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1、高压水射流钻完井技术进展及发展思考 王敏生 光新军 中国石化石油工程技术研究院 摘 要： 利用有效的钻完井技术, 缩短建井周期, 提高单井产能, 对于经济高效开发深层油气、致密油气、煤层气等油气资源具有重要意义。高压水射流钻完井技术是利用高能流体进行破岩的前沿技术, 不仅能用于提高钻井机械钻速, 还能用于割缝增产, 国外在高压水射流钻完井技术方面开展了大量尝试性研究工作, 通过不断创新和改进, 已有部分技术实现了商业应用。在总结高压水射流钻完井技术进展的基础上, 分析了商业应用存在的问题, 针对国内高压水射流钻完井技术发展现状, 提出了开展超高压双管连续管水射流钻井技术研究、开展超高压水射流割
2、缝增产技术试验、开发专用的井下喷射和切削系统、深化脉冲水射流技术研究等发展建议。围绕这些关键技术进行攻关研究, 通过室内和现场试验, 尽快形成我国的高压水射流钻完井技术及配套装备。关键词： 高压水射流; 连续管; 机械钻速; 割缝; 作者简介：王敏生 (1973) , 男, 河南信阳人, 博士, 教授级高工, 从事钻井工艺及石油工程战略规划方面的研究工作.E-mail:作者简介：光新军 (1986) , 男, 湖北仙桃人, 工程师, 从事钻井前瞻技术及石油工程战略规划方面的研究工作.E-mail:guangxin-收稿日期：2016-10-17基金：中石化科技攻关项目 (P15163) Hig
3、h-pressure water jet drilling and completion technology and future developmentWANG Minsheng GUANG Xinjun Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering; Abstract： It is very important for economical and efficient development of deep oil and gas, tight oil and gas, coalbed methane using effectiv
4、e drilling and completion techniques to shorten construction cycle and improve single well production.High pressure water jet drilling and completion technology is a kind of advanced technology which can be used to break the rock with high energy fluid.It can be used not only for significantly incre
5、asing drilling ROP, but also for slotting stimulation.A lot of experimental research work has been carried out abroad.Through continuous innovation and improvement, some techniques have achieved the commercial application.The paper introduces the status of high-pressure water jet drilling and comple
6、tion technology, and points out the problems in commercial application.Finally, specific development suggestions are proposed according to domestic high pressure water jet drilling and completion technology, including ultra high pressure water jet drilling technology with double tube, ultra high pre
7、ssure water jet slotting stimulation technology, special downhole jet and cutting system, pulsed water jet technology.In view of the key techniques that are related to high pressure water jet, researches should be carried out through laboratory experiments and filed tests, so as to form our high pre
8、ssure water jet drilling and completion technology and related equipment.Keyword： high-pressure water jet; coiled tubing; ROP (rate of penetration) ; slotting; Received： 2016-10-17据统计, 油气建井过程中, 钻进时间占整个建井时间的 30%以上, 对于深井超深井甚至占到 50%, 其余用于下套管、固井、测井等作业, 通过提高钻井机械钻速, 可以大幅降低建井成本, 提升油气开发效益。高压水射流钻井技术是利用高能流体进行
9、破岩, 能显著提高钻井机械钻速, 日益受到国内外石油公司重视。目前, 国外在 70 MPa 以上高压水射流钻井技术方面开展了大量的研究, 部分技术已实现商业应用, 在研究通过增加水马力提高钻井速度的同时, 也在探索利用 210 MPa 超高压水射流技术在储层中实现割缝增产, 以推动老油田挖潜和实现低渗透储层的经济开发, 减少大型水力压裂带来的安全与环境等问题。国内高压水射流钻完井技术方面开展了大量的室内模拟试验1-6, 在高压水射流破岩机理方面形成了一套理论体系。但是现场应用采用的地面压力相对较低, 中石化中原石油工程有限公司采用钻杆作业进行了地面泵压达 35 MPa 的高压水射流钻井技术现场
10、试验, 在深部硬地层平均钻井机械钻速提高 85%以上;重庆大学与河南平宝煤业有限公司合作, 在煤矿瓦斯防突施工中开展了 25 MPa 高压水射流割缝增透技术现场试验, 在煤层中淹没射流割缝半径能达到 1.52 m。通过与国外公司合作, 采用 105 MPa 径向微小井眼技术在煤层中能钻出直径50.8 mm, 深度达 100 m 的微小分支井眼。本文作者在介绍高压水射流钻完井技术进展的基础上, 分析了高压水射流钻完井技术商业应用存在的问题, 结合我国相关技术现状, 提出了高压水射流钻完井技术的攻关建议, 以期为我国高压水射流钻完井技术的储备提供参考和借鉴。1 高压水射流钻完井技术进展1.1 高压
11、钻柱钻井系统a.高压单管钻柱钻井系统高压单管钻柱钻井系统是对传统钻机升级改造, 提升地面泵、钻杆、水龙头、泥浆管线、钻头等的耐压性, 其原理与地面回转钻井一样。20 世纪 70 年代, 埃尔森公司 (Exxon 公司) 和壳牌公司 (Shell 公司) 采用地面泵压 70124 MPa, 利用高压射流与牙轮钻头联合破岩, 与传统钻机钻井相比, 机械钻速提高23 倍7-10。2005 年, 摩尔工程公司采用 70MPa 地面泵压, 利用高压水射流和 PDC 钻头联合破岩, 相同的地质条件下, 机械钻速提高 1.36 倍11。2011年, 中石化通过升级高压泥浆泵、水龙头、水龙带、高压钻杆等设备,
12、 采用 35 MPa 地面泵压, 排量 4080 L/s, 较常规钻井排量提高了 510 L/s, 配合牙轮钻头, 在中石化西北石油局塔河油田 5 口井中进行了现场试验, 平均机械钻速提高 85%, 取得了显著的提速效果12。b.高压双管钻柱钻井系统高压双管钻柱钻井系统采用双通道钻杆, 直径 114.3 mm 外管内置直径44.45 mm 的合金内管, 钻杆内管接头满足 250 MPa 的密封要求。地面将一部分流体加压至 250 MPa 形成高压后通过内管泵入井底, 高压流体排量 1.92.5 L/s;另一部分流体采用低泵压、高排量 22.5 L/s 通过外管与内管的环空泵入井底。两部分流体从
13、钻头喷嘴喷出后汇合, 从井眼环空返出。为了使高压流体泵入内管, 水龙头需要特殊改造。Flow Dri 公司在美国 Oklahoma (俄克拉何马州) 的一个直径 215 mm 的试验井中采用该系统进行钻井, 转速 60 r/min, 钻压180 k N, 高压水射流压力 170193 MPa, 排量 2.12.3 L/s, 在井深为365520 m 的碳酸盐岩井段, 与传统钻机机械钻速 1030 m/h 相比, 平均机械钻速提高了 70%13-14。1.2 高压连续管钻井系统地面设备将 70105 MPa 高压流体通过单根连续管泵入井下, 驱动泥浆马达旋转, 再由钻头喷嘴高速射出, 利用高压钻
14、井液射流与井下动力钻具的机械联合作用破碎岩石。钻井过程中, 高压水射流首先在井底岩石上喷射切割出层状沟槽, 随后由钻头机械破碎沟槽突出部分的岩石。该系统结构相对简单、可靠性高, 可以钻出直径 165.1 mm 或更小井眼。2005 年摩尔工程公司进行了现场试验, 在试验过程中由于连续管疲劳寿命短、井下马达出现故障等, 导致最终没有在地层进行钻进测试11。1.3 高压磨料喷射钻井系统20 世纪 60 年代末期, Gulf 公司开展了大量的高压磨料喷射钻井技术现场试验, 在钻井液中加入 6%的 20/40 目钢粒, 地面泵压 55105 MPa, 试验结果表明, 在硬地层中机械钻速是传统钻进方式的
15、 420 倍15。该技术没有商业应用的原因包括: (1) 磨料流体严重的腐蚀性使得设备寿命较差; (2) 泵功率要求过高 (2 2057 350 k W) , 当时条件没法满足。美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室目前正在开展高压 (高达 70 MPa) 磨料喷射钻井系统 (ASJ) 研究, 主要应用钻小井眼, 关键技术包括耐磨高压泥浆泵、井下马达、定向工具等。目前, 该技术完成了室内试验, 正在对地面高压泵的性能、井下定向工具以及钻头喷嘴参数进行优化, 并计划采用超临界二氧化碳、水或氮气等流体携带磨料在干热岩主井眼中钻多个微小井眼 (直径小于 101.6 mm) , 长度 30 m, 微小井眼与
16、储层裂缝连通, 提高干热岩热交换效率16-17。1.4 超高压水射流钻井增产一体化系统美国 RAMAX 公司正在研发 210 MPa 超高压水射流钻井增产一体化系统, 如图 1所示。采用超高压泵、连续管、井下切割头和测量工具进行超高压水射流钻井, 完钻后, 通过地面控制井下切割头, 使钻井流道关闭, 开启侧向割缝增产流道, 通过地面加压进行超高压水射流割缝增产作业, 钻井和割缝增产作业可以反复切换, 实现超高压水射流钻井增产一体化, 缩短建井周期, 提高单井产能, 增加油气开发综合效益。该技术能够钻出多个曲率半径 35 m 的短半径水平井, 对储层割缝增产时, 能形成立体横向或纵向面缝, 深度 36 m。目前该公司已经完成井下工具的加工, 正准备购买地面设备后在浅层老油田直井中进行割缝增产试验18-19。图 1 超高压水射流钻井增产一体化系统 Fig.1 Integrated system of
