06 Chapter6 petroleum application.pptx

第1页：第六章标题页

章次

第 6 章

主题

水射流技术在辅助机械钻井中的应用

第2页：第六章内容路线图

1. 井底射流能量的有效利用
2. 超高压射流辅助机械钻井
3. 负压脉冲射流

第3页：研究背景：破岩方法筛选

1980 年代，美国由能源部资助启动了一项大型研究计划，寻找优于常规的破岩或钻井方法。经过多个实验室广泛而长期的研究，对包括激光、等离子、高压水射流、爆炸等在内的 25 种破岩方法进行了试验，结论是高压水射流是最有希望在不久的将来投入应用的一种。

第4页：钻头水力学的三大作用

钻头水力学在旋转钻井中发挥多重作用，射流的有益功能包括：

• 清洗、润滑与冷却钻头切削齿——首要功能；
• 清洗井底并把岩屑携带至环空——1900 年以后；
• 冲击并破碎井底岩石——1950 年以后。

正是前两项功能使旋转钻井成为可能。

第5页：喷射式钻头钻井的发展

• 射流的破岩作用直到 1950 年代初才被普遍认可，当时钻头水力功率被限制在每英寸井底直径 3～5 hp；1950 至 70 年代逐步提高钻头马力以获得更高钻速。
• 中国石油工业的喷射式钻头钻井按泵压水平经历了三个阶段。
• 随着水力参数的改变，钻速显著提高。

第6页：喷射钻井的三个阶段参数表

喷射式钻头钻井特征：下表列出中国喷射钻井三个应用阶段的主要参数。

说明：源表中各行数字粘连严重，表中数值按列顺序（钻速、水力功率、射流速度、流量、压力）推定切分，建议对照原课件图片核对；另据源文，第二阶段钻速比第一阶段高约 60%，第三阶段比第二阶段高约 40%，部分油田正在试验压力达 32 MPa 的喷射钻井。

第7页：井底射流能量有效利用的必要性

• 在喷射式钻头钻井中，提高钻头水力功率的主要措施是增大地面泵的额定参数。
• 但泵压提高不仅会增加泵的初期投资，还会增加运行成本与作业风险。
• 因此有必要提高井底能量的有效利用率。

第8页：井底水力状况的评价因素

在钻头水力学中，有以下关键因素表征钻头周围与井底的流动状况好坏：

• 水力功率、对井底的冲击力
• 井底岩石上的压力与压力梯度
• 横流速度分布
• 影响钻头的其他特殊水力因素

改善其中任何一项都可获得更高的钻速。

第9页：三牙轮钻头的加长喷嘴

问题

从喷嘴出口到井底的喷距相当大。

背景

油井钻井中约 90% 使用的是牙轮钻头。

固定方式

焊接固定；或用卡环／O 形圈固定。

第10页：淹没非自由射流的压力衰减

• 对直径 215.9 mm 的三牙轮钻头，该喷距约为 140 mm，大于 10 d₀。
• 钻头越大，该距离越大。
• 显然，喷距越大，作用在井底的射流压力越小。

第11页：射流中心线压力衰减公式

P_L

射流中心线动压力，MPa

P_o

喷嘴出口处射流动压力，MPa

L

射流喷距，mm

L_I

势流核心长度，mm

L_0.5

压力半衰距离，mm

第12页：最大井底水功率设计准则

• 对 8.5″ 钻头，井底射流压力为喷嘴出口压力的 35%～50%。
• 在上述研究基础上改进了水力马力设计，推导出新的优化设计方法——最大井底水功率设计，即按到达井底表面的真实值而非此前按钻头处的值计算井底最大马力。

第13页：加长喷嘴的使用效果

对 8.5 英寸钻头，在不改变地面泵额定参数的情况下，把喷距 L 由原来的 140 mm 缩短到 40 mm，加长喷嘴可使：

• 井底水功率提高 30%～40%；
• 动压力提高 90%～110%；
• 压力梯度提高 1.5 倍以上。

第14页：加长喷嘴的现场应用效果

在 13 个油田应用加长喷嘴钻头的结果表明，与常规钻头钻井相比：

• 机械钻速提高 30% 以上；
• 钻头进尺提高 40%～50%。

第15页：井底横流优化的意义

除采用加长喷嘴减少射流能量损失外，由于钻头射流属于非自由射流，喷嘴的布置与组合会影响井底动压力梯度与横流的速度分布，这对井底清洗效果同样至关重要。

第16页：喷嘴组合的优化结论

• 不同直径的喷嘴组合优于等直径喷嘴。
• 就喷嘴数量而言，单喷嘴获得的井底压力最大，双喷嘴次之，三喷嘴最差。
• 双喷嘴组合的最优直径比趋于最小。

第17页：喷嘴组合的比例与增产效果

1. 对三喷嘴钻头，最小与最大直径的最优比值为 0.3～0.5。
2. 采用 2 个加长喷嘴加 1 个常规喷嘴时，最优直径比为 0.4～0.7。
3. 采用 2 个加长喷嘴或 2 个加长斜喷嘴的组合，可使机械钻速提高 47%～70%，钻头进尺提高 65%～150%。

第18页：钻井中的空化射流

• 自 1980 年以来，开展了更高效射流用于钻井的研究。
• 自共振空化射流、自激振荡射流与旋流射流均已显示出良好效果。
• 空化射流利用常见于水力元件中的空化冲蚀能力来增强岩石破碎。

第19页：空化射流喷嘴的设计

管风琴式空化喷嘴（OPCN）的近似关系式：

L₁/d₁

= K_n/(M × S_d1)

L₁, d₁

管风琴共振腔的长度与出口直径

M

马赫数

S_d1

临界斯特劳哈尔数

K_n

关于 n、(D_s/D₁)²、(D₁/d₁)² 的函数

第20页：空化射流喷嘴示意图

空化射流喷嘴（配图说明页）。

第21页：空化射流的中心线压力

P_mean

平均压力

P_max

压力波动峰值

P₁

= P_max − P_mean

P₂

= P_max − P_min

第22页：空化喷嘴与常规喷嘴的性能对比

• 实验表明：OPCN 射流的压力波动比锥形射流增大 24%～37%。
• OPCN 射流的岩石冲蚀体积为锥形射流的 2～4 倍。

第23页：空化喷嘴钻头的现场效果

现场试验表明：在泵压与地层条件相同的情况下，采用 OPCN 钻头钻井的机械钻速比常规钻头钻井提高 20%～60%。

第24页：超高压射流辅助钻井的发展

• 早期尝试高压（>100 MPa）钻井时，全部流体都被加压，导致功率需求极高、可靠性问题突出，但钻速确实显著提高（约 1972 年，美国）。
• 1995 年后的改进：大部分泥浆按常规低压完成钻头的常规任务；小部分泥浆以高压在井底切槽，与钻头切削协同破岩。

第25页：低流量超高压射流辅助钻井

近年来已发展出两套超高压（UHP）射流辅助钻井系统：

• 双通道超高压射流辅助钻井（尚未投入现场使用）
• 井下超高压泵系统

第26页：双通道超高压钻井的地面循环

1) 钻井液的地面循环另配：

• 高速离心分离装置
• 超高压泵：P = 34 KSI，Q = 30～40 gpm
• 双通道水龙头

第27页：双通道钻井的井下工具

钻具尺寸

外径 1-3/4″，内径 1-1/4″

适用钻头

7-7/8″、8-1/2″、8-3/4″

钻杆

4-1/2″，滑配合连接

特点

采用加长喷嘴

第28页：井下超高压泵系统

DHP（井下高压泵）

位于钻头上方，由钻井液水力驱动；常规流量在比正常高 10～14 MPa 的地面泵压下泵入。

P_dm

205 MPa

Q_d

22 g/m（约占总液量的 7%）

第29页：井下钻头与喷嘴布置

钻头可采用 PDC 或带加长喷嘴的牙轮取心钻头，使常规射流与高速射流在井底附近相近位置共同作用。

第30页：井下钻具组合

井下钻具连接顺序：转换接头—滤波短节—衰减短节—泵壳—钻头短节—钻头。

第31页：井下泵结构示意图（一）

井下泵结构示意图（配图说明页）。

第32页：井下泵结构示意图（二）

井下泵结构示意图（配图说明页）。

第33页：井下泵的压力输出特性

井下泵的压力输出特性（Flowdril 公司数据）。

第34页：超高压钻井的现场试验效果

• 钻速提高倍数为 1.5～3。
• 渗透性可用 140～170 MPa 的超高压射流切槽，这些切槽能显著改善机械钻速。

第35页：钻速提高倍数的对比

超高压射流辅助钻井的钻速提高倍数为 2～3.5 倍。

第36页：中国的高压水射流破岩研究

2.4 国内高压水射流破岩实验装置与研究（配图说明页）。

第37页：超高压射流破岩实验结论

• 超高压射流切割岩石的实验表明：以最高效率切割时的最优无量纲喷距远大于常规射流，在 200 MPa 压力下约为 32 d₀。
• 当射流以与喷嘴走刀方向成 78.5° 的角度射向岩石表面时，可获得最大的比切割体积。

第38页：超高压钻头研究

超高压钻头研究（配图说明页）。

第39页：超高压钻头的初步现场试验

超高压射流钻头钻井已在文 407 井与胡 129 井开展初步现场试验，试验井段为沙三段 3800～4250 m。结果表明：当射流压力超过 80 MPa 时，与同层位常规钻井相比机械钻速提高一倍。

第40页：负压脉冲射流的基本构想

现场实践与理论研究表明：理想的钻井系统应创造一个低压区以提高钻速。该低压区仅限于井底，用以克服岩屑压持效应；而钻头以上仍保持正常或过平衡条件以控制地层流体。

第41页：负压脉冲射流的背景

石油工业正面临比以往更多的深井钻探，其中机械钻速一般远低于浅井钻井。

第42页：深井钻速降低的三个原因

随钻井深度增加而导致钻速降低的原因有三：

1. 岩石强度普遍增大；
2. 功率损失增加；
3. 作用在待切割岩层以及仍停留原位的岩屑上的过平衡压差增大。

其中最后一项更为突出：一般而言，井越深，过平衡压差越大，钻速越低。

第43页：负压降低岩屑压持效应

因此，降低或使井底压差为负可降低岩石强度、克服岩屑压持效应，从而使机械钻速提高。理论分析还表明：就提高钻速而言，井底负压脉动条件比稳定维持的低压条件更为有效。

第44页：负压脉冲的井下工具与原理

井下钻具连接：转换接头—流量调制器—钻头（Tempress Technologies 公司）。

第45页：负压脉冲的作用机理

作用机理：水击压力。

第46页：压力降计算与脉冲幅值

K_f

流体体积模量

ρ

流体密度

ΔV

射流速度降

在水中，K_f = 2.4 GPa；在 35 MPa 下，压力脉冲幅值约为每 m/s 速度降 1.5 MPa。

第47页：负压脉冲的波形

负压脉冲波形（配图说明页）。

第48页：负压脉冲射流的钻井试验

负压脉冲射流钻井试验（配图说明页）。

第49页：国内调制器试验

3.3 国内研究——调制器实验：针对 8-1/2″ 钻头，由中国石油大学（华东）完成。

第50页：调制器试验结果

负压脉冲幅值

约 6 MPa

频率

20～50 Hz

第51页：钻井模拟实验条件

为模拟井下条件，实验在中国石油大学高压水射流研究中心的微型钻井模拟装置上进行。

第52页：实验装置示意

实验装置（配图说明页）。

第53页：负压脉冲发生器

负压脉冲射流发生器（配图说明页）。

第54页：泵压5兆帕下的压力脉冲序列

泵压 5 MPa 时测得的一组压力脉冲序列样本。

第55页：实验用钻头与岩样

实验钻头

带固定切削齿与喷嘴

岩心样

抗压强度 65 MPa

第56页：实验考察的影响因素

影响钻井条件的因素包括：

• 钻压
• 转速
• 泵压
• 井底压力

第57页：钻速对比实验结果

有无负压脉冲射流的机械钻速对比：环境压力 5 MPa，转速 60 rpm，泵压 8 MPa。

第58页：负压脉冲幅值的影响

负压脉冲幅值对钻速的影响：钻压 3000 N，转速 60 rpm，环境压力 4 MPa。

第59页：环境压力的影响

环境压力的影响：钻压 3000 N，转速 60 rpm，泵压 8 MPa。

第60页：负压脉冲钻井的现场试验

在白 27 井与文 200-100 井沙三段 2000～3400 m 井段的初步试验表明，与同层位邻井常规钻井相比，钻速分别提高 41% 与 58%。

第61页：负压脉冲射流的结论（一）

在钻井中应用负压脉冲射流可使机械钻速显著提高，该结果为负压脉冲射流辅助钻井的有效现场应用提供了保证与良好前景。

第62页：负压脉冲射流的结论（二）

负压脉冲幅值对钻井改善的影响很强，机械钻速近似与负压脉冲幅值成正比。幅值约 4 MPa 的负压脉冲射流即可在安全钻井中取得有效效果。

第63页：负压脉冲射流的结论（三）

在负压脉冲射流辅助钻井中，环境压力对机械钻速的影响小于常规钻井，这正是负压脉冲射流用以减轻岩屑在井底原位受压差压持作用的直接目的。