多重组合水力脉冲空化射流钻井提速研究

水力脉冲空化射流钻井是在钻进过程中将水力脉冲空化射流发生器安装在钻头上部实现钻井提速的新技术。通过该技术使进入钻头的常规连续流调制成振动脉冲流,从而形成水力脉冲、空化冲蚀和局部负压三种效应,增强井底净化效果及改变岩石应力状态,达到提高机械钻速的目的。文章在分析水力脉冲空化射流发生器结构和提速机理的基础上,在现场配合常规钻具、螺杆钻具、旋转导向、ＰｏｗｅｒＶ、欠平衡钻井系统等工况多重组合现场试验,实验井径为２１５～４４４ｍｍ,纯钻时间超过２６０ｈ,试验井深达６１６２ｍ。在相同工况及钻井参数条件下水力脉冲空化射流钻井技术机械钻速提高１１．７％ ～１７２．２％,为石油钻井提供了一项钻井提速新技术。     

塔河油田深井脉冲空化射流钻井试验研究

塔河油田深井钻井水力能量利用效率低、机械钻速低、钻井成本高,严重制约了勘探开发速度。针对该油田钻井实际情况,结合二开φ241.3 mm井眼地层、钻具组合和水力参数,利用水力脉冲空化射流钻井技术提高机械钻速。该技术配合常规钻具和复合钻井钻具组合使用,脉冲空化射流发生器耦合脉冲射流和自振空化射流,改善井底流场及岩面应力状态,提高钻速。该技术在塔河油田进行了4口井5井次的现场试验,在常规泵压、排量、钻井液密度等参数条件下试验井深达6 162 m,试验井段与邻井相近井段在相近工况下机械钻速平均提高33.3%~74.3%,单套钻具纯钻时间超过260.0 h。试验结果表明,塔河油田二开井段砂岩、泥岩等地层配合PDC钻头应用水力脉冲空化射流钻井技术,能够很好地提高机械钻速。      

水力脉冲射流钻井提速技术在江苏油田的应用

水力脉冲射流钻井技术是一种具有改善井底流场、减少压持效应、降低重复破碎以及提高破岩携屑效果和机械钻速的特设技术。通过将PDC钻头安装脉冲喷嘴,将连续射流变为脉冲射流,克服了现有喷嘴射距短和持续能量小等缺点。该技术在40多口井进行了应用,在2 000 m中上部井段使用脉冲喷嘴,机械钻速提高10%~40%,在2 000~3 500 m下部井段使用脉冲喷嘴机械钻速提高10%~20%。水力脉冲空化射流接头与脉冲喷嘴的耦合钻井,产生多级谐振脉冲射流,该技术在4口井进行了应用,在2 000 m上部地层机械钻速提高15%左右,在2 000~2 800 m的下部井段机械钻速提高15%~25%。该技术在江苏油田的应用中取得了较好的提速效果。     

水力脉冲空化射流技术首次在煤层气井中的试验研究

为了提高煤层气井中的机械钻速,缩短钻井周期,节约钻井成本,根据水力脉冲空化射流提高钻速原理,通过改善井底流场,降低岩石的破碎强度,减小压持效应,从而提高机械钻速。水力脉冲空化射流技术在织4井进行了现场试验。结果表明:该技术在试验过程中不需要改变原钻具组合,对钻头和钻井施工参数没有特殊要求,可有效应用于煤层气井;在地层相同,钻具组合与钻井参数相近的前提下,与邻井相近井段对比,该技术机械钻速平均提高100.7%。     

自激振荡式旋转冲击钻井工具在胜利油田的应用

摘要 :自激振荡式旋转冲击钻井工具安装于钻头上部 , 钻井液高速流经自激振荡器,形成水力脉冲作用于冲击传递杆,产生低幅高频机械冲击力传递至钻头,提高钻头破岩效果;所产生的水力脉冲再向下传递,经钻头水眼喷出形成脉冲射流,改善井底流场,提高井底净化和清岩效率,同时井底瞬时负压脉冲产生局部瞬时欠平衡,改变井底岩面破岩应力状态,可明显提高机械钻速。在胜利油田沙三和沙四段地层进行了钻井试验,无论是牙轮钻头还是 PDC钻头都有明显的提速效果,试验井段的机械钻速都提高了 30%以上,可成为钻井提速的新途径。     

低压脉冲空化射流复合钻井技术

低压脉冲空化射流复合钻井技术是在钻头与钻具组合之间安装一个低压脉冲空化射流调制装置,通过其对射流进行调制,产生脉动低压改变井底岩石的受力状态,降低抗破碎强度,提高钻头机械破岩效率,同时变常规连续射流为空化射流,增加井底水力破岩和清岩效率,进一步提高深井钻井速度。塔河油田现场实验结果分析表明,实验井段5349～6162m,纯钻时间为129．36～136．63h,低压脉冲空化射流调制器工作正常,与临井相同井段对比,机械钻速平均提高40．6％～85．1％。     

水力脉冲空化射流钻井技术在四川硬地层中的应用

川西须家河地层及元坝地区的下沙溪庙以下的陆相地层具有地层硬、可钻性在5～7.7级的特性。水力脉冲空化射流钻井技术是水力脉冲射流和空化射流相结合的一种新技术,钻井液经过水力脉冲射流器钻头后在井底产生脉冲空化射流、负压脉冲、空化空蚀等效应,达到提高钻井机械钻速的目的。在阆中2井等3口井5级以上的地层中应用水力脉冲射流器,平均机械钻速提高12.87%,具有一定的提速效果。     

水力脉冲空化射流钻井技术适应性分析

为了推广应用水力脉冲空化射流钻井技术,在介绍该技术提高机械钻速机理的基础上,通过理论分析、统计总结的方法对该技术的现场试验进行了适应性分析,包括适用的钻具组合、地层、井径、钻头以及钻进参数等。结果表明:水力脉冲空化射流发生器可与常规钻具、井下动力钻具、欠平衡钻具以及Power V钻具等多重钻具组合配合钻进;适用于新生代至古生代地层,包括软、中硬、硬地层,最大试验井深达6 162 m;可在?216~?406 mm不同井眼配合不同型号PDC和牙轮钻头应用;适用的钻井参数范围较大,对钻井参数没有特别要求;一般工作寿命在230 h以上。水力脉冲空化射流钻井技术对现有的钻井装备、工艺参数等具有较好的适应性,平均机械钻速提高10.1%~104.4%,为深井钻井提供了一种安全高效的钻井新技术。     

水力脉冲空化射流钻进机理及现场应用

水力脉冲空化射流钻进是将水力脉冲与空化射流耦合的一种新型钻进方式,通过流体脉冲扰动和自振空化效应耦合,使进入钻头的常规连续流动调制成振动脉冲流动,在井底有限井段形成低压区,减小压持效应,避免重复切屑,同时改变井底岩石的受力形态,产生疲劳破坏,降低破岩荷载,提高机械钻速。对水力脉冲空化射流钻进在塔河油田超深井进行了应用分析,发现与常规钻进相同地层岩性的机械钻速对比,在砂岩及粉砂质泥岩段有很大提高,但在水敏性泥岩段不明显。总体上在塔河油田水力脉冲空化射流钻进具有较大的推广应用价值。     

水力脉冲空化射流钻井技术现场试验

水力脉冲空化射流钻井是在钻井过程中将水力脉冲空化射流发生器安装于钻头上部的一种钻井新技术,可以综合利用机械能量及水力能量提高钻井速度。通过使用水力脉冲空化射流发生器将钻井过程中进入钻头的常规连续流动调制成振动脉冲流动,钻头喷嘴出口形成脉冲空化射流。文章分析了冀东油田高尚堡地区高94-22井水力脉冲空化射流的现场试验并与同区块邻井进行了对比,结果表明水力脉冲空化射流钻井较常规钻速提速13.51%～45.4%,有较高的利用价值。     

水力破岩最优射流压力实验研究

通过对淹没射流破岩的实验研究，得到了以比能作为目标函数的水力破岩最优射流压力条件，可用于指导现场钻井水力参数设计。     

脉冲射流式液动冲击工具的研制及现场应用

目前,对于水力脉冲射流的研究主要集中在脉冲流场及其作用效果等方面,而在液动冲击与脉冲射流协同破岩方面则还是空白。为此,基于脉冲射流相关理论,将液动冲击提速与脉冲射流协同破岩有效结合起来,分析其工作原理与实现条件,研制了脉冲射流式液动冲击钻井工具,并通过室内试验和现场实验验证了该工具的破岩能力。结果表明:(1)冲击体质量小于60 kg时,该工具能够运行;(2)液动冲击与脉冲射流协同作用下的钻具组合破岩能力明显优于其他钻具组合的破岩能力,在水平钻进过程中,其提速效果更明显;(3)冲击效果由冲击体的质量和冲击频率决定,质量为30 kg的冲击体的冲击效果更好;(4)脉冲射流越大,其破岩能力越强,减小工具喷嘴的直径能够增大脉冲射流;(5)液动冲击对高硬度岩石的破碎具有更明显的加速效果,对于胶结程度较差的岩石,通过增大脉冲射流,可更大幅度地提高破岩速度。现场应用效果表明,液动冲击与脉冲射流协同作用下的钻具组合的机械钻速为2.52 m/h,较之于常规钻具组合,该工具平均提速可达72.5%。结论认为,该工具为解决深井与水平井钻进速度慢、压持效应明显与岩屑清理困难等问题提供了新的思路。     

煤层水力自旋转射流钻头设计

高压旋转水射流技术在钻大井径、长连续孔方面具有明显优势，在煤层中钻井又具有高效、节能、钻孔大、成孔规则、破岩效率高等优点，因此在煤层气地面径向水平井技术和井下采空区钻长直井技术中广为应用。主要从理论上分析了旋转射流和射流旋转各自的流动规律、破岩过程及破岩机理，并在此基础上分析了旋转射流钻头各设计参数的取值范围，结合已有的经验值，优化设计了可控外壳旋转内导叶轮、可控中心轴旋转内导叶轮、偏置可控外壳自旋转、偏置可控中心轴自旋转等4种水力旋转式钻扩孔射流钻头。这些钻头适用于在煤层中钻孔及安全排放瓦斯气体。     

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现代旋转钻井破碎岩石是以机械破岩为主导方式，射流辅助机械破岩的目的是提高机械钻速。文章论述了牙轮钻头与岩石相互作用过程及岩石剪切破坏的内在规律；重点研究了射流的水楔作用对岩石裂纹产生、扩展、贯通及破坏的机理。实验结果表明，射流辅助钻井的门限压力是岩石抗拉强度的4.1倍，是抗压强度的26%；还与井底压差及其它岩石物理力学性质有关。同时指出，超高压射流的研究与应用是辅助钻井高效破岩的重要发展趋势。     

超高压射流钻头破岩实验研究

超高压水射流技术在石油工程中的应用越来越广泛,目前超高压射流联合机械破岩是提高钻井速度最具潜力和最具可行性的方法。通过室内实验和现场试验研究了淹没条件下超高压水射流破碎岩石的主要规律,探寻影响破岩效果的主要因素及其规律,为超高压射流联合机械破岩及超高压PDC钻头的进一步研究奠定了基础。研究发现,影响超高压射流破岩的主要因素有压力、喷距、喷嘴移动速度和喷射角度等,射流压力越高破岩效果越好,最优喷距随着压力的升高而增大,200 MPa时最优喷距达到32.5倍喷嘴直径。实验条件下,150 MPa时破岩效率最高,喷射角为14°破岩效果最好。根据实验结果,对钻头切削齿和喷嘴布置进行了优化,设计制造了专用设备和工具,现场试验取得了较好的效果,可进一步推广应用。     

超高压射流辅助钻井技术研究进展

超高压射流辅助机械破岩钻井是提高深井钻井速度的一项前沿技术，关键技术包括井下增压器、超高压射流辅助破岩机理和钻头、超高压射流钻井参数和工艺等。主要介绍了超高压射流破岩机理、井底流场和辅助破岩钻头研究进展，在此基础上提出了超高压水射流辅助钻井技术的研究方向。     

高压水射流凿岩过程的理论研究

基于高压水射流凿岩试验结果、岩石内孔隙流体的运动规律以及水射流凿岩过程中能量分布变化趋势的分析,对高压水射流凿岩过程进行了系统的研究。研究结果表明,在水射流凿岩过程中射流和岩石的相互作用以界面耦合为主,水射流的冲击载荷在岩石内产生的应力波和射流准静态压力的共同作用使得岩石破碎,其中应力波的作用占主导地位。高压水射流凿岩过程可分为两个阶段,初期以应力波作用为主,形成岩石损伤破坏的主体;后期主要是射流的准静态压力使得岩石内已有的微孔隙、微裂纹等损伤继续扩展,并汇聚形成宏观破坏,从而使岩石孔眼的直径扩大。     

高压水射流井底切槽应力卸载特性

深井/超深井岩石应力大造成的岩石强度升高是导致钻头磨损快、钻井效率低的主要原因之一。高压水射流技术由于可以大幅度提高机械钻速而被广泛应用于钻井工程领域。传统高压水射流破岩理论认为水射流能够起到清岩和辅助破岩的作用,但水射流形成的凹槽对井底岩石应力状态分布的影响一直没有引起足够的重视。结合钻头与高压水射流联合破岩过程,提出了高压水射流井底切槽应力卸载方法。基于Biot多孔弹性力学理论,建立了深部岩层物理模型,分析了不同井深、地应力状态、井底压差条件下岩石有效应力的分布形态和切槽应力的卸载程度;结合不同围压条件下花岗岩的力学特性,使用自定义岩石抗压强度函数分析了井底切槽对岩石强度分布特征的影响规律。研究结果表明:随着井深的增加,应力卸载效率不断升高,井底轴线处有效应力卸载效率在70 %以上,井底周围有效应力卸载效率约为50 %;钻井液压力的升高减小了应力卸载效率,且井底轴线处应力卸载效率受钻井液压力的影响较大;水射流切槽显著降低了井底轴线处岩石的强度,卸载效率达50 %以上,井底周围岩石强度卸载效率约为30 %;井底凹槽的存在释放了岩石的有效应力,并将井底岩石应力集中于区域推离切削面,从而降低了钻头作用区域的应力值,在一定程度上降低了岩石的强度,进而提高机械钻速。     

高分子添加剂射流破岩钻孔的试验研究

针对径向水平钻井技术的特点和水射流直接破岩钻孔的需要,试验研究了高分子聚合物添加剂聚丙烯酰胺(分子量大于1000万)对射流破岩钻孔效果的影响。试验是在常压实验架上进行的,由XZ型三柱塞泵提供动力,岩心采用灰砂比1:1.5的自制岩心。为了试验的可比性,聚丙烯酰胺溶液均一次性使用。结果表明:在合适的浓度范围内,高分子添加剂的加入有利于射流破碎岩石;高分子添加剂对旋转射流破岩效果的提高在小喷距条件下尤为突出;高分子添加剂能增大圆射流破岩的最优喷距;在小喷距范围内,添加剂旋转射流的破岩效果仍要优于圆射流。破岩效果表明,对于高分子添加剂射流存在有最优添加剂浓度。