高压喷射钻井技术及其应用

高压喷射钻井技术及其应用

赵文峰,宋存贵,韩姜帅

中石化中原石油工程有限公司钻井二公司 河南濮阳 457001

摘要：高压喷射钻井是实现钻井提速的有效手段。塔里木盆地作为中国石油工业的战略替代区，钻井提速的需求十分迫切。针对塔里木盆地高压喷射钻井先导试验中存在的问题，采用环空流场数值模拟方法，分析了钻井液排量、流变性财产等参数对水力能量的影响，优化了钻井设备配置，制定了钻井参数优化方案，并在三口井中进行了现场测试。试验表明，采用推荐的优化高压喷射钻井参数施工对钻井速度有非常显著的影响，建议推广应用于塔河地区。

关键词：高压喷射钻井；钻井参数优化；环空流场模拟；钻井提速

引言：

自1978年以来，中国一直在推广高压喷射钻井技术的应用，这已被证明是提高钻井速度、缩短钻井周期和显著提高经济效益的有效手段。由于塔里木盆地储层深、钻井周期长，迫切需要加快和提高钻井效率。自2009年以来，35MPa高压注入钻井技术在塔里木盆地进行了中试，并在现场应用了两口井，与常规工艺相比，显著缩短了钻井周期。本文在前人研究成果的基础上，对高压注入钻井技术进行了进一步研究，并于2011年在TH12153、TP140和TP146X井进行了现场应用。现场试验表明，推荐的优化高压喷射钻井参数对钻井速度有显著影响。
1 存在问题
1） 上层地层屏障。塔河地区上部地层包括库车、康村和吉迪克组，岩性主要为砂岩和泥岩夹层。在钻探过程中，砂岩组产生假厚泥饼，泥岩组容易水合物和收缩，康村组和吉迪克组的泥岩中含有分散的石膏，非常容易蠕变和收缩。在快速钻进条件下，环形岩屑的体积分数较高，钻具在启动和下钻过程中容易发生卡钻。为了避免钻具卡钻的发生，钻井过程中需要频繁的短启动和对井壁的拉动，这严重影响了钻井生产时间。

2） 钻进较低地层时水力能量不足，难以充分发挥射流钻进的优势。从研究中可以看出，随着井深的增加，受钻具组合、钻井液性能、钻井设备等条件的限制，循环压力消耗迅速增加，钻头所能获得的水力破断能较低，因此，有必要进一步研究提高水能利用效率的方法。

3） 钻井液固控设备不能满足高压喷射钻井的要求。在高速钻井条件下，环形岩屑的体积分数较大，对固控设备的处理能力要求较高。中试期间，振动筛跑浆和漏浆现象非常严重，所配备的高速离心机无法处理大排量条件下的钻井液。
2 参数优化
为了提高水力能量利用率，本文通过对环形流场的数值模拟，分析了钻井液流量和流变性对环形流场分布的影响，为水力参数的优化提供了理论依据。
2.1 水力参数
环空流场分布主要受钻井液排量、密度和流变参数的影响，其中钻井液排量和流变参数是主要影响因素。现场使用的钻井液可以被视为幂律流体，K和n的值可以在现场确定。塔河地区高压喷射钻井常用的两种开口钻具组合为：准311.2mm钻头+准228.6mm钻铤+准127mm钻杆。研究了Q=45~75L/s，ρ=1.0~1.3g/cm3，K=（0.1，1.4，2.6）Pa sn，n=（0.5，0.6，0.7）范围内的钻井液，以确定不同条件下的循环流型，基于计算的环空雷诺数是否大于2000。井口中心被用作坐标零点，环空侧的横截面，如钻铤处的横截面被选择为坐标（-155.6 mm，-114.3 mm）。

当ρ=1.124 g/cm3，K=0.14 Pa sn，n=0.58时，环空内的流型在45 L/s的位移范围内为湍流。利用CFD软件FLUENT进行了数值模拟，得到了不同位移条件下钻铤和钻杆处的循环速度分布曲线。可以看出，随着位移的增加，环空速度显著增加，这有利于岩石的承载。因此，建议在机泵允许的条件下，增加位移以确保岩屑的有效输送，以缓解塔河地区泥岩地层水化造成的堵塞问题。

当ρ=1.124 g/cm3，Q=65 L/s，n=0.58时，K从0.1增加到1.4，环空内的流型从湍流变为层流；当K从1.4增加到2.6时，流型保持层流，环空中流场的大小略有不同，而回流速度分布曲线的形状保持不变。在层流状态下，钻井液的流速分布不均匀，环空上部的轴向回流速度较高，而在两侧壁附近较低。针对塔河地区地层中泥岩多、钻井过程中易卡涩、起下钻困难等问题，通过控制钻井液粘度，保持环空湍流，可以有效缓解或解决这些问题。

当ρ=1.124 g/cm3，Q=65 L/s，K=0.14 Pa sn时，钻铤和钻杆处环空内的流型为湍流。从研究中可以看出，n值对钻铤处的环空速度剖面几乎没有影响，除了在中心和两个壁附近略有差异外，这表明幂律流体的剪切稀释特性对湍流状态下的环空回流速度影响较小，对钻杆的影响略大。

在高压喷射钻井中，通过增加钻井液排量，适当调整流变财产，保持低粘度和高剪切稀释度，可以提高岩屑的输送速度，改善井壁冲刷效果，缓解塔河地区的堵塞问题。使用高转速（180 r/min）和适当的钻孔压力（120～180 kN）可以达到很好的提高速度和效率的效果。

2.2喷嘴组合
钻头压降与喷嘴大小密切相关，其大小直接关系到钻头水力大小。如果喷嘴尺寸太大，则钻头压降低，并且钻头水力也低；如果喷嘴尺寸太小，则钻头压降太大，难以启动泵：因此，合适的钻头压降对高压喷射钻井试验的成败具有重要意义。为了提高钻头压降，降低环空压力消耗，在保持总泵压恒定的情况下利用钻头的水力，基于不同钻具和喷嘴组合的井底水力能量理论方程进行了优化研究。

3 装备配套及方案制定
3.1 装备配套
自2009年中原油田启动35MPa高压注入钻井技术中试以来，对泥浆泵、高压管道、可控硅电驱动控制系统等设备进行了升级改造，配备了2台F2200-HL高压泥浆泵和1台F1600泥浆泵，可提供充足的水力能量。这些配套设备为35MPa高压注入钻井技术中试的实施提供了保障。

在中试过程中，中上部地层的高排放量和高机械钻井速度导致了超细颗粒（最小粒径小于20μm），而现有的固控设备无法及时处理钻井液中的超细颗粒，这将极大地影响钻井速度。因此，将现有振动筛的筛网从120目增加到140目，并及时清理振动筛和砂泥机上的超细颗粒，防止筛网被细颗粒堵塞，更换了两台处理能力更高的离心机，有效提高了固控设备的处理能力。
3.2 方案制定
在上述研究的基础上，为进一步提高高压喷射钻井的速度和效率，制定了西部地区高压喷射钻井推荐的水力参数。

结语

数值模拟和现场实践表明，在高压注入钻井时，通过增加钻井液排量和适当调整流变财产，保持低粘度和高剪切稀释度，可以提高岩屑的输送速度，改善井壁冲刷效果，而高转速和适当的钻孔压力可以实现良好的速度和效率提高。其次，采用推荐的测试参数和设备，在TH12153、TP140和TP146X井进行了高压注入钻井现场测试，速度和效率明显提高。与相邻井的同一段相比，机械钻井速度可以显著提高，建议在塔河地区应用。

参考文献：

[1]U型井钻井技术发展与应用,穆瑞东 ; 任玮玮 ; 潘博升 ; 王琦 ; 张莹辉,清洗世界,2023-01-31.

[2]川东南页岩气井岩溶浅表层安全高效钻井技术,曹华庆 ; 燕建成 ; 龙志平石油钻探技术,2023-01-18.