岩样水力射流孔眼轨迹特性试验研究

陈勇 张辉

胜利石油工程公司钻井工艺研究院，中国·山东 东营 257017

针对在水射流孔工艺过程中孔眼轨迹特性不明确的问题，搭建试验流程，采用不同岩样和多种水泥石开展水力喷射试验。根据经济钻速和试验结果，测试相关岩样的抗压强度和可钻性级值，确定水射流工艺适用岩样抗压强度范围和可钻级值范围。通过测量井眼轨迹，分析孔眼在水平和竖直方向的轨迹特性，提供轨迹特性曲线，为该技术的进一步研究和水射流井身设计提供依据。

水射流；轨迹特性；可钻性级值

1 引言

径向水力射流钻孔技术是一种低成本微小井眼水平井钻井技术，近年来在中国和国际上得到了广泛的应用。目前，中国和国际上的径向水力射流钻孔技术基本都采用套管钻孔、水力喷射破岩的方式，即先用套管钻孔工具把套管钻穿，然后用水力喷射工具在油层中形成径向水平井。喷射钻孔技术基于水力破岩原理，利用高压水射流破碎岩石，形成直径30～50mm的小孔[1，2]。喷射钻孔工具包括高压软管和喷头，软管一端与连续管相连，一端与喷头连接，利用连续管将高压软管和喷头通过转向器送到套管钻孔位置，开启地面高压泵组，高压水射流经喷头喷射地层，实现破岩成孔。为了喷射形成较长距离的小孔，喷射系统具有带动自身前进的自进能力。中国部分生产井、注水井和老井改造实施了水射流工艺，在取得较好增油增注效果的同时，也有部分井效果不明显。对于效果不明显的情况，普遍认为在实施水射流工艺过程中，喷头带动软管在疏松油层中形成小孔的轨迹特性不明确，小孔轨迹可能符合设计要求，也可能偏离设计轨道，从而导致部分井水射流工艺效果不明显。开展岩样水力喷射试验，目的是研究分析水射流工艺中形成孔眼的轨迹特性，进而为水射流工艺设计提供参考，进一步提高水射流工艺效果。

2 试验装置

试验装置如图1、图2所示，主要由高压泵组、高压管汇、储液池、圆钢管、岩样及喷射工具等组成，岩样模拟水射流疏松砂岩地层。

图1 水力喷射成孔轨迹特性试验装置示意图

（1）高压泵组和高压管汇同现场施工地面设备，高压泵机组的动力源为柴油发动机，柴油机功率145kW，高压泵最高压力70MPa，最大流量90L/min。

（2）圆钢管提供射流工具前进通道和喷射液及钻屑返回通道，钢管一端紧压在岩样上，喷射返出液充满整个圆钢管，为试验提供淹没条件。

（3）射流钻头同现场施工应用的钻头，射流钻头上各孔直径相同，侧向向前孔眼扩散角均为10°，射流钻头正反流量比为3/4，射流钻头向前有4个孔眼，其中1个是中心孔眼，另外3个孔眼绕中心孔眼均布排列，向后孔眼3个，绕喷头轴心均布向后扩散角30°，喷头结构如图2所示。

图2 射流钻头结构图

（4）试验岩样采用地层露头岩石和人造水泥石，露头岩样分别为粉砂岩及风化疏松砂岩，规格为30cm×30cm×30cm的方块各5块，水泥石选用8种（水泥砂浆配比不同），规30cm×30cm×100cm 共40块（每种5块），实物如图3所示。

图3 岩样实物图

3 试验方法

3.1 岩样安装

试验台架平面调整为水平基准面，原钢管端面设定为竖直基准面，岩样紧靠基准面，整齐叠放岩样5块，岩样组固定压紧，减少相邻岩样界面间的干扰，确保岩样组近似均质地层。

3.2 测量准备

岩样在喷射前刻画孔位置测量基准线，5块样品参照竖直基准面和水平基准面整齐叠放，样品高度方向画3条横线，4 等分高度尺寸，样品宽度方向画1条纵线，2 等分宽度尺寸，每组样品以第一块岩样上纵横刻线交点为喷射起点，喷射完成后，测量每块样品孔中心相对对应纵横刻线交点（喷射起点投影点）的偏移尺寸。

3.3 水力参数

喷射试验参数喷射压力50～55MPa，排量54～65L/min（与现场施工水力参数相同），如图4所示。

3.4 孔轨迹测量

孔轨迹由喷射起始点和5个样品上孔眼位置组成，孔眼位置由x、y表示，其中x为孔眼中心相对起点横向偏移距离，y为孔眼中心相对起点纵向偏移距。

3.5 喷射速度测量

测量每块岩样钻穿时间，并计算该岩样平均钻进速度，单块岩样钻进时间从开始喷射计时，岩样间隙出水为止，如图5所示。

图4 露头喷射试验

图5 喷射破岩岩样

3.6 岩样可钻性级值及抗压强度测定

根据喷射钻进速度情况，选取岩样测定可钻性级值及抗压强度。

4 试验数据及分析

4.1 喷射速度

岩样喷射试验开展10组，10种岩样组各钻1 孔。其中，5组岩样钻进速度经济有效，5种岩样喷射钻孔速度如图6所示，可钻性差的岩样钻速慢，可钻性好的岩样钻速快，其中5组岩样钻速适中，具有经济钻速的岩样抗压强度小于15MPa，可钻级值小于1.1。

图6 喷射破岩速度

4.2 孔眼轨迹

（1）喷射成孔轴向轨迹在水平方向均发生向左或向右方向持续偏转，偏转方向随机，偏转比率随长度达到6.26%，如图7所示。分析原因得出的结果是软管受到已喷射成孔凹凸不平内表面的影响，喷头喷射方向发生持续偏转。

（2）喷射成孔轴向轨迹在竖直方向只发生向下持续偏转，偏转比率随长度达到2.66%。分析原因得出的结果是软管及喷头受更多受到自身重量影响，向下发生持续偏转，如图8所示。

图7 轨迹水平方向偏离

图8 轨迹竖直方向偏离

5 结语

径向水力射流形成的孔眼轨迹受喷射工具特性、孔内表面质量及岩样软硬程度影响，具有经济钻速的岩样抗压强度小于15MPa，可钻级值小于1.1，形成的孔眼轨迹在水平方向发生偏转情况比较随机，偏转随位移与深度比率达到6.26%，在竖直方向受自身重量影响，一般向下发生持续偏转，偏转位移与随深度比率达到2.66%，同时随深度增加，前进阻力持续增加，工具前进动力不变，喷射钻井能力衰减较快。