旋流喷嘴钻头在NP32－3646井的现场应用分析

2014-12-25谭松成

钻探工程 2014年12期

董超，谭松成，2，吴华，李伟

(1．中石油渤海钻探第一钻井公司，天津300280;2．西南石油大学，四川成都610500;3．大港油田采油工艺研究院钻井工艺室，天津300280)

随着浅层油气资源勘探开发逐渐进入中后期阶段，深部资源已成为我国重要的战略接替能源，深井超深井的数量逐年增多。随着井深的加大，井底岩石所处围压条件相应增大，岩石变得更为致密，抗压强度等参数均有明显提高。同时，随着钻井深度的增加，钻遇复杂地层的几率也更大，因此在深井超深井钻进中常采用相对较高的钻井液密度和粘度。钻井液密度的增加将加大岩石破碎面上的液柱压力，而粘度的增加也会增大对岩屑的压持效应，从而导致深井超深井钻进破岩效率低、机械钻速低等问题，严重影响钻井效率，增加钻井成本。

自1973年美国Exxon公司连续高压水射流辅助破岩实验以来，水力射流技术已在钻井行业得到长足发展［1，2］，先后发展形成了自激振荡空化射流、脉冲射流和旋转射流等技术［3］。其中旋转射流破岩机理与常规直射流不同，以剪切破碎为主，并辅以冲蚀、拉伸破坏和磨削等多种碎岩形式，从而提高破岩效率［4］。

1 旋流喷嘴钻头提速原理

1．1 旋转射流的发生机理

旋转射流是指在射流喷嘴不发生旋转的情况下，产生具有三维速度的射流体，并沿着螺旋线轨迹运动而形成扩散状射流，是通过安装在喷嘴腔内部的导向叶轮，将一维来流引导成具有轴向、切向和径向速度的三维流体［5］。如图1所示为导向叶轮流道的截面形状，射流产生过程为［6］:具有一定速度的一维流体经喷嘴腔流入导向叶轮后，弯曲的导向叶片使得来流只能沿着叶轮的侧面与之平行流动，从而在穿过导向叶轮的过程中受到一个扭曲力的作用;扭曲力使得流体获得一定旋转角速度和角动量距，射流体各质点均产生轴向、径向和切向的三维速度。当射流体流出导向叶轮后，受惯性力的影响，射流体仍然具有三维流速的特征;随后，射流体在经过喷嘴腔的锥形收缩段时，受压力变化的影响，射流体的轴向和切向速度迅速增大;当射流体从喷嘴中射出后，射流体在沿螺旋线旋转前进过程中，受离心力作用，流体沿径向上不断扩散，从而形成一个喇叭状的锥形射流体。

图1 导向叶轮截面形状示意

1．2 旋转射流的破岩机理

旋转射流与常规直圆射流的破岩机理差别之处在于，旋转射流不再单纯通过与岩石进行正面冲击而形成的密实核、拉伸和水楔作用来破碎岩石，而是通过对岩石表面施加平行载荷，从而使旋转射流区域中的岩石表面产生剪切破坏，并同时伴以一定的冲蚀和拉伸破碎，以及旋流磨削破碎［4］。

1．2．1 剪切破碎

岩石属于非均质材料，通常其抗剪强度只有抗压强度的1/15～1/8。旋转射流除了在岩石表面施加有冲击作用之外，其切向分量也对岩石形成剪切破碎作用。由于旋转射流相的切向速度非常高，因而剪切破碎是旋转射流的主要碎岩方式。

1．2．2 冲蚀破碎

旋转射流的轴向速度虽不及常规直圆射流，但其动能仍有相当大一部分通过轴向速度释放，旋转射流冲击区域集中在一个环形区域内。环形区域内的岩石表面同时受到冲击力的作用和横向流的冲蚀作用，岩石的胶结面和层理面等薄弱处首先被冲蚀破坏，而后岩石颗粒裸露被射流冲蚀破坏。

1．2．3 拉伸破碎

旋转射流从喷嘴流出后，除轴向和切向速度外，还具有一定的径向速度，因此射流可沿井底的凸锥面产生一个平行载荷，形成拉应力。岩石抗拉强度只有抗压强度的1/80～1/16，加上岩石表面已经受到射流的剪切和冲蚀破碎作用，从而更容易产生裂纹。裂纹的发展与射流体的连续灌入，使裂纹不断扩张并相互连通，造成宏观的岩石体积破碎。

1．2．4 旋流磨削

由于旋转射流呈喇叭状扩散，射流接触井底后将从来流的外侧仍以一定的速度旋转返回。这一射流运动路径不但可以避免来流与返流产生对流而造成能量损失，同时由于返流中携带有岩屑，因而可以在返出的过程中对井壁进行磨削，使井眼在一定程度上光滑扩大，提高钻孔质量。

2 现场应用情况

2．1 NP32－3646井基本情况

南堡32－3646井是冀东油田南堡3－2平台上一口设计井深5798 m的四开三段制定向井，0～300 m直井段;300～700 m造斜段;700～4515 m稳斜段(井斜29.18°);4515～4572 m 造斜段;4572～5798 m稳斜段(井斜33.20°;全井方位269.22°)。该井的地质设计情况如表1所示，设计的井身结构如表2所示。

表2 NP32－3646井设计井身结构

2．2 旋流喷嘴钻头使用情况

钻井液性能:密度1.35 g/cm3;粘度80 mPa·s;失水量3.6 mL/30 min;泥饼厚度0.5 mm;含砂量0.2%;静切力(10 s/10 min)5.0/8.0 Pa;pH值9.5。

钻井参数:钻压0～2 kN;转速45 r/min;泵压20 MPa;排量 30 L/s。

钻头试验情况:旋流喷嘴钻头的试验井段为3864～4265 m，据现场录井资料，试验段主要为东二段地层;钻头总进尺为401 m，纯钻时间为90.25 h，平均机械钻速为4.45 m/h;其中复合钻进时的机械钻速为4～12 m/h，定向钻进时的机械钻速为1.5～3 m/h;钻头试验后期，因螺杆马达的使用时间＞120 h，且井斜偏大(井斜角为30°，超过设计井斜2°)，因起钻调整钻具组合而终止试验。钻头试验前后照片对比如图2和图3所示。使用后的钻头整体完好，仅有3个复合片存在较为严重磨损，钻头外径磨损0.5 mm。

3 旋流喷嘴钻头使用效果分析

图2 旋流喷嘴钻头试验前照片

图3 旋流喷嘴钻头试验后照片

试验的五刀翼TUS1653RD型旋流喷嘴PDC钻头，主切削齿直径16 mm，肩部设有双重保护切削齿。7个水眼包括3个11 mm的常规水眼和4个18 mm的旋流喷射水眼(可拆换)。试验后钻头有2个肩部切削齿和一颗主动保径齿严重磨损，其他切削齿仍基本完好。其使用效果与其他邻井对比如表3所示。

表3 南堡构造东2～东3段地层215.9 mm钻头使用效果对比

井号钻头型号钻压转速排量泵压钻井液密度粘度使用井段机械钻速/kN/(r·min －1)/(L·min－1)/MPa/(g·cm －3)/(mPa·s)/m/(m·h－1)NP32－3646 TUS1653RD 20 40+马达30 20 1.35 80 3864～4265 4.45 NP3－20 T1655AUG 20 马达 30 18 1.25 48 4003～4363 3.36 NP306X2 T1665B 60 80+马达 30 21 1.35 70 4316～4562 6.64 NP3－81 GP1645D 60 80+马达27 20 1.42 43 4406～4436 1.67

由表3中对比结果可知，旋流喷嘴钻头在低钻压和中低转速、高粘钻井液状态试验参数条件下，仍可获得较大的进尺和较优的机械钻速。主要是通过旋转射流辅助破岩来实现的，这与PDC钻头的切削破岩机理一致，可增强钻头的破岩效率。

旋流喷嘴钻头可通过不同的旋转喷嘴与常规水眼组合，获得更大的钻头与所钻地层之间的漫流速度，以改善清岩效果。尤其是在高粘钻井液条件下，可减小井底岩屑的压持效应，使岩屑顺利返出，从而提高钻井效率。此外，旋流喷嘴配合双重保护切削齿结构的PDC钻头在复合钻进时，既可合理控制切削齿吃入岩石深度从而减小钻头扭矩，又能增加钻头使用寿命。