董 超，譚松成，2，吳 華，李 偉

(1．中石油渤海鉆探第一鉆井公司，天津300280;2．西南石油大學(xué)，四川成都610500;3．大港油田采油工藝研究院鉆井工藝室，天津300280)

隨著淺層油氣資源勘探開發(fā)逐漸進(jìn)入中后期階段，深部資源已成為我國重要的戰(zhàn)略接替能源，深井超深井的數(shù)量逐年增多。隨著井深的加大，井底巖石所處圍壓條件相應(yīng)增大，巖石變得更為致密，抗壓強(qiáng)度等參數(shù)均有明顯提高。同時(shí)，隨著鉆井深度的增加，鉆遇復(fù)雜地層的幾率也更大，因此在深井超深井鉆進(jìn)中常采用相對(duì)較高的鉆井液密度和粘度。鉆井液密度的增加將加大巖石破碎面上的液柱壓力，而粘度的增加也會(huì)增大對(duì)巖屑的壓持效應(yīng)，從而導(dǎo)致深井超深井鉆進(jìn)破巖效率低、機(jī)械鉆速低等問題，嚴(yán)重影響鉆井效率，增加鉆井成本。

自1973年美國Exxon公司連續(xù)高壓水射流輔助破巖實(shí)驗(yàn)以來，水力射流技術(shù)已在鉆井行業(yè)得到長足發(fā)展［1，2］，先后發(fā)展形成了自激振蕩空化射流、脈沖射流和旋轉(zhuǎn)射流等技術(shù)［3］。其中旋轉(zhuǎn)射流破巖機(jī)理與常規(guī)直射流不同，以剪切破碎為主，并輔以沖蝕、拉伸破壞和磨削等多種碎巖形式，從而提高破巖效率［4］。

1 旋流噴嘴鉆頭提速原理

1．1 旋轉(zhuǎn)射流的發(fā)生機(jī)理

旋轉(zhuǎn)射流是指在射流噴嘴不發(fā)生旋轉(zhuǎn)的情況下，產(chǎn)生具有三維速度的射流體，并沿著螺旋線軌跡運(yùn)動(dòng)而形成擴(kuò)散狀射流，是通過安裝在噴嘴腔內(nèi)部的導(dǎo)向葉輪，將一維來流引導(dǎo)成具有軸向、切向和徑向速度的三維流體［5］。如圖1所示為導(dǎo)向葉輪流道的截面形狀，射流產(chǎn)生過程為［6］:具有一定速度的一維流體經(jīng)噴嘴腔流入導(dǎo)向葉輪后，彎曲的導(dǎo)向葉片使得來流只能沿著葉輪的側(cè)面與之平行流動(dòng)，從而在穿過導(dǎo)向葉輪的過程中受到一個(gè)扭曲力的作用;扭曲力使得流體獲得一定旋轉(zhuǎn)角速度和角動(dòng)量距，射流體各質(zhì)點(diǎn)均產(chǎn)生軸向、徑向和切向的三維速度。當(dāng)射流體流出導(dǎo)向葉輪后，受慣性力的影響，射流體仍然具有三維流速的特征;隨后，射流體在經(jīng)過噴嘴腔的錐形收縮段時(shí)，受壓力變化的影響，射流體的軸向和切向速度迅速增大;當(dāng)射流體從噴嘴中射出后，射流體在沿螺旋線旋轉(zhuǎn)前進(jìn)過程中，受離心力作用，流體沿徑向上不斷擴(kuò)散，從而形成一個(gè)喇叭狀的錐形射流體。

圖1 導(dǎo)向葉輪截面形狀示意

1．2 旋轉(zhuǎn)射流的破巖機(jī)理

旋轉(zhuǎn)射流與常規(guī)直圓射流的破巖機(jī)理差別之處在于，旋轉(zhuǎn)射流不再單純通過與巖石進(jìn)行正面沖擊而形成的密實(shí)核、拉伸和水楔作用來破碎巖石，而是通過對(duì)巖石表面施加平行載荷，從而使旋轉(zhuǎn)射流區(qū)域中的巖石表面產(chǎn)生剪切破壞，并同時(shí)伴以一定的沖蝕和拉伸破碎，以及旋流磨削破碎［4］。

1．2．1 剪切破碎

巖石屬于非均質(zhì)材料，通常其抗剪強(qiáng)度只有抗壓強(qiáng)度的1/15～1/8。旋轉(zhuǎn)射流除了在巖石表面施加有沖擊作用之外，其切向分量也對(duì)巖石形成剪切破碎作用。由于旋轉(zhuǎn)射流相的切向速度非常高，因而剪切破碎是旋轉(zhuǎn)射流的主要碎巖方式。

1．2．2 沖蝕破碎

旋轉(zhuǎn)射流的軸向速度雖不及常規(guī)直圓射流，但其動(dòng)能仍有相當(dāng)大一部分通過軸向速度釋放，旋轉(zhuǎn)射流沖擊區(qū)域集中在一個(gè)環(huán)形區(qū)域內(nèi)。環(huán)形區(qū)域內(nèi)的巖石表面同時(shí)受到?jīng)_擊力的作用和橫向流的沖蝕作用，巖石的膠結(jié)面和層理面等薄弱處首先被沖蝕破壞，而后巖石顆粒裸露被射流沖蝕破壞。

1．2．3 拉伸破碎

旋轉(zhuǎn)射流從噴嘴流出后，除軸向和切向速度外，還具有一定的徑向速度，因此射流可沿井底的凸錐面產(chǎn)生一個(gè)平行載荷，形成拉應(yīng)力。巖石抗拉強(qiáng)度只有抗壓強(qiáng)度的1/80～1/16，加上巖石表面已經(jīng)受到射流的剪切和沖蝕破碎作用，從而更容易產(chǎn)生裂紋。裂紋的發(fā)展與射流體的連續(xù)灌入，使裂紋不斷擴(kuò)張并相互連通，造成宏觀的巖石體積破碎。

1．2．4 旋流磨削

由于旋轉(zhuǎn)射流呈喇叭狀擴(kuò)散，射流接觸井底后將從來流的外側(cè)仍以一定的速度旋轉(zhuǎn)返回。這一射流運(yùn)動(dòng)路徑不但可以避免來流與返流產(chǎn)生對(duì)流而造成能量損失，同時(shí)由于返流中攜帶有巖屑，因而可以在返出的過程中對(duì)井壁進(jìn)行磨削，使井眼在一定程度上光滑擴(kuò)大，提高鉆孔質(zhì)量。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

2．1 NP32－3646井基本情況

南堡32－3646井是冀東油田南堡3－2平臺(tái)上一口設(shè)計(jì)井深5798 m的四開三段制定向井，0～300 m直井段;300～700 m造斜段;700～4515 m穩(wěn)斜段(井斜29.18°);4515～4572 m 造斜段;4572～5798 m穩(wěn)斜段(井斜33.20°;全井方位269.22°)。該井的地質(zhì)設(shè)計(jì)情況如表1所示，設(shè)計(jì)的井身結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 NP32－3646井設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)

2．2 旋流噴嘴鉆頭使用情況

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

鉆井參數(shù):鉆壓0～2 kN;轉(zhuǎn)速45 r/min;泵壓20 MPa;排量 30 L/s。

鉆頭試驗(yàn)情況:旋流噴嘴鉆頭的試驗(yàn)井段為3864～4265 m，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)錄井資料，試驗(yàn)段主要為東二段地層;鉆頭總進(jìn)尺為401 m，純鉆時(shí)間為90.25 h，平均機(jī)械鉆速為4.45 m/h;其中復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)的機(jī)械鉆速為4～12 m/h，定向鉆進(jìn)時(shí)的機(jī)械鉆速為1.5～3 m/h;鉆頭試驗(yàn)后期，因螺桿馬達(dá)的使用時(shí)間＞120 h，且井斜偏大(井斜角為30°，超過設(shè)計(jì)井斜2°)，因起鉆調(diào)整鉆具組合而終止試驗(yàn)。鉆頭試驗(yàn)前后照片對(duì)比如圖2和圖3所示。使用后的鉆頭整體完好，僅有3個(gè)復(fù)合片存在較為嚴(yán)重磨損，鉆頭外徑磨損0.5 mm。

3 旋流噴嘴鉆頭使用效果分析

圖2 旋流噴嘴鉆頭試驗(yàn)前照片

圖3 旋流噴嘴鉆頭試驗(yàn)后照片

試驗(yàn)的五刀翼TUS1653RD型旋流噴嘴PDC鉆頭，主切削齒直徑16 mm，肩部設(shè)有雙重保護(hù)切削齒。7個(gè)水眼包括3個(gè)11 mm的常規(guī)水眼和4個(gè)18 mm的旋流噴射水眼(可拆換)。試驗(yàn)后鉆頭有2個(gè)肩部切削齒和一顆主動(dòng)保徑齒嚴(yán)重磨損，其他切削齒仍基本完好。其使用效果與其他鄰井對(duì)比如表3所示。

表3 南堡構(gòu)造東2～東3段地層215.9 mm鉆頭使用效果對(duì)比

表3 南堡構(gòu)造東2～東3段地層215.9 mm鉆頭使用效果對(duì)比

井號(hào) 鉆頭型號(hào) 鉆壓 轉(zhuǎn)速 排量 泵壓 鉆井液密度 粘度 使用井段 機(jī)械鉆速/kN/(r·min －1)/(L·min－1)/MPa/(g·cm －3)/(mPa·s)/m/(m·h－1)NP32－3646 TUS1653RD 20 40+馬達(dá)30 20 1.35 80 3864～4265 4.45 NP3－20 T1655AUG 20 馬達(dá) 30 18 1.25 48 4003～4363 3.36 NP306X2 T1665B 60 80+馬達(dá) 30 21 1.35 70 4316～4562 6.64 NP3－81 GP1645D 60 80+馬達(dá)27 20 1.42 43 4406～4436 1.67

由表3中對(duì)比結(jié)果可知，旋流噴嘴鉆頭在低鉆壓和中低轉(zhuǎn)速、高粘鉆井液狀態(tài)試驗(yàn)參數(shù)條件下，仍可獲得較大的進(jìn)尺和較優(yōu)的機(jī)械鉆速。主要是通過旋轉(zhuǎn)射流輔助破巖來實(shí)現(xiàn)的，這與PDC鉆頭的切削破巖機(jī)理一致，可增強(qiáng)鉆頭的破巖效率。

旋流噴嘴鉆頭可通過不同的旋轉(zhuǎn)噴嘴與常規(guī)水眼組合，獲得更大的鉆頭與所鉆地層之間的漫流速度，以改善清巖效果。尤其是在高粘鉆井液條件下，可減小井底巖屑的壓持效應(yīng)，使巖屑順利返出，從而提高鉆井效率。此外，旋流噴嘴配合雙重保護(hù)切削齒結(jié)構(gòu)的PDC鉆頭在復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)，既可合理控制切削齒吃入巖石深度從而減小鉆頭扭矩，又能增加鉆頭使用壽命。

4 結(jié)論

試驗(yàn)旋流噴嘴鉆頭在低壓、中高轉(zhuǎn)速和高粘鉆井液條件下，進(jìn)尺401 m，平均機(jī)械鉆速4.45 m/h，可滿足現(xiàn)場(chǎng)鉆井要求，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

(1)旋轉(zhuǎn)射流主要通過剪切、沖蝕和拉伸破碎來實(shí)現(xiàn)輔助破巖，其破巖機(jī)理與PDC鉆頭類似，可增強(qiáng)鉆頭的破巖效率。

(2)旋流噴嘴的高速射流具有切向、軸向和徑向三維速度，可較好地改善井底清巖效果，提高鉆井效率，在高粘鉆井液鉆進(jìn)中效果尤為明顯。

(3)旋流噴嘴配合雙重保護(hù)切削齒結(jié)構(gòu)PDC鉆頭，可合理控制切削齒吃入巖石的深度，減小鉆頭扭矩，使鉆進(jìn)更為平穩(wěn)，有效防止主切削齒發(fā)生非正常斷裂破損，增加鉆頭使用壽命。

［1］ 李根生，沈忠厚．高壓水射流理論及其在石油工程中應(yīng)用研究進(jìn)展［J］．石油勘探與開發(fā)，2005，32(1):96 －99．

［2］ 李根生，沈忠厚，徐依吉，等．超高壓射流輔助鉆井技術(shù)研究進(jìn)展［J］．石油鉆探技術(shù)，2005，33(5):20 －23．

［3］ 艾飛．旋流PDC鉆頭井底流場(chǎng)研究［D］．山東東營:中國石油大學(xué)(華東)碩士學(xué)位論文，2007．

［4］ 王瑞和，周衛(wèi)東，沈忠厚，等．旋轉(zhuǎn)射流破巖鉆孔機(jī)理研究［J］．中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，1999，9(Z1):5 －9，104．

［5］ 王瑞和，沈忠厚．高壓水射流破巖鉆孔的實(shí)驗(yàn)研究［J］．石油鉆采工藝，1995，17(1):20 －25．

［6］ 步玉環(huán)，王瑞和．旋轉(zhuǎn)射流流線分析及旋流強(qiáng)度的計(jì)算［J］．石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1998，22(5):45 －47．