径向水平井多孔组合射流破岩孔眼直径计算方法研究

舒小平

（中石化海洋石油工程有限公司上海钻井分公司，上海 201206）

径向水平井多孔组合射流破岩孔眼直径计算方法研究

舒小平

（中石化海洋石油工程有限公司上海钻井分公司，上海 201206）

多孔组合射流水力钻头是径向水平井径向钻进所用的一种水力钻头形式，其通过互不干涉的多个水眼射流在岩石上形成多个小破碎坑的连通，形成供其本身和后续软管通过的水平孔眼。目前，多通过地面实验方法对多孔组合射流水力钻头的径向钻进能力进行评价。通过对孔眼形态的分析，以单个周向孔眼倾斜射流的切槽宽度为基础，建立了一套多孔组合射流水力钻头破岩孔眼直径的计算方法。

多孔组合射流；水力破岩；孔眼直径

径向水平井多孔组合射流水力钻头中心和周向水眼射流在破碎岩石产生小破碎坑的连通，形成直径较大的孔眼，以供其本身和后续软管通过进行径向钻进[1-3]。周向水眼的空间形态对水平孔眼的形成和大小有很大影响。目前，多通过实验手段对不同周向水眼扩散角和扭转角的多孔组合射流水力钻头钻进能力进行摸索式的评价和研究，缺乏一定的理论指导。通过对多孔组合射流水力钻头破岩的孔眼形态进行分析，建立了一套孔眼直径的计算方法，能够为多孔组合射流水力钻头的设计提供指导。

1 多孔组合射流水力钻头布孔方式

图1所示为径向水平井多孔组合射流水力钻头示意图。其正向喷孔布局方式一般为钻头中轴线上布一个与轴线平行的小孔，距离轴线一定半径的圆周上（本文称为“定位圆”）均匀分布多个与中轴线呈一定夹角（本文称为“扩展角”）的小孔；在前喷孔“扩展角”的基础上，将前喷孔轴线沿钻头周向再“扭转”一定角度（本文称为“扭转角”），故形成的射流既有径向速度，又有周向速度。

图1 径向水平井多孔组合射流水力钻头示意图

2 孔眼形态分析

随着多孔组合射流水力钻头的前进，相邻切槽发生干涉。单股周向射流相当于与冲击平面成一定角度的倾斜射流，倾斜角度与扩散角和扭转角有关。根据水射流破岩理论，倾斜射流在岩石表面形成非圆的破碎坑，按顺时针方向，某一切槽的右缘与其相邻切槽的左缘相交于一点。该点所在圆即代表多孔组合射流水力钻头形成的有效孔眼，其与原点的距离即为有效孔眼的半径。周向射流与中心射流在有效孔眼范围形成交互破岩区域，各个射流产生的破碎坑在此区域内连通，形成连续孔眼。

3 计算方法

3.1 周向水眼中心线空间形态分析

图2为周向水眼中心线的空间形态。由图可知，通过扩散角ω和扭转角φ的空间转动变换，周向水眼中心线与冲击平面π形成夹角θ，其在冲击平面π的投影与ZOY平面形成夹角α。OcD与冲击平面π垂直，其长度为喷距h。因为BC与CD共面且相互垂直，所以BC垂直于平面ZOY，平面OcBC垂直于平面ZOY。

图2 周向水眼中心线空间形态示意图

则有：

又可得：

则有：

3.2 周向水眼射流切槽干涉分析

且有：

图3 相邻切槽干涉示意图

其中，d为单股周向射流的切槽宽度。

左、右缘方程为：

第i个切槽的左缘线绕原点顺时针旋转θ=360°/n（n为周向水眼个数）后为第i+1个切槽的左缘线，其方程为：

其中，β为第i+1个切槽的左缘线mi+1与X轴的夹角：

mi和mi+1到原点的距离相等，则有：

由（6）可得：

联立（3）、（4）和（7）可得第i个切槽右缘与第i+1个切槽左缘线的交点A的坐标，如（8）所示，其与原点的距离即为有效孔眼的半径：

4 实验对比分析

图4为实验用高压釜、喷嘴和冲击试件。高压釜额定围压30MPa，制备两种试件：①空气砖，抗压强度6.4MPa；②水泥石，抗压强度20.7MPa。

图4 实验设备、喷嘴和冲击试件

表1为多孔组合射流水力钻头破岩孔眼直径计算值与实测值对比。由表可知，计算值小于实测值，最大误差为8.5%，计算方法能够较为准确地计算孔眼直径。在多孔组合射流水力钻头的破岩成孔过程中，随着其进入孔眼，在孔眼内部形成增压。同时，相邻周向射流对于有效孔眼范围内的岩石不会出现重复破碎的情况，而计算方法中未考虑这一点，所以孔眼直径计算值小于实测值。该计算方法以实验得到的切槽宽度为基础进行计算，预测孔眼直径能力较弱。将来应进行倾斜射流的破岩，形成倾斜角度、岩石强度、射流压力与切槽宽度的关系“数据库”，结合该计算方法，理论上能够对多孔组合射流水力钻头的钻进能力进行“事前”评价，以指导其水眼空间形态的设计，减少地面实验的工作量。

表1 孔眼直径计算值与实测值对比

5 结论和建议

1） 单股周向水眼射流为与冲击平面成一定夹角的倾斜射流，切槽宽度与水眼直径、扩展角、扭转角、岩石强度和射流压力有关。

2） 本文提出的计算方法能够较为准确地对多孔组合射流水力钻头破岩形成的孔眼直径进行预测，但其准确性主要依赖于周向水眼射流切槽宽度的确定。在后续研究工作中应开展在不同水眼直径、岩石强度和射流压力条件下，倾斜射流切槽宽度变化规律的研究，以期为今后多孔组合射流水力钻头破岩孔眼直径的预测提供准确参考。

[1] Dickinson W，Dykstra H，Nordlund R.Coiled ubing radials placed by rater jet drilling[J].SPE Paper，1993，（26348）.

[2] Kolle J，Theimer K，Theimer A，et al.Coiled tubing jet drilling with a downhole intensif i er[J].SPE，2008，113725：1-2.

[3] 周卫东，师伟，李罗鹏.径向水平钻孔技术研究进展[J].石油矿场机械，2012，41（4）：1-6.

Study on Calculation Method of Hole Diameter of Perforated Rock in Radial Horizontal Well

Shu Xiao-ping

The porous combined jet hydraulic drill is a kind of hydraulic drill used in the radial horizontal drilling of radial horizontal well.It forms the connection of several small crushing pits on the rock by the multiple water-eye jets that do not interfere with each other.Its own and subsequent hose through the horizontal hole.At present，the radial drilling ability of the porous combined jet hydraulic drill bit is evaluated by the ground experiment method.Based on the analysis of the shape of the hole，the calculation method of the hole diameter of the perforated hydraulic drill bit is established based on the grooving width of the single circumferential hole inclined jet.

porous combination jet；hydraulic breaking rock；hole diameter

TE921.1

：B

：1003–6490（2017）04–0133–02

2017–04–02

舒小平（1972—），男，上海人，工程师，主要从事石油勘探工作。