超高壓噴射鉆井技術應用探討

黑龍江 周長虹 張曉慧

超高壓噴射鉆井技術應用探討

黑龍江 周長虹 張曉慧

超高壓噴射鉆井技術是一種機械破巖和水力破巖復合的過程，更注重發揮水力破巖的鉆井過程。相對普通噴射鉆井技術，能有效提高鉆頭進尺和機械鉆速。超高壓是在普通噴射鉆井技術基礎上，通過進一步提升射流的水力作用，提高鉆井效率。隨著鉆井設備、工具和工藝技術的改進，循環系統產生和承受壓力能力的增強，為進一步發揮水力破巖效果提供了保證。結合噴射鉆井應用狀況，通過地面泵升壓和井下增壓泵等方式，對提高噴射鉆井技術的應用具有較大的促進作用。

超高壓；噴射鉆井；水力破巖；機械鉆速

噴射鉆井技術作為一種新型鉆井技術，相對與普通鉆井技術，無論在提高鉆頭進尺和機械鉆速等方面，都取得了突破性的發展。由于鉆頭進尺和機械鉆速指標的提高，也使鉆井的非生產時間相對縮短，提高了鉆井的速度，減少了事故，降低了成本，也使噴射鉆井技術得到了廣泛的應用。為更有效提高鉆井效率，生產現場廣泛進行井下研究、試驗超高壓噴射鉆井技術。這種鉆井技術能更進一步提高機械鉆速，增加鉆頭進尺，發揮水力破巖作用是影響超高壓噴射鉆井的關鍵。處理好水力破巖和機械破巖效果的結合，也是制約超高壓噴射鉆井技術進一步發展的因素。鉆井生產實踐和研究表明，射流噴速越高，鉆速也隨之增大，鉆頭進尺也增多。到目前為止,尚未找到噴射速度對提高鉆速的極限值。如何能夠獲取更大射流噴射速度和沖擊力，是影響噴射鉆井技術發展和應用的瓶頸。

一、超高壓噴射鉆井技術應用所需的條件

獲得高效的鉆井水力參數是影響噴射鉆井的主要條件。獲得超高壓是影響和制約當前噴射鉆井技術發展和應用的關鍵因素，下面就超高壓噴射鉆井條件進行闡述。

1.先進的噴射鉆頭。鉆頭是破巖的工具，也是射流水力特性形成的關鍵。要結合地層巖性、鉆井深度、鉆井性能、鉆具結構等因素，合理選擇噴射鉆頭噴嘴的類型，確保形成的射流對井底水力沖擊作用效果。

2.優質的鉆井液。選用的鉆井液要充分考慮地層造漿性、巖性特點、鉆具組合等因素。鉆井液要具有良好的流動性，形成的射流產生的沖擊力要有利于井底破巖和凈化。

3.穩定的井眼結構。井壁要規整、井徑要規范，形成的泥餅要致密，鉆具上行、下放不受阻卡。鉆井液在環行空間流態保持良好，循環阻力小。

4.鉆井泵形成的泵壓足夠大。地面機泵性能良好，確保鉆井液在高壓狀況下，循環產生足夠的推力，滿足對地層巖性的破碎。

5.密閉良好的循環系統。鉆井液循環的路線要能承受高液流的作用，確保不刺、不漏，滿足高壓液流循環的需要。

6.設置井下增壓泵。為有效提升鉆頭處形成高壓液流，降低和減緩地面機泵和循環管路承壓和密封的要求，在鉆頭附近加設增壓泵，在鉆頭處形成高速水力射流的效果。

二、超高壓噴射鉆井技術研究現狀

超高壓噴射鉆井作為一種高效的鉆井技術，在普通噴射鉆井技術的基礎上，國內外都進行了大量的研究、探索和應用試驗。這種技術對提高鉆井速度、縮短建井周期、降低鉆井成本、提升鉆井效益效果明顯。對設備、工具、鉆具和鉆井液性能的要求也很嚴格。

1.國外超高壓噴射鉆井技術研究狀況

超高壓噴射鉆井技術起端與國外，對這項技術的研究經歷了三個階段:第一階段是改善機泵性能，全排量增壓,因地面循環系統設備經受不住長時間超壓運轉而終止；第二階段是地面局部排量增壓，通過兩套機泵組,井下采用內外雙管實現增壓的目的。但因承受高壓內管密封可靠性和安全性問題難以保證而終止；第三階段是井下局部排量增壓,采用常規機泵組和循環部件,只在鉆頭上方安裝增壓器,確保進入鉆頭噴嘴的射流具有很大的水力特性，并且增壓器已進入工業性試驗階段。

2.國內超高壓噴射鉆井技術研究狀況

國內噴射鉆井技術研究始于上世紀60年代，這種技術研究經歷了淹沒非自由射流特性和噴嘴結構系統的研究試驗,獲得了噴嘴水力學特性有關數據,建立了各種噴嘴剖面曲線方程；研制噴射式鉆頭、耐高壓大功率鉆井泵、固控裝備、低固相不分散鉆井液體系,改造了高壓循環系統。

3.我國超高壓噴射鉆井技術取得的主要成果

我國對超高壓噴射鉆井技術研究試驗在借鑒國外技術研究和應用的情況，也經過三個發展階段。第一階段泵壓為10～12MPa；第二階段泵壓為14～15MPa；第三階段泵壓為18～20MPa。對應這幾個階段，從設備、技術的研究和應用也同步進行。

（1）地面泵增壓。通過改善鉆井泵及配套設施的方式，提高泵壓。目前我國地面泵最高泵壓已達到40MPa，機械鉆速提高1～2倍。地面泵增壓對提高噴射鉆井技術的應用，效果十分明顯,但因循環過程，整個系統都要承受很高的循環壓力。對鉆井泵、配套設備、管匯以及井下鉆柱的密封性能提出了很高的要求。鉆井長期、連續作業，對各機部件的安全性是極大的考驗,加之制造設備和工具投資成本大，易損件更換頻繁，影響鉆井時效等問題,嚴重制約了這種方式的推廣和應用。

（2）井下泵增壓。在靠近鉆頭處，加裝增壓泵，通過井下泵給進入鉆頭噴嘴的液流加壓。這種方式既降低了對地面機泵、管匯對設備和部件要求，又能確保鉆頭噴嘴獲得足夠的液流水力特性。由石油天然氣總公司勘探開發研究院承擔的井下增壓泵的研究、試驗,無論在成本的預測,增壓理論,增壓方式串、并聯,大、小噴嘴參數優選,動密封技術,鉆頭水動力特性研究、試驗等都取得了可喜的成果,井下增壓泵輸出壓力達到150MPa。相信這種方式應用到應用階段，一定會顯著的提高鉆頭進尺和機械鉆速，降低鉆井成本，促進噴射鉆井技術的成熟。

三、超高壓噴射鉆井技術的應用

超高壓噴射鉆井（150～200MPa）理論研究和現場試驗都取得了一定的突破，但也存在著全面推廣的難度和問題。主要表現在增壓泵超高壓密封、使用壽命、材料質量等難以滿足需要，而且制造成本大、研究開發周期長、短時間內不能盡快應用服務于鉆井現場生產等。結合鉆井速度、成本和技術等綜合因素，目前應用30～50MPa井下增壓泵是可行的,符合各項指標的需求。這種技術開發、研究具有的特點。

1.技術成熟，研發周期短，效益好。鉆井生產現場研究、應用試驗表明，目前獲得了井下增壓泵工藝成熟的技術,而且井下增壓泵增壓到30～50MPa壓力,無論是設備和工具及噴射效果都比較穩定。只要將工藝技術進一步定型，就能投入到生產實際應用。

2.設備工藝、制造容易實現，成本低。無論是設備材質的選用、加工，還是工藝技術實現30～50MPa的增壓很容易。材料及零部件成本低,且增壓泵承壓相對較低，工作時間長,利于井下作業的使用。

3.機械鉆速快、鉆頭進尺大。近鉆頭增壓即解決了射流破巖效率，又避免了其他復雜情況的發生。可以提高深井作業破巖效率低，事故頻發的現象。通過增壓泵，能充分發揮水力射流破巖效率，鉆頭進尺和機械鉆速得到有效提高。

超高壓噴射鉆井技術是噴射鉆井技術的延伸，在原來的基礎上通過提高射流的水力作用，使鉆頭的進尺和機械鉆速顯著增加。同時采用適當的措施，避免和杜絕由于設備制造、密封和使用周期等問題的限制，使超高壓噴射鉆井在生產現場井下推廣應用成為可能。

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（編輯 王旸）

（作者單位：大慶技師學院）