通圓射流更容易使巖石產生裂紋。射流流體進入裂紋或者巖石本身所固有的空隙產生水楔作用,使裂紋在張力作用下不斷擴展，并逐漸相互連通，造成巖石破碎。

旋流磨削。旋轉射流以其獨特的流動形式,沿井底凸錐面沖擊到井底后,其返回流則從來流的外側旋轉返回。一是避免了射流能量損失,提高了射流能量的有效利用率和破巖效率；二是返回流攜帶著破碎的巖屑沿孔壁旋轉返回,使孔眼更加光滑規則，提高了鉆孔的質量。

2 現場應用

2.1 南堡32-3646井基本情況

南堡32-3646井位于河北省唐山市南堡開發區南堡鄉東南約15.8km，是部署在南堡油田3號構造堡古2斷塊構造高部位的一口四開三段制定向井，設計井深5798m。以前在該地區使用的鉆頭大多采用普通圓射流鉆頭，為了進一步提高鉆井速度，為該區塊鉆頭優選提供技術支持，在南堡32-3646井四開?215.9mm井眼3864～4265m的穩斜井段，選用TUS1653RD旋轉射流鉆頭，所鉆地層巖性為深灰色泥巖、粉砂質泥巖互層，完成進尺401m，純鉆時間90.25h，機械鉆速4.45m/h。其中復合鉆進鉆時5～15min/m，定向鉆進鉆時20～40min/m。該段井斜29.18°，井眼方位269.22°。

（1）鉆具組合。?215.9mmTUS1653RD鉆頭× 0.30m+?172mm1.25°馬達×7.83m+?208mm穩定器× 0.72m+411/410浮閥×0.49m+?165mm無磁鉆鋌× 9.15m+?175mmMWD短節×1.34m+521/410×0.51m+?127mm加重鉆桿×130.84m+?127mm鉆桿× 3364.03m+411/520×1.16m+?139.7mm鉆桿。

（2）鉆井液性能（見表1）。

表1 鉆井液性能參數表

（3）鉆井參數。鉆壓20～40kN，轉速45r/min+馬達，泵壓20MPa，排量30L/s。

3 對比分析

3.1 鉆頭磨損情況

由于馬達使用壽命到而起鉆，起出鉆頭整體完好，僅有3個復合片磨損嚴重，外徑磨損0.5mm，可再次使用，鉆頭入井及起出對比圖見圖2。

3.2 與鄰井對比情況

從表2得出，在同地層相近井段，使用旋轉射流鉆頭比普通圓射流鉆頭機械鉆速提高15%以上。

4 結論與建議

（1）使用旋轉射流鉆頭能減少壓持效應，充分攜帶井底巖屑，減少鉆頭重復破碎巖石，有效提高機械鉆速。

圖2 鉆頭入井前與起出照片

表2 鉆頭對比分析

（2）旋轉射流鉆頭在冀東油田南堡32-3646井試驗效果較好，建議在更多井和井段中推廣使用，促進整體提速。

[1]謝翠麗,楊愛玲，等.旋轉鉆頭射流方式對井底流場影響的數值剖析[J].石油鉆采工藝,2002,24(3):1-4.

[2]Crouse R，chia R.Optimization of PDC Bit Hydraulics by Fluid Simulation.SPE 14 221.

[3]Bission P,Choux J C,Provo A.Hydraulic Optimization of PDC Bits by Visualization Methods.SPE 18 370.

[4]高振果，董杰.PDC鉆頭井底水力問題的計算機模擬[J].石油鉆采工藝，1995,17(6):9-24.

[5]管志川，劉希圣.對股撞擊射流流場的數值模擬研究[J].石油學報，1998,19(2):117-121.

TE921

B

1004-5716(2015)01-0075-03

2014-02-26

2014-03-05

冀東油田3號構造深井優快鉆井技術應用研究（2013ZD16Y）。

楊靜（1983-），女（漢族），重慶人，工程師，現從事鉆井技術管理工作。