高压射流钻进工艺试验

张 才

（中国煤炭地质总局，北京 100038）

0 引言

高压水射流技术是近几十年发展起来的一项用途较为广泛的高新技术，被广泛应用于轻工、机械、建筑、军工、采矿和石油开采等多个领域［1］。近20 年来，高压水射流技术逐渐在钻井领域被应用。高压水射流钻进技术具有操作简便易控制、效率高、成本低和适应地层能力比较强等优点，再加上水射流施工过程中使用清水或低固相钻井液，在环境保护方面有极大的优越性［2］。

高压射流钻进是利用井下钻头喷嘴等工具形成较为稳定的高压射流，通过高压射流作用，配合钻头将井底岩石破碎，并将岩屑带离井底的钻井方法［3］。由于射流钻进的特性是钻头喷嘴压力高，水头切割力大，通常情况下比较适宜坚硬稳定地层，目前在非常规油气、深层油气和海洋油气深井钻井施工时经常采用该工艺［4］。由于施工过程中泵压较大（不低于35MPa），对钻井液管线和钻柱耐压强度要求较高，在煤炭行业浅井钻井施工时采用此工艺的比较少。

为实现矿山灾害救援地面生命保障孔快速、精准钻进，提高钻效，根据高压射流钻进的特性，重点研究在黏土、砾石等松散覆盖层等复杂地质条件下如何实现快速钻进的目的［5］。依托冀中能源九龙煤矿紧急避险系统钻孔施工项目，对高压射流钻进工艺进行了试验，通过试验对比，此施工工艺较原施工工艺能提高钻进效率35%，且孔底干净，为后续下套管施工提供了便利条件。

1 试验区地层及钻进难点

1.1 试验区地层

冀中能源九龙煤矿紧急避险系统钻孔施工项目，预计深度约为720.00m，新生界松散层厚度约180m，基岩段地层约540m［6-7］。本次试验主要在一开井段，试验深度约200m，主要地层为新生界新近系和第四系，钻进三叠系基岩20m 完钻。主要钻遇地层由老至新依次为中三叠统流泉组，厚度106～225m，平均厚200m，为一套黄色和灰黄色厚层状中粒砂岩，局部具斜层理，中间夹薄层不稳定紫绿色细砂岩和一层绿色页岩，底部为2～3m 的黄绿、紫绿色纸片状泥岩；新近系，厚度0～190m，平均120m，角度不整合于三叠系之上，岩性以疏松的黄色、白色中粗粒泥岩或细砂岩，红黏土和灰黄绿色粉质黏土等组成；第四系，全层厚0～60m，不整合接触于下覆各地层之上，由黄色、灰黄色、黄色黏土和黄土组成，黄土中偶夹有石灰质结核及微小砾石［6］。

1.2 钻进难点

施工过程中，会遇到第四纪淤泥土、风化带、残破积土、砂砾石（含漂砾）层等不稳定地层，其厚度大小不均［3］。覆盖层厚度及地质复杂程度给钻探施工带来非常多的困难，严重制约孔内安全和钻进效率。

在松散覆盖层、砾石层实现快速钻进，关键是钻井工艺的选择［8］。松散覆盖层、砾石层硬度相对较小，且地层中土体含量较大，常用的钻井方式钻进时受地层、钻井液性能、泵排量等多种因素的影响，破碎后的岩屑无法及时彻底带离孔底，容易产生泥包、塌孔、堵塞水眼的状况。高压射流钻进技术借助其高速射流的水力能量迅速破坏土体结构，同时冲刷钻头，而射流钻进中钻头喷嘴高速射出的高压钻井液，能有效的净化孔底环境，避免岩屑在孔底的重复破碎，起到有效保护钻头作用［3］，避免发生事故，达到在松散覆盖层、砾石层中钻进提高钻井效率的目的。

2 试验参数及设备选择

2.1 试验孔段井身结构

本次试验在一开井段，采用Ф420mm 钻头钻进至200.00m（具体深度以钻穿顶部冲积层入基岩10～20m 为准），下入Ф339.7mm×9.65mm 石油套管，连接方式采用丝扣连接。

2.2 钻头设计及参数选择

2.2.1 钻头要求

为了提高钻进过程中井下水力能量，增加其破岩能力，提高钻进速度和净化井底环境，在射流钻头设计时重点考虑射流钻头喷嘴的结构和水力特征、喷嘴的数量和分布形式以及射流水力能量。一般来说，岩石强度越低，孔隙度越大，渗透性越好，在水力作用下更加容易产生开裂，从而发生破碎崩离［9-10］。

2.2.2 三翼刮刀喷射钻头设计

对不同岩石特性，结合水射流速度，研究改进适合不同地层条件下的射流钻头，以利于提高钻进效率。喷嘴数量与直径的确定与选择，采用以下公式。

式中：d为喷嘴直径，mm；p为喷射压力，0.1MPa；q为喷射流量，L/min；n为喷嘴数量；η为喷嘴效率系数，取1.05～1.10，无量纲［11］。

根据射流钻进钻头优化原理，设计了一种钻井用的刮刀喷射钻头（图1），本钻头主要有接头体和翼板组成，接头体下端有堵头焊接封死，接头体下部周向分布有三个喷嘴通道及喷嘴，每个喷嘴通道中轴线与接头体中轴线成30°，接头体上端设置有螺纹，可以与钻杆连接；翼板有三块，周向焊接在接头体下端，每块下端分布有4～5个截齿，截齿分布线与接头体中轴线呈60°，截齿不是均匀分布在翼板上，三块翼板共14 个截齿相互交错分布，覆盖钻头中心线到最远端。翼板上端有轴向包围的保护套，直径略小于最外端截齿到钻头中心线的距离。喷嘴与翼板交叉分布，喷嘴中喷出的钻井液可冲刷截齿及被截齿破坏的地层［12-13］。

图1 喷射刮刀钻头Figure 1 Jetting scraper drill bit

本钻头适用于浅软土层、覆盖层等地层，钻井工程开始下入表层套管之前需使用大直径钻头进行开孔，钻机驱动钻头切削地层，截齿相互交错分布，可无死角切削地层；同时高压钻井液从喷嘴中喷出冲击地层，使地层被破坏，便于截齿切削，并且可冲刷截齿；保护套可起到扶正器的作用，也可起到防止大块地层卡到翼板中间的作用。

2.3 钻进参数匹配优化设计

影响射流钻进机械钻速的主要因素有钻遇地层的岩性、深度，地层压力，钻头类型、钻压、转速、钻井液性能等。

1）水力参数优化设计。水力参数的设计，主要考虑克服压持效应对射流的影响，通过增大射流喷速和流量来解决，通常用井底单位面积上的平均水功率（称为比水功率）来研究水力因素对钻速的影响规律。井底比水功率越大，破岩能力越好，携岩程度越高，钻进效率越显著。钻头水功率经验公式：

式中：P为钻头水功率，kW；Δp为钻头喷嘴压降，MPa；Q为排量，L/s［6］。

首先确定最小排量。通常使用的经验公式为：

式中：Qa为最小排量，l/s；dh为钻井直径，cm；dp为钻杆外径，cm；va为最低环空返速，m/s。

其次计算循环压降系数。泥浆泵是高压喷射钻井的核心地面设备，应根据钻具组合情况及井身结构选择合理的泥浆泵，计算出不同井深时的循环系统压降，以此确定泥浆泵的泵压［12］。

式中：Δp为总压降，MPa；Δp钻头为钻头消耗压降，MPa；Δp钻杆为钻杆沿程损失压降，MPa；Δp管汇为地面泥浆管汇损失压降，MPa。

根据井深、泵排量，最后确定喷嘴组合，本次试验采用Φ12、Φ10、Φ8 和Φ6mm4 种直径喷嘴，以研究喷嘴尺寸和数量对钻头水功率的影响。

2）钻头、钻压及转速等钻进参数优化。为了提高破岩的效果，在水力参数优化设计的基础上，结合地层物性参数，对钻压、转速等钻进参数进行优化设计。松散覆盖层、砾石层采用刮刀钻头，对上部地层考虑到地层可钻性较好，为提高机械破岩效果保证井身质量，采用高转速（60～100r/min）、低钻压（20～50kN）钻进工艺；在中下部岩石相对完整地层，提高牙齿的入岩能力，采用高钻压（80～140kN）钻进工艺；对于含砾地层，为保护钻头，采用低转速（40～60r/min）钻进工艺；在泥岩地层钻进时采用高转速、低钻压钻进。

3）钻井液性能优化。通过试验证明，在高压射流钻进时尽量使用低密度、低固相钻井液体系，调节好钻井液的流变性能（尤其是剪切稀释特性），控制黏切在设计下限［14-15］。控制相对较高的瞬时失水和较低的累积失水，同时要充分发挥包被剂对岩屑等劣质固相的包被作用。。为确保钻井液的清洁程度，要充分发挥地面固控设备的作用，最大程度地清除钻井液固相含量，振动筛筛布不低于140目，除砂除泥一体机、离心机的开启效率不低于80%，为高压射流钻进创造有利条件［14］。

2.4 配套设备选择

为满足多种工艺方法的钻进需要，本次试验采用的钻机为美国雪姆T200XD钻机，该钻机为多功能全液压动力头钻机，最大提升能力90.72t，下压能力14.54t。为了满足高压射流钻进对泥浆泵排量、泵压要求，选用QF-1000 型泥浆泵，最大排量43.2L/S，最大压力35MPa。配备耐压能力不低于35MPa的水龙带、水龙头及高压管汇。高压喷射钻进钻速增加，射流冲击力使得产生的钻屑粒径较小，钻井液中固相含量急剧增加，必须提高振动筛和除泥器的处理能力，及时清理振动筛及除泥器上的超细颗粒，有效提高固控设备的处理能力，振动筛筛布规格120～140目。钻具选用Φ178mm钻铤和Φ127mm钻杆。

3 试验过程及存在问题处置

3.1 试验过程

2020年12月23日，进行了高压射流钻进技术现场试验。本次试验重点研究在相同排量下，不同喷嘴尺寸配置对泵压和机械钻速的影响，以及不同排量下对相应参数的影响，以利于在钻进过程中钻井参数的优化配置。钻具配置采用动力头+变径接头+Φ127mm 外平钻杆+变径接头+Φ178mm 钻铤+变径接头+Φ420mm喷射刮刀钻头，依次试验Φ12、Φ10、Φ 8和Φ6mm尺寸的喷嘴对机械钻速的影响，记录试验泵压、泵量、钻进深度及用时，具体试验数据见表1。

在试验过程中发现：用3 个Φ12mm 喷嘴，喷嘴直径较大，泵压不高喷射效果不显著，与常规钻头钻进效果相当；将两个Φ12mm 喷嘴更换为Φ10mm的喷嘴，喷射效果及平均机械钻速均有所提高，使用Φ8mm 的喷嘴后，泵压及平均机械钻速与常规钻井相比均提高1.5 倍以上；使用Φ6mm 的喷嘴后，泵压及平均机械钻速与常规钻井相比均提高2 倍以上；使用同种规格喷嘴的情况下，提高泵的排量，泵压降低，平均机械钻速提高不显著。

随井深增加，使用三翼钻头进尺速度明显变慢，后换成四翼复合片钻头钻进，继续采用不同喷嘴型号和泵量做对比研究，总进尺200m，平均机械钻速37.58m/h，比普通钻进方式提高钻效近一倍。

3.2 存在问题处置

1）自制三翼喷射喷射刮刀钻头适宜黄土层钻进，遇见较大卵石时，出现跳钻现象，进尺速度减缓。

2）使用Φ6mm 喷嘴时，随井深增加，压力逐渐变大，出现憋钻现象，通过变换大直径喷嘴，消除憋钻现象。

3）因施工井径较大，喷射钻进时，进尺速度较快，岩粉排出困难，井底净化不彻底，通过反复划眼保证孔底干净，一定程度上影响钻进效率。

4 结语

1）影响射流钻进速度的主要有水射流速度、喷嘴直径和喷嘴距离。钻井速度随水射流速度增加而增加，随喷嘴直径减小而变大，随喷嘴间距的增大，呈减小的趋势，但射流面积有所增加。可见影响射流钻进效率的因素中，钻头喷嘴直径和位置对钻效有较大影响。

2）提高钻头水功率是实现射流钻进的主要条件。依据水力参数优选的目标，主要对泥浆泵的功率、排量、泵压、钻井液性能及钻头喷嘴直径（数量）等水力参数优化设计，使钻头得到更大的压力降和水功率，以达到提高钻井喷射效率和机械钻速的目的。

3）喷嘴尺寸过大或数量过多，钻头压降和钻头水功率也较低；喷嘴尺寸太小或数量过少，钻头压降过大，容易出现憋泵或跳钻的现象。因此，喷嘴尺寸和数量的优选，对实现高压喷射钻进具有重要意义。