超高压喷射钻井技术应用探讨

黑龙江 周长虹 张晓慧

超高压喷射钻井技术应用探讨

黑龙江 周长虹 张晓慧

超高压喷射钻井技术是一种机械破岩和水力破岩复合的过程，更注重发挥水力破岩的钻井过程。相对普通喷射钻井技术，能有效提高钻头进尺和机械钻速。超高压是在普通喷射钻井技术基础上，通过进一步提升射流的水力作用，提高钻井效率。随着钻井设备、工具和工艺技术的改进，循环系统产生和承受压力能力的增强，为进一步发挥水力破岩效果提供了保证。结合喷射钻井应用状况，通过地面泵升压和井下增压泵等方式，对提高喷射钻井技术的应用具有较大的促进作用。

超高压；喷射钻井；水力破岩；机械钻速

喷射钻井技术作为一种新型钻井技术，相对与普通钻井技术，无论在提高钻头进尺和机械钻速等方面，都取得了突破性的发展。由于钻头进尺和机械钻速指标的提高，也使钻井的非生产时间相对缩短，提高了钻井的速度，减少了事故，降低了成本，也使喷射钻井技术得到了广泛的应用。为更有效提高钻井效率，生产现场广泛进行井下研究、试验超高压喷射钻井技术。这种钻井技术能更进一步提高机械钻速，增加钻头进尺，发挥水力破岩作用是影响超高压喷射钻井的关键。处理好水力破岩和机械破岩效果的结合，也是制约超高压喷射钻井技术进一步发展的因素。钻井生产实践和研究表明，射流喷速越高，钻速也随之增大，钻头进尺也增多。到目前为止,尚未找到喷射速度对提高钻速的极限值。如何能够获取更大射流喷射速度和冲击力，是影响喷射钻井技术发展和应用的瓶颈。

一、超高压喷射钻井技术应用所需的条件

获得高效的钻井水力参数是影响喷射钻井的主要条件。获得超高压是影响和制约当前喷射钻井技术发展和应用的关键因素，下面就超高压喷射钻井条件进行阐述。

1.先进的喷射钻头。钻头是破岩的工具，也是射流水力特性形成的关键。要结合地层岩性、钻井深度、钻井性能、钻具结构等因素，合理选择喷射钻头喷嘴的类型，确保形成的射流对井底水力冲击作用效果。

2.优质的钻井液。选用的钻井液要充分考虑地层造浆性、岩性特点、钻具组合等因素。钻井液要具有良好的流动性，形成的射流产生的冲击力要有利于井底破岩和净化。

3.稳定的井眼结构。井壁要规整、井径要规范，形成的泥饼要致密，钻具上行、下放不受阻卡。钻井液在环行空间流态保持良好，循环阻力小。

4.钻井泵形成的泵压足够大。地面机泵性能良好，确保钻井液在高压状况下，循环产生足够的推力，满足对地层岩性的破碎。

5.密闭良好的循环系统。钻井液循环的路线要能承受高液流的作用，确保不刺、不漏，满足高压液流循环的需要。

6.设置井下增压泵。为有效提升钻头处形成高压液流，降低和减缓地面机泵和循环管路承压和密封的要求，在钻头附近加设增压泵，在钻头处形成高速水力射流的效果。

二、超高压喷射钻井技术研究现状

超高压喷射钻井作为一种高效的钻井技术，在普通喷射钻井技术的基础上，国内外都进行了大量的研究、探索和应用试验。这种技术对提高钻井速度、缩短建井周期、降低钻井成本、提升钻井效益效果明显。对设备、工具、钻具和钻井液性能的要求也很严格。

1.国外超高压喷射钻井技术研究状况

超高压喷射钻井技术起端与国外，对这项技术的研究经历了三个阶段:第一阶段是改善机泵性能，全排量增压,因地面循环系统设备经受不住长时间超压运转而终止；第二阶段是地面局部排量增压，通过两套机泵组,井下采用内外双管实现增压的目的。但因承受高压内管密封可靠性和安全性问题难以保证而终止；第三阶段是井下局部排量增压,采用常规机泵组和循环部件,只在钻头上方安装增压器,确保进入钻头喷嘴的射流具有很大的水力特性，并且增压器已进入工业性试验阶段。

2.国内超高压喷射钻井技术研究状况

国内喷射钻井技术研究始于上世纪60年代，这种技术研究经历了淹没非自由射流特性和喷嘴结构系统的研究试验,获得了喷嘴水力学特性有关数据,建立了各种喷嘴剖面曲线方程；研制喷射式钻头、耐高压大功率钻井泵、固控装备、低固相不分散钻井液体系,改造了高压循环系统。

3.我国超高压喷射钻井技术取得的主要成果

我国对超高压喷射钻井技术研究试验在借鉴国外技术研究和应用的情况，也经过三个发展阶段。第一阶段泵压为10～12MPa；第二阶段泵压为14～15MPa；第三阶段泵压为18～20MPa。对应这几个阶段，从设备、技术的研究和应用也同步进行。

（1）地面泵增压。通过改善钻井泵及配套设施的方式，提高泵压。目前我国地面泵最高泵压已达到40MPa，机械钻速提高1～2倍。地面泵增压对提高喷射钻井技术的应用，效果十分明显,但因循环过程，整个系统都要承受很高的循环压力。对钻井泵、配套设备、管汇以及井下钻柱的密封性能提出了很高的要求。钻井长期、连续作业，对各机部件的安全性是极大的考验,加之制造设备和工具投资成本大，易损件更换频繁，影响钻井时效等问题,严重制约了这种方式的推广和应用。

（2）井下泵增压。在靠近钻头处，加装增压泵，通过井下泵给进入钻头喷嘴的液流加压。这种方式既降低了对地面机泵、管汇对设备和部件要求，又能确保钻头喷嘴获得足够的液流水力特性。由石油天然气总公司勘探开发研究院承担的井下增压泵的研究、试验,无论在成本的预测,增压理论,增压方式串、并联,大、小喷嘴参数优选,动密封技术,钻头水动力特性研究、试验等都取得了可喜的成果,井下增压泵输出压力达到150MPa。相信这种方式应用到应用阶段，一定会显著的提高钻头进尺和机械钻速，降低钻井成本，促进喷射钻井技术的成熟。

三、超高压喷射钻井技术的应用

超高压喷射钻井（150～200MPa）理论研究和现场试验都取得了一定的突破，但也存在着全面推广的难度和问题。主要表现在增压泵超高压密封、使用寿命、材料质量等难以满足需要，而且制造成本大、研究开发周期长、短时间内不能尽快应用服务于钻井现场生产等。结合钻井速度、成本和技术等综合因素，目前应用30～50MPa井下增压泵是可行的,符合各项指标的需求。这种技术开发、研究具有的特点。

1.技术成熟，研发周期短，效益好。钻井生产现场研究、应用试验表明，目前获得了井下增压泵工艺成熟的技术,而且井下增压泵增压到30～50MPa压力,无论是设备和工具及喷射效果都比较稳定。只要将工艺技术进一步定型，就能投入到生产实际应用。

2.设备工艺、制造容易实现，成本低。无论是设备材质的选用、加工，还是工艺技术实现30～50MPa的增压很容易。材料及零部件成本低,且增压泵承压相对较低，工作时间长,利于井下作业的使用。

3.机械钻速快、钻头进尺大。近钻头增压即解决了射流破岩效率，又避免了其他复杂情况的发生。可以提高深井作业破岩效率低，事故频发的现象。通过增压泵，能充分发挥水力射流破岩效率，钻头进尺和机械钻速得到有效提高。

超高压喷射钻井技术是喷射钻井技术的延伸，在原来的基础上通过提高射流的水力作用，使钻头的进尺和机械钻速显著增加。同时采用适当的措施，避免和杜绝由于设备制造、密封和使用周期等问题的限制，使超高压喷射钻井在生产现场井下推广应用成为可能。

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（编辑 王旸）

（作者单位：大庆技师学院）