徑向水平井多孔組合射流破巖孔眼直徑計算方法研究

舒小平

（中石化海洋石油工程有限公司上海鉆井分公司，上海 201206）

徑向水平井多孔組合射流破巖孔眼直徑計算方法研究

舒小平

（中石化海洋石油工程有限公司上海鉆井分公司，上海 201206）

多孔組合射流水力鉆頭是徑向水平井徑向鉆進所用的一種水力鉆頭形式，其通過互不干涉的多個水眼射流在巖石上形成多個小破碎坑的連通，形成供其本身和后續軟管通過的水平孔眼。目前，多通過地面實驗方法對多孔組合射流水力鉆頭的徑向鉆進能力進行評價。通過對孔眼形態的分析，以單個周向孔眼傾斜射流的切槽寬度為基礎，建立了一套多孔組合射流水力鉆頭破巖孔眼直徑的計算方法。

多孔組合射流；水力破巖；孔眼直徑

徑向水平井多孔組合射流水力鉆頭中心和周向水眼射流在破碎巖石產生小破碎坑的連通，形成直徑較大的孔眼，以供其本身和后續軟管通過進行徑向鉆進[1-3]。周向水眼的空間形態對水平孔眼的形成和大小有很大影響。目前，多通過實驗手段對不同周向水眼擴散角和扭轉角的多孔組合射流水力鉆頭鉆進能力進行摸索式的評價和研究，缺乏一定的理論指導。通過對多孔組合射流水力鉆頭破巖的孔眼形態進行分析，建立了一套孔眼直徑的計算方法，能夠為多孔組合射流水力鉆頭的設計提供指導。

1 多孔組合射流水力鉆頭布孔方式

圖1所示為徑向水平井多孔組合射流水力鉆頭示意圖。其正向噴孔布局方式一般為鉆頭中軸線上布一個與軸線平行的小孔，距離軸線一定半徑的圓周上（本文稱為“定位圓”）均勻分布多個與中軸線呈一定夾角（本文稱為“擴展角”）的小孔；在前噴孔“擴展角”的基礎上，將前噴孔軸線沿鉆頭周向再“扭轉”一定角度（本文稱為“扭轉角”），故形成的射流既有徑向速度，又有周向速度。

圖1 徑向水平井多孔組合射流水力鉆頭示意圖

2 孔眼形態分析

隨著多孔組合射流水力鉆頭的前進，相鄰切槽發生干涉。單股周向射流相當于與沖擊平面成一定角度的傾斜射流，傾斜角度與擴散角和扭轉角有關。根據水射流破巖理論，傾斜射流在巖石表面形成非圓的破碎坑，按順時針方向，某一切槽的右緣與其相鄰切槽的左緣相交于一點。該點所在圓即代表多孔組合射流水力鉆頭形成的有效孔眼，其與原點的距離即為有效孔眼的半徑。周向射流與中心射流在有效孔眼范圍形成交互破巖區域，各個射流產生的破碎坑在此區域內連通，形成連續孔眼。

3 計算方法

3.1 周向水眼中心線空間形態分析

圖2為周向水眼中心線的空間形態。由圖可知，通過擴散角ω和扭轉角φ的空間轉動變換，周向水眼中心線與沖擊平面π形成夾角θ，其在沖擊平面π的投影與ZOY平面形成夾角α。OcD與沖擊平面π垂直，其長度為噴距h。因為BC與CD共面且相互垂直，所以BC垂直于平面ZOY，平面OcBC垂直于平面ZOY。

圖2 周向水眼中心線空間形態示意圖

則有：

又可得：

則有：

3.2 周向水眼射流切槽干涉分析

且有：

圖3 相鄰切槽干涉示意圖

其中，d為單股周向射流的切槽寬度。

左、右緣方程為：

第i個切槽的左緣線繞原點順時針旋轉θ=360°/n（n為周向水眼個數）后為第i+1個切槽的左緣線，其方程為：

其中，β為第i+1個切槽的左緣線mi+1與X軸的夾角：

mi和mi+1到原點的距離相等，則有：

由（6）可得：

聯立（3）、（4）和（7）可得第i個切槽右緣與第i+1個切槽左緣線的交點A的坐標，如（8）所示，其與原點的距離即為有效孔眼的半徑：

4 實驗對比分析

圖4為實驗用高壓釜、噴嘴和沖擊試件。高壓釜額定圍壓30MPa，制備兩種試件：①空氣磚，抗壓強度6.4MPa；②水泥石，抗壓強度20.7MPa。

圖4 實驗設備、噴嘴和沖擊試件

表1為多孔組合射流水力鉆頭破巖孔眼直徑計算值與實測值對比。由表可知，計算值小于實測值，最大誤差為8.5%，計算方法能夠較為準確地計算孔眼直徑。在多孔組合射流水力鉆頭的破巖成孔過程中，隨著其進入孔眼，在孔眼內部形成增壓。同時，相鄰周向射流對于有效孔眼范圍內的巖石不會出現重復破碎的情況，而計算方法中未考慮這一點，所以孔眼直徑計算值小于實測值。該計算方法以實驗得到的切槽寬度為基礎進行計算，預測孔眼直徑能力較弱。將來應進行傾斜射流的破巖，形成傾斜角度、巖石強度、射流壓力與切槽寬度的關系“數據庫”，結合該計算方法，理論上能夠對多孔組合射流水力鉆頭的鉆進能力進行“事前”評價，以指導其水眼空間形態的設計，減少地面實驗的工作量。

表1 孔眼直徑計算值與實測值對比

5 結論和建議

1） 單股周向水眼射流為與沖擊平面成一定夾角的傾斜射流，切槽寬度與水眼直徑、擴展角、扭轉角、巖石強度和射流壓力有關。

2） 本文提出的計算方法能夠較為準確地對多孔組合射流水力鉆頭破巖形成的孔眼直徑進行預測，但其準確性主要依賴于周向水眼射流切槽寬度的確定。在后續研究工作中應開展在不同水眼直徑、巖石強度和射流壓力條件下，傾斜射流切槽寬度變化規律的研究，以期為今后多孔組合射流水力鉆頭破巖孔眼直徑的預測提供準確參考。

[1] Dickinson W，Dykstra H，Nordlund R.Coiled ubing radials placed by rater jet drilling[J].SPE Paper，1993，（26348）.

[2] Kolle J，Theimer K，Theimer A，et al.Coiled tubing jet drilling with a downhole intensif i er[J].SPE，2008，113725：1-2.

[3] 周衛東，師偉，李羅鵬.徑向水平鉆孔技術研究進展[J].石油礦場機械，2012，41（4）：1-6.

Study on Calculation Method of Hole Diameter of Perforated Rock in Radial Horizontal Well

Shu Xiao-ping

The porous combined jet hydraulic drill is a kind of hydraulic drill used in the radial horizontal drilling of radial horizontal well.It forms the connection of several small crushing pits on the rock by the multiple water-eye jets that do not interfere with each other.Its own and subsequent hose through the horizontal hole.At present，the radial drilling ability of the porous combined jet hydraulic drill bit is evaluated by the ground experiment method.Based on the analysis of the shape of the hole，the calculation method of the hole diameter of the perforated hydraulic drill bit is established based on the grooving width of the single circumferential hole inclined jet.

porous combination jet；hydraulic breaking rock；hole diameter

TE921.1

：B

：1003–6490（2017）04–0133–02

2017–04–02

舒小平（1972—），男，上海人，工程師，主要從事石油勘探工作。