高压水射流钻完井技术进展及发展思考

知识点：高压射流

1 引言

石油和天然气是全球重要的一次能源，深井/超深井油气资源高效开发已成为中国能源接替领域重要的研究方向。地层坚硬可钻性差，机械钻速低，钻井周期长是目前高效钻井面临的挑战。随着井深增加，岩石所受围压呈线性增加，导致岩石塑性强度升高，已成为深井/超深井机械钻速低、钻头磨损严重的主要原因之一。为降低钻头磨损提高机械钻速，目前主要通过加强钻头外侧布齿、优化钻头结构、研发耐高温耐磨材料等方式来实现;在钻井提速方面主要通过研发新型钻头、开发辅助破岩工具等来实现，其中水射流辅助破岩方式因其可操作性强、破岩效率高，在石油钻探领域得到广泛应用，可将机械钻速提高2 ～3倍。

据统计，油气建井过程中，钻进时间占整个建井时间的 30%以上，对于深井超深井甚至占到50%，其余用于下套管、固井、测井等作业，通过提高钻井机械钻速，可以大幅降低建井成本，提升油气开发效益。高压水射流钻井技术是利用高能流体进行破岩，能显著提高钻井机械钻速，日益受到国内外石油公司重视。目前，国外在 70 MPa 以上高压水射流钻井技术方面开展了大量的研究，部分技术已实现商业应用，在研究通过增加水马力提高钻井速度的同时，也在探索利用 210 MPa 超高压水射流技术在储层中实现割缝增产，以推动老油田挖潜和实现低渗透储层的经济开发，减少大型水力压裂带来的安全与环境等问题。

2 高压水射流钻井技术破岩机理

（1）高能射流破碎岩石

高压水射流钻井时，由于井眼中充满流体，射流处于淹没状态，从而形成淹没射流。淹没射流对岩石的破坏作用主要有4种:①冲击作用。射流造成的弹性拉力在岩体中冲撞、反射和干扰破坏岩体的结构;②空泡溃蚀作用。水射流与水发生动量交换和紊动扩散，形成的空泡随射流发展长大并发生溃灭，对岩体产生空溃破坏;③水楔作用。射流过程中，岩体产生裂缝，水射流进入裂隙空间，在水楔作用下，岩体破坏;④剪切作用。当管柱旋转或轴向移动时，射流产生一定的切向速度，在岩体表面形成附加剪应力，提高破岩能力。当施加在岩石表面的喷射压力高于岩石的门限压力，岩石发生破碎，随着钻头旋转，岩石表面形成沟槽，实现钻井或辅助钻井的目的。

（2）提高岩屑清洗效率

钻头破碎岩石过程中，破碎后的岩屑由于受很大的压差压持在井底，导致岩屑无法及时离开井底，这种现象被称为岩屑“压持效应”。岩屑“压持效应”导致岩屑的重复切削，加速钻头磨损，降低钻井机械钻速。高压水射流在井底形成的井底冲击压力波和井底漫流作用提高了井底净化效果，减少了岩石的压持效应，避免了钻头的重复破坏。

3 高压水射流钻完井技术进展

3.1 高压钻柱钻井系统

a. 高压单管钻柱钻井系统

高压单管钻柱钻井系统是对传统钻机升级改造，提升地面泵、钻杆、水龙头、泥浆管线、钻头等的耐压性，其原理与地面回转钻井一样。20 世纪70年代，埃尔森公司(Exxon 公司)和壳牌公司(Shell公司)采用地面泵压70~124 MPa，利用高压射流与牙轮钻头联合破岩，与传统钻机钻井相比，机械钻速提高 2~3 倍。

b. 高压双管钻柱钻井系统

高压双管钻柱钻井系统采用双通道钻杆，直径Φ114.3 mm 外管内置直径Φ44.45 mm 的合金内管，钻杆内管接头满足250 MPa 的密封要求。地面将一部分流体加压至 250 MPa 形成高压后通过内管泵入井底，高压流体排量 1.9~2.5 L/s；另一部分流体采用低泵压、高排量 22.5 L/s 通过外管与内管的环空泵入井底。两部分流体从钻头喷嘴喷出后汇合，从井眼环空返出。

3.2 高压连续管钻井系统

地面设备将70~105 MPa 高压流体通过单根连续管泵入井下，驱动泥浆马达旋转，再由钻头喷嘴高速射出，利用高压钻井液射流与井下动力钻具的机械联合作用破碎岩石。钻井过程中，高压水射流首先在井底岩石上喷射切割出层状沟槽，随后由钻头机械破碎沟槽突出部分的岩石。该系统结构相对简单、可靠性高，可以钻出直径 Φ165.1 mm 或更小井眼。

3.3 高压磨料喷射钻井系统

20 世纪 60 年代末期，Gulf公司开展了大量的高压磨料喷射钻井技术现场试验，在钻井液中加入6%的 20/40目钢粒，地面泵压55~105 MPa，试验结果表明，在硬地层中机械钻速是传统钻进方式的4~20倍。

3.4 超高压水射流钻井增产一体化系统

美国RAMAX 公司正在研发210 MPa 超高压水射流钻井增产一体化系统，如图 1 所示。采用超高压泵、连续管、井下切割头和测量工具进行超高压水射流钻井，完钻后，通过地面控制井下切割头，使钻井流道关闭，开启侧向割缝增产流道，通过地面加压进行超高压水射流割缝增产作业，钻井和割缝增产作业可以反复切换，实现超高压水射流钻井增产一体化，缩短建井周期，提高单井产能，增加油气开发综合效益。

图1 超高压水射流钻井增产一体化系统

3.5 径向水平井钻井系统

美国Petrolphysics 公司20 世纪 70 年代开始研制径向水平井钻井系统，后来通过 RDS 等公司的改进和完善，形成了不需套管段铣和扩眼的径向水平井钻井系统，如图 2 所示，采用设备、工具直接在套管和水泥环上钻孔，然后进行水平段井眼钻进，大幅提高了作业效率，取得了较好的增产效果。径向水平井钻井技术利用地面高压泵对无固相钻井液加压至 105~140 MPa，采用高压软管或连续管、特殊的转向设备可以实现在储层的某一层位或多个层位径向钻出多个水平分支井眼，水平分支井眼最大深度 100 m，直径Φ25.4~Φ76.2 mm。

图2 径向水平井钻井系统

4 认识与建议

（1）利用高压水射流技术实现高效钻井一直是石油工程界研究和试验的热点之一，并正在从提高钻井速度向油藏增产进行延伸。国内在 70 MPa 以上高压水射流技术方面开展了一些基础理论研究，但在技术攻关试验方面研究较少，应加强与国外石油公司和高校的科研合作，开展70 MPa 以上高压水射流钻井技术的攻关研究，储备前瞻技术，为油气资源高效开发提供支撑。

（2）钻杆在高压条件下接头密封可靠性较低和需要频繁起下钻制约了高压水射流钻井技术的发展，采用连续管作业是未来的发展方向，并配合井下动力钻具进行复合钻井。未来需要开展高强度、长寿命碳纤维连续管、长寿命大功率动力钻具和高可靠性射流钻头的研究。

（3）高压磨料喷射钻井系统在硬地层中能够显著提高钻井机械钻速，为连续管小井眼钻井提速提供了一种全新的思路，由于在钻井液中添加了磨料，对地面高压泵、连续管和钻头的寿命提出了挑战。未来需要对耐磨高压泥浆泵、井下马达、定向工具等进行研究。

（4）超高压钻井增产一体化技术抛弃了常规井下马达和钻头，使井下组合大大简化，并同时实现钻井增产作业，是未来高压水射流技术发展方向。超高压下连续管的寿命、井下测量控制工具和井下切割头是该技术未来成功应用的核心，可以先验证超高压水射流钻井增产一体化技术的增产效果，并与连续管钻井技术同步推进，试验超高压水射流钻径向水平井。

（5）径向水平井是70 MPa 以上高压水射流钻井技术唯一商业化应用的技术，在低渗油气井、老油井、稠油井和煤层气井的增产改造中得到了广泛应用，但是该技术井眼延伸位移较短，井眼直径较小，一定程度限制了油气井的后期稳产。

相关推荐：

1、GB5226.1-2008 机械电气安全

2、GB19517-2009国家电气设备安全技术规范