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超高压水射流辅助深井钻孔技术的发展
更新时间:2020-12-17 来源: 浏览次数:1027

在水射流钻小孔技术用于煤层钻探和岩石开采挖掘的同时,许多的石油公司开始试图用高压水射流辅助钻机在油层中钻大孔的研究。20 世纪40年代末,喷射钻井技术在美国取得突破性进展,提出了提高喷嘴喷射速度的办法来提高钻速并取得成功。随着喷射压力的提高,钻进速度也不断提高,70年代初,国外便开始了超高压钻井技术的研究。超高压射流用于辅助机械钻井主要经历了3个发展阶段:地面全增压、地面部分增压和井下泵增压。

70年代初,美国Maurer等人便开始了超高压射流钻井的试验研究。他们在佛罗里达州和德克萨斯州进行了试验,利用地面增压器把整个循环泥浆压力提高到68~105MPa,地面水功率高达2800~11200 kW。试验结果表明,可提高机械钻速2~3倍,证明了超高压射流钻井方法能够大幅度提高机械钻速。

70 年代中期,高压冲蚀钻井法取得了重大突破。美国埃克森(Exxon)开发研究公司与其他8家公司协作,设计出了一套专门的高压钻头试验设备,最高泵压可达 98 MPa,最大排量为3.8 L/s,喷嘴有效压降为14.7~78.4 MPa,喷速达190 m/s。当喷嘴压降超过破碎岩石最低有效压降后,钻速明显增大,压降值超过得越多,钻速增长得也越多。对不同的岩石,压降对钻速的增长率是不同的,最高可达约3 m/(h - MPa)。在东德克萨斯一口生产井用高压冲蚀钻井法从705 m钻至1828 m只用了24.2 h,与另一口井在相同井段用普通钻头钻井66.6 h相比,说明高压冲蚀钻头较普通钻头快2~3倍。试验通过增加泵功率可以大大提高高压冲蚀钻井的速度。试验表明,在68.8~100.55 MPa压力和 1765 kW水功率时,钻速可以成倍增加(从6.1 m/h增大到12.2~18.3m/h)。冲蚀钻头的钻速正比于水马力,所以将泵功率增大到4412 kW时,钻速可望比水力率为1 765kW时再增2~2.5倍(即增大到30.5~48.8 m/h),也即在这样的功率水平下,冲蚀钻头将比普通钻头的钻速加快5~8倍。

富森超高压水射流设备

70年代末,美国瑞德公司曾在东德克萨斯软地层进行了超高压喷射钻井井下工业试验,试验井深达3 000 m。在现场共使用了36辆高压水泥车并把它们分为两组,每组约工作20 min就需要交替检修更换泵的易损件。试验了3组不同尺寸的小喷嘴:直径为2.29 mm的一组喷嘴,工作泵压为138 MPa;直径为2.54 mm 的一组喷嘴,工作泵压为103.5MPa;直径为2.92 mm 的一组喷嘴,工作泵压为69MPa。共试验了30只8.5"(21.6 cm)的牙轮钻头,机械钻速平均比同类钻头提高30%~50%。这一井下工业试验成本虽然很高,但确保了超高压喷射钻井是能够大幅度提高钻速的。

尽管这套技术能提高机械钻速,减少了钻井时间,但由于地面全增压射流钻井技术要求循环系统的设备如泵、水龙头、钻杆、钻头喷嘴等均能承受如此高压,在当时情况下较难经济而安全地工作,因此,未能获得工业应用。

1985年,Flow Industries公司成立Flowdril子公司,投资1700万美元,专门研究超高压射流钻井系统。该公司负责人认为,降低泥浆流速把高压泥浆完全控制在井底是实现高压射流钻井的关键。1988年,Flowdril 公司和 Grace钻井公司合作研制

出了一种双管射流钻井辅助系统。在该系统中,将一小部分泥浆增压到245 MPa,自超高压泵通过地面管汇输送到与常规水龙头的鹅颈管连接的超高压水龙头,再通过常规钻杆内的同心导管传送至钻头上的高压喷嘴,喷出的超高压液流冲击岩面破碎和清除钻屑。该系统的独特之处是:通过将通钻柱内的同心超高压合金管及其与钻柱之间的环隙,分别传送超高压和常压钻井液(原理见图1)。用该系统在俄克拉荷马和德克萨斯东、西部的22口井中进行了试验,共钻7432m,机械钻速提高1.4~3.2倍。

超高压水射流辅助深井钻孔技术的发展

借鉴双管系统常压大排量与超高压小排量相结合的思路,把增压器置于井下,而常规循环系统的设备基本保持不变。1993年,Flowdril 公司和天然气研究所(GRI)联合实施了一项为期3a的井下超高压泵的研制计划,并于1994年研制出了第一台样机,总长 12 m,外径7.625"(19.4 cm),是为8.75"(22.2cm)井眼设计的,这种井下泵直接安装在钻头上方,其尺寸与普通钻铤相近,操作方法也与普通钻铤相同。它是一种往复式增压器,靠水力驱动,通过钻柱将正常流量输至井下泵,井下泵可将约7%的液流增压至207 MPa,超高压流体通过自己的导管流过钻头接头和钻头,到达钻头上的一个加长喷嘴,其余大部分液体由钻头的常规喷嘴喷出(如图2所示)。

超高压水射流辅助深井钻孔技术的发展

通过5口井的现场试验,机械钻速是普通钻头钻速的`1.1~3.5倍。其中,提高最多的第一口井,因为地层较浅,射流形成自然空化。其余几口井因为地层较深,根据当地的钻井经验,射流压力低于245~280 MPa,很难切削。1994年末,美国能源部(DOE)与Flowdril公司和GRI联合研制并测试了第二代井下泵样机,总长度为8.5 m,外径6.75"(17.1 cm),是为7.875"(20.0 cm)井眼设计的。井底增压泵将约7%的井底流体的压力增加到207MPa,超高压流体通过三牙轮钻头的加长喷嘴形成高速射流冲击井底,辅助钻头机械破岩。通过现场4口井的试验表明,全部为页岩的情况下,破岩速度与常规破岩速度之比大约为1.45,砂岩增加到2,花岗岩为1.5.超高压水射流辅助机械钻井提高破岩速度的原因,不能用提高钻头通常应用的水功率来解释。

富森超高压水射流设备

由于井下泵体积小,压力高,部件密封和材料强度要求很高,目前研制的实验样机井下工作时间较短,第一代样机最长为40.5h,最短的仅为1 h左右;第二代样机实验室可靠运行时间为40 h。但现场试验井下寿命只有8.9~17 h,远远低于钻头的工作时间。此外,井下泵的研制成本也较高,还无法真正从总体上缩短钻井周期,降低钻井成本。因此,还没有在工业上得到广泛使用。但超高压水射流辅助为钻井技术的发展指出了一条新的路子,如果在工业上得到推广应用,必将极大地提高钻井速度,创造巨大的经济效益。1992年,中国石油天然气总公司开始立项进行井下增压泵钻井技术研究。

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