高压喷射钻井技术及其应用

刘晓敏，侯树刚，蒋金宝，杨玄

（1.中国石化中原油田分公司科技部，河南濮阳 457001；2.中国石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，河南濮阳 457001；3.中国石化中原石油工程有限公司塔里木分公司，新疆库尔勒 841000）

高压喷射钻井技术及其应用

刘晓敏1，侯树刚2，蒋金宝3，杨玄2

（1.中国石化中原油田分公司科技部，河南濮阳 457001；2.中国石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，河南濮阳 457001；3.中国石化中原石油工程有限公司塔里木分公司，新疆库尔勒 841000）

高压喷射钻井是实现钻井提速的有效手段。塔里木盆地作为我国石油工业的战略接替地区，钻井提速的需求非常迫切。针对塔河地区高压喷射钻井先导试验过程中存在的问题，通过环空流场数值模拟研究，分析了钻井液排量、流变性能等参数对水力能量的影响，开展了钻井装备优化配置，制定了钻井参数优化方案，并在3口井进行了现场试验。试验表明，采用推荐的高压喷射钻井参数优化方案施工，对钻井提速具有非常显著的效果，建议在塔河地区推广应用。

高压喷射钻井；钻井参数优化；环空流场模拟；钻井提速

我国自1978年开始推广应用高压喷射钻井技术，实践表明这一技术是提高钻井速度的有效手段[1-4]，能够缩短钻井周期，显著提高经济效益[5-9]。塔里木盆地由于储层深、钻井周期长，钻井提速提效的需求非常迫切[10-14]。中原油田自2009年以来在塔河地区开展了35 MPa高压喷射钻井技术先导试验，现场应用2口井，与常规工艺相比，钻井周期明显降低。

本文在前期研究结果的基础上，进一步开展了高压喷射钻井技术的研究，2011年在TH12153井（50～4 200m）、TP140井（50～5 035m）和TP146X井（800～5 010m）开展现场推广应用工作。现场试验表明，采用推荐的高压喷射钻井参数优化方案施工，对钻井提速具有非常显著的效果。

1 存在问题

1）上部地层阻卡。塔河地区上部地层包括库车、康村和吉迪克组，岩性主要为砂泥岩互层。钻井过程中，砂岩地层产生虚厚泥饼，泥岩地层易水化缩径，且康村和吉迪克组泥岩中含分散状石膏，极易发生蠕变缩径。快速钻井条件下，环空岩屑体积分数高，起下钻过程中易产生钻具阻卡。为避免钻具阻卡的发生，在钻井过程中，需要频繁短起拉井壁，严重影响了钻进生产时效。

2）钻头钻入下部地层时水力能量不足，难以充分发挥喷射钻井的优势。从表1可以看出，随着井深的增加，受钻具组合、钻井液性能、钻井设备等条件的限制，循环压耗迅速增加，钻头能够获得的水力破岩能量较低，因此需进一步研究提高水力能量利用效率的途径。

3）钻井液固控设备不能满足高压喷射钻井的要求。在高速钻井条件下，环空岩屑体积分数很大，对固控设备的处理能力要求很高。先导试验过程中，振动筛跑浆、漏浆的现象非常严重，配备的高速离心机不能对大排量条件下的钻井液进行处理。

2 参数优化

为了提高水力能量利用率，本文通过环空流场数值模拟研究，分析了钻井液排量和流变性对环空流场分布的影响，从而为水力参数的优化提供理论依据。

2.1 水力参数

环空流场分布主要受钻井液排量、密度和流变参数的影响，其中钻井液排量和流变参数为主要影响因素。现场使用的钻井液可视为幂律流体[15]，其K，n的取值范围可现场测定。塔河地区高压喷射钻井常用的二开钻具组合为:φ311.2mm钻头+φ228.6mm钻铤+ φ127mm钻杆。考察Q=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）范围内的钻井液，依据计算得出的环空雷诺数是否大于2 000，确定不同条件下的环空流态。以井口中心为坐标零点，选取环空一侧横截面，如钻铤处横截面，坐标为（-155.6 mm，-114.3mm）。

当ρ=1.124 g/cm3，K=0.14 Pa·sn，n=0.58时，超过45 L/s排量范围内的环空流态均为紊流。采用CFD软件FLUENT进行数值模拟，得到不同排量条件下钻铤和钻杆处的环空返速分布曲线（见图1）。可以看出，随着排量增大，环空返速明显增大，有利于携岩。因此，在机泵允许条件下，建议增大排量以保证岩屑能够有效运移，以缓解塔河地区泥岩地层水化引起的阻卡问题。

当ρ=1.124 g/cm3，Q=65 L/s，n=0.58时，K由0.1增大到1.4，环空流态由紊流变为层流；K由1.4增大到2.6，流态依然为层流，环空流场大小稍有不同，而返速分布曲线形状维持不变。层流状态下，钻井液流速分布不均匀，环空中部的轴向返速较高，而在两侧壁面附近较低（见图2）。对于塔河地区地层泥岩多、钻进过程中易阻卡、起下钻困难等问题，通过控制钻井液黏度使其在环空中保持紊流流动，可得到有效缓解或解决。

当ρ=1.124 g/cm3，Q=65 L/s，K=0.14 Pa·sn时，钻铤和钻杆处环空流态均为紊流。从图3可以看出，n值对钻铤处环空速度剖面影响不大，只是中心和两壁附近略有不同，说明在紊流状态下幂律流体的剪切稀释特性对环空返速的影响较小，对钻杆处影响稍大。

表1 高压喷射钻井条件下水力参数计算

图1 不同Q值时钻铤和钻杆处的环空返速分布

图2 不同K值时钻铤和钻杆处的环空返速分布

图3 不同n值时钻铤和钻杆处的环空返速分布

高压喷射钻井时，通过增大钻井液排量、适当调整流变性能，使其保持低黏度、高剪切稀释性，提高岩屑的运移速度，改善井壁冲刷效果，可以缓解塔河地区的阻卡问题。而采用高转速（180 r/min）、适当钻压（120～ 180 kN），可取得良好的提速提效效果。

2.2 喷嘴组合

钻头压降与喷嘴尺寸密切相关，其大小直接关系到钻头水功率的大小。喷嘴尺寸过大，钻头压降较低，同时钻头水功率也较低；喷嘴尺寸太小，钻头压降过大，开泵困难:因此，合适的钻头压降，对高压喷射钻井试验的成败意义重大。在保证总泵压不变的同时，为了提高钻头压降，降低环空压耗，发挥钻头的水功率，基于理论公式针对不同钻具组合、喷嘴组合下的井底水力能量开展了优化研究。

钻头压降计算公式为

式中:pb为钻头压降，MPa；ρ为钻井液密度，g/cm3；Q为钻井液排量，L/s；d为钻头喷嘴当量直径，cm；C为喷嘴流量系数。

对于上部地层，采用牙轮钻头钻进时，钻头压降不低于循环压耗的50%或15MPa；对于中下部地层PDC钻头，钻头压降为5～10MPa。同时应对环空流场进行分析，合理控制整个钻井过程中的水力能量分配，为优质高效钻井提供基础。

3 装备配套及方案制定

3.1 装备配套

中原油田自2009年开展35MPa高压喷射钻井技术先导试验以来，对泥浆泵、高压管线、可控硅电传动控制系统等设备进行了升级改造，配备了2台F2200-HL高压泥浆泵和1台F1600泥浆泵，能够提供充足的水力能量。这些配套的装备为35MPa高压喷射钻井技术先导试验的实施提供了保障。

在先导试验过程中，中上部地层采用高压喷射钻井后，排量大、机械钻速高，产生的钻屑为超细颗粒（最小粒度小于20μm），原有固控设备已无法及时处理钻井液中的超细颗粒，这将对钻井提速产生很大影响。因此，将原有振动筛筛布由120目提高到140目，及时清理振动筛及砂泥一体机上的超细颗粒，防止细颗粒堵塞筛布，同时更换2台处理能力更强的离心机，有效提高了固控设备的处理能力。

3.2 方案制定

在上述研究的基础上，为了高压喷射钻井进一步提速提效，制定了适合西部地区的高压喷射钻井水力参数推荐方案（见表2）。

表2 高压喷射钻井水力参数推荐方案

4 现场试验效果评价

4.1 机械钻速

TH12153井一开平均机械钻速与邻井同比提高85.03%，二开提高73.53%；TP140井一开平均机械钻速与邻井同比提高107.00%，二开提高116.80%；TP146X井二开平均机械钻速与邻井同比提高110.60%（一开泵故障，单泵钻进），如表3所示。

表3 高压喷射钻井平均机械钻速统计

4.2 钻井周期

TH12153井二开中完周期22 d 23.5 h，比设计周期28 d节约17.86%。TP140井二开中完周期27 d 1.8 h（其中一开下套管遇阻及二开钻具脱扣复杂情况共计损失时间4 d），与设计周期31 d相比节约12.9%。TP146X井二开中完周期25 d 16.0 h，与设计周期38 d相比节约32.5%。

4.3 井身质量分析

录井资料显示，TH12153井二开平均井斜0.46°（最大井斜0.51°），二开平均井径312.23mm（最大井径312.51mm），井径扩大率为0.33%；TP140井二开平均井斜0.55°，二开平均井径为318.26mm，井径扩大率2.27%。说明采用高压喷射钻井，井斜控制良好，能够保证较高的井眼质量。

5 结论

1）数值模拟与现场实践表明，高压喷射钻井时，通过增大钻井液排量、适当调整流变性能，使其保持低黏度、高剪切稀释性，可提高岩屑的运移速度，改善井壁冲刷效果，而采用高转速、适当钻压，可取得良好的提速提效效果。

2）利用配套的装备与推荐的试验参数，在TH12153井、TP140井和TP146X井进行了高压喷射钻井现场试验，提速提效明显。与邻井同井段相比，可大幅度提高机械钻速，建议在塔河地区推广应用。

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（编辑 赵卫红）

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

中国石化集团先导试验项目“35MPa高压喷射钻井技术推广应用”（SG11026）

TE248

A

2013-06-04；改回日期：2013-09-26。

刘晓敏，女，1971年生，高级工程师，1994年毕业于江汉石油学院地球物理专业，主要从事钻井提速提效技术和提高采收率技术研究。电话:（0393）4821265，E-mail:lxmzwq@163.com。

刘晓敏，侯树刚，蒋金宝，等.高压喷射钻井技术及其应用[J].断块油气田，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