水力脉冲空化射流钻井技术在河南油田中硬地层中的应用

吕 魁，冯小科，伍虹宇，代友华，张在玉，何义新

（1.中国石化河南石油勘探局工程技术处，河南南阳 473132；2.中国石化河南石油勘探局钻井工程公司）

河南油田泌阳凹陷安棚地区和深凹区中部地层主要以深灰色泥岩、页岩、砾状砂岩、砂砾岩为主，下部主要为坚硬泥岩、页岩、白云质泥岩含砾砂岩互层，地层硬度高，研磨性强，可钻性差，对钻头磨损严重；上部地层含有砾石，钻进过程中蹩跳严重，加不上压，钻头工作不平稳，钻头易先期损坏，影响钻头机械钻速与钻头寿命；而下部地层泥岩胶结致密坚硬，可钻性级别在5～6.5，地层倾角在8°～23°之间，限制了钻压和转速，技术指标明显落后［1－2］。为了有效提高机械钻速，解决该区钻井速度慢的难题，引进了水力脉冲空化射流钻井技术［3－4］。

1 水力脉冲空化射流钻井机理

水力脉冲空化射流发生器［5］主要由本体、弹性挡圈、导流体和自激振荡喷嘴等组成（图1）。导流体改变钻井液方向和速度，叶轮总成为振动腔提供有源脉冲，自激振荡腔有源脉冲信号具有流体声谐共振、信号放大等功能，在流体出口端可产生强烈脉动涡环流。

水力脉冲空化射流发生器安装于钻头上部，将流体的扰动作用和自振空化效应耦合，使进入钻头的常规连续流动调制成振动脉冲流动，钻头喷嘴出口成脉冲空化射流，产生三种效应。水力脉冲可改善井底流场，提高井底净化和清岩效率，减少压持和重复破碎；空化冲蚀可辅助破岩，提高破岩效率；井底瞬时负压脉冲，可保持局部瞬时欠平衡，改变井底岩面应力状态。在相同排量下，空化射流的冲击压力是连续射流滞止压力的8.6～124倍，这可提高井底的净化程度，改善井底附近的岩石受力状况，从而提高钻头破岩效率。

图1 水力脉冲空化射流发生器结构示意图

2 水力脉冲空化射流钻井技术应用

2.1 钻头及钻井参数优选

泌阳凹陷安棚地区和深凹区施工井较多，而且相隔距离较近，均为二开井身结构，井眼尺寸均为φ216 mm，对比性较强，钻井技术也较为成熟。因此，在安棚地区和深凹区开展水力脉冲空化射流钻井技术试验，采用和邻井基本相同的钻头选型及钻进参数进行钻进，并通过对泌阳凹陷安棚地区和深凹区已完钻井的测井资料分析得到了地层可钻性极值。其可钻性级别在5.0～6.5之间。

水力脉冲空化射流技术适应多种型号的钻头［6］，安棚区块中硬地层由于含有砾石，而且夹层多，可钻性差，限制了PDC钻头使用，所以选用牙轮钻头钻进。为了增强对比性，选择HJT517（井段1800～2500 m）、HJT537（井段2500～3200 m）系列钻头配合水力脉冲空化射流技术进行钻进。该技术只有在排量达到一定数值时才产生明显的压力脉冲，实际φ178 mm水力脉冲发生器在排量达到1.78 m3／min左右时，可产生较明显的压力脉冲，压力脉冲幅度随排量的增加而增加，排量为1.92 m3／min左右时，压力脉冲幅度为1.7 MPa。随着钻井泵排量的增加，经过水力脉冲空化射流发生器的流体平均压力增大，压力波动振幅增大［7］，根据钻井设备压力情况选择排量30～36 L／s。

2.2 水力脉冲空化射流发生器结构与钻具组合优选

水力脉冲空化射流发生器越接近井底其作用发挥的越明显。将水力脉冲空化射流发生器与钻头直接连接，试验井井眼尺寸为φ216 mm，水力脉冲空化射流发生器选择外径φ178 mm，最薄处内径为134.9 mm，最大钻压设为400 kN，最大拉力为500 kN，以保证正常施工，因此，选择了双母结构（扣型为430×410）的水力脉冲空化射流发生器。水力脉冲空化射流发生器对钻具结构无特殊要求，由于上述区块井眼易斜，在中部井段选用满眼钻具组合，这样可有效防斜，在下部井段中靶后选用光钻铤钻具组合有利于施工安全。

3 应用效果分析

3.1 应用实例

该技术在泌396井现场应用三次（图2）。在井段2122～2453 m时，钻压160 kN，转速120～100 r／m，排量34 L／s，钻井液密度1.17 g／cm3，粘度52 s；在井段2453～2830 m和2830～3133 m时，钻压180～200 kN，转速80 r／m，排量为34 L／s，钻井液密度1.20 g／cm3，粘度54～60 s，钻头、钻具组合与邻井选择一致。钻具组合为：φ216mm HJT517G钻头＋φ178 mm脉冲接头＋411×410接头＋φ215 mm扶正器＋φ178 mm短钻铤＋φ215 mm扶正器＋φ178 mm无磁＋φ215 mm扶正器＋411×410A接头＋φ165 mm钻铤＋411A×410接头＋φ127 mm钻杆。

泌396井与泌374井选择了相同的钻头及钻具组合，钻压、转速、排量、泵压等参数也基本一致，从图2钻时对比曲线可看出，使用水力脉冲空化射流发生器后，泌396井钻时明显降低，且前期钻时均匀、钻速高，明显优于未使用该技术的B374井，尤其是在井段2200～2600 m，钻时基本在15～25 min／m；井段2122～2453 m处时，进尺为331 m，纯钻时间93.63 h，机械钻速3.54 m／h；井段在2453～2830 m处时，进尺为377 m，纯钻时间113.4 h，机械钻速3.32 m／h；井段2830～3133 m处时，进尺为303 m，纯钻时间110.01 h，机械钻速2.75 m／h。当邻井相比，使用水力脉冲空化射流发生器机械钻速提高了14.89%。

图2 泌396井试验井段与邻井钻时对比情况

3.2 提速效果分析

水力脉冲空化射流技术在河南油田泌阳凹陷安棚和深凹区块四口井（括直井和斜井）中硬地层的不同井段进行了现场应用，取得了明显的提速效果，与同区块未使用水力脉冲工具的井相比，机械钻速提高12.38%～21.3%，而且，水力脉冲空化射流发生器适应多种钻头和钻具组合，对钻井液性能、钻压、转速等参数也无特殊要求。

3.3 工作寿命分析

水力脉冲空化射流发生器内部芯子材质为硬质合金，耐冲蚀能力强，上下都选用API标准的螺纹进行连接。在泌396井试验中，单只水力脉冲空化发生器工作时间341.79小时，4口井平均使用266.77小时，起出后水力脉冲空化射流发器叶轮运转良好且无明显冲蚀现象。因此，水力脉冲空化发生器工作寿命完全可以满足在该区块的钻井需要。

4 结论与认识

研究了水力脉冲空化射流钻井提速机理，加工了4套φ178 mm水力脉冲空化射流发生器，水力脉冲空化射流发生器平均使用266.77小时，使用寿命长，可靠性强，操作简单，工作压降小，能够满足正常钻井要求，而且适应多种钻头和钻具组合，其钻井参数为正常施工参数。在中硬地层现场应用4口井，效果良好，机械钻速提高12.38%～21.3%。

［1］田平.泌阳凹陷深凹区优快钻井技术研究与应用［J］.石油地质与工程，2012，26（2）：84－86.

［2］李继斌，蒲尚树，梁国进，等.泌阳凹陷南部陡坡带优快钻井技术研究与应用［J］.石油地质与工程，2010，24（2）：87－89.

［3］沈忠厚.现代钻井技术发展趋势［J］.石油勘探与开发，2005，32（1）：89－911.

［4］孙宁，苏义脑，李根生.钻井工程技术进展［M］.北京：石油工业出版社，2006：30－50.

［5］马东军，李根生，史怀忠，等.水力脉冲空化射流发生器参数优化试验研究［J］.石油机械，2009，37（12）：9－11.

［6］李根生，史怀忠，沈忠厚，等.水力脉冲空化射流钻井机理与试验［J］.石油勘探与开发，2008，35（2）：239－243.