第6讲超高压钻井技术

第六讲

超高压射流钻井技术

Super-highPressureWaterJetDrillingTechnology

主要内容一、水射流基本分类二、水射流技术应用范围三、水射流基本参数四、淹没射流结构参数五、水射流动力学特性六、超高压射流钻井技术七、高压射流钻径向水平井技术八、高压射流深穿透射孔技术一、水射流分类高压水射流种类很多，分类方法也多种多样，常用的以下几种：1、按驱动压力压力等级压力范围(Mpa)泵类型低压0.5~20离心泵,柱塞泵中压20~70柱塞泵,增压器高压70~140柱塞泵,增压器超高压140~400增压器,水炮2、按射流介质

牛顿流体:水,空气；非牛顿流体:聚合物(CMC,PAM),泥浆。3、按环境介质淹没射流:在水中或其他液体中喷射；非淹没射流:

水在空气中喷射。4、按射流水力学特性稳定射流:

各断面流力特性不随时间变化，仅随位置变化；不稳定射流:

各断面流力特性不仅随时间变化，且随位置变化。5、按固壁条件

自由射流:

无固壁限制；

非自由射流:

有固壁约束。6、按施载方式

连续射流:开始峰值，后稳低；

冲击射流:短时峰值；

混合射流：二者之间。7、按介质相

单相射流：水，PAM+Water；

多相射流：Gas-Liquid,Solid-Liquid.二、水射流的应用范围(Applications)主要五个方面:1.工业切割;2.挖掘,开采,钻探;3.岩石切割掘进;4.表面清洗，除垢;5.材料破碎。十多工业部门：煤炭石油矿业炼油化工电力交通铁道船舶冶金机械轻工土木建筑民用军工航天核工医疗医学三.射流基本参数流体参数

射流压力喷嘴直径喷嘴型式射流功率流速流量流体性质射流反冲力磨料参数

磨料类型磨料流量磨料粒度混合管直径工况参数

进给速度靶距（喷距）流道数入射角切深或切宽切割体积比能靶件参数

靶件强度靶件硬度靶件孔隙度靶件渗透率四、淹没射流的结构特性初始段：轴心速度保持初始速度，Um=U0基本段：轴心速度小于初始速度，Um<U0等速核：各点速度等于初始速度的区域，Ui=U0内边界：射流速度保持初始速度的界限，Ux边=U0外边界：速度等于零的边界，Ux边=0

混合区：内外边界之间的区域。极点：射流外边界延伸线的交点，虚拟射流源。五、水射流动力学性质1、基本方程式（1）伯努利方程其中，P--压力，V--速度。（2）连续方程

2、射流速度V=C(2P/)1/2（1-7）其中，V--射流速度，m/s；C

--

流速系数；P--射流压力，MPa；ρ--射流介质密度，g/cm33、射流流量Q=VA=(d2/4)V(1-8)其中，Q--

射流流量，cm3/s；V--射流速度，cm/s；A--喷嘴出口截面积，cm2；d--喷嘴出口直径，cm.4、喷嘴直径当P--MPa,Q--cm3/s,ρ--g/cm3时，喷嘴直径为：此时喷嘴直径d单位为cm。5、射流水功率W=PQ(1-11)其中，W--射流水功率，w；Q

--

射流流量，cm3/s；P--射流压力，MPa。6、射流冲击力F=102Q2/A

(1-12)其中，F--射流冲击力，KN；

Q--

射流流量，cm3/s；

ρ--射流介质密度，g/cm3；

A--喷嘴出口截面积，cm2。7、射流反推力T=0.0445Q

P1/2(1-13)其中，T--射流反推力，N；Q

--

射流流量，cm3/s；P--射流压力，MPa。8、管路压力损失

ΔP=71.24Q2/D5R1/4(1-14)

其中，ΔP--管路压力损失，MPa/m；Q

--

射流流量，cm3/s；D--管路内径，mm；R--雷诺数，R=21115(Q/D)。

管路压力损失与流量平方成正比，与管路内径5次方成反比。六、超高压射流钻井技术一、地面全增压钻井二、超高压双管柱钻井三、井下增压器钻井1、地面全增压钻井70年代初美国开始进行了高压水射流技术用于深井钻井的可行性研究，在地面利用增压器将泥浆泵压力提高至69-103MPa，在5口井深3000米左右的深井中进行钻井试验，机械钻速提高2-3倍，在德克萨斯州进行工业试验时，他们发现当喷嘴压降为69-138MPa时，在中等强度岩石中的机械钻速为21-85m/h，而一般牙轮钻头机械钻速仅为9-25m/h，当喷嘴压降为104MPa时，连续性射流可以冲击破碎70-80%所钻岩石。由于这种技术要求整个泥浆循环系统增压，尽管可以获得较高的机械钻速，但不能在工业上实现，因为当时的泥浆泵、水龙头、钻往、钻头喷嘴均不能可靠地、经济地在高压情况下使用，此外循环系统压力增大也会使作业出现难以想象的危险。2、超高压双管柱钻井

80年代末，美国Flowdrill公司开发出一种采用双通道钻柱，将超高压液体和常规泥浆同时输送到钻头的新方法。该系统对钻机所用的水龙头、方钻杆、防喷阀、钻杆、钻铤、稳定器、接头及钻头都进行了改进，以使高压液和常规钻井液分别通过各自通道输送到井底，它以1.9-2.5l/s的排量输送超高压泥浆或水，使经过改进的三牙轮钻头上的工作压力为230Mpa，而常规低压的泥浆流只起井眼稳定和清岩作用。八十年代末该公司开始在德克萨斯州和俄克拉荷马州进行了22口井工业性试验，试验结果表明机械钻速比常规钻井方法的机械钻速提高2.2-3.1倍。工作方式：1、部分洗井液（1/10左右）超高压流体进入钻具的中心管，通过钻头上的专用高压喷嘴，以极高的速度冲击井底地层，领先于钻头牙齿先切出一沟槽；2、钻头上的牙齿随后对井底已有自由面的岩石进行破碎，可大大提高破岩效率；3、大部分洗井液通过钻具的内环空流入钻头，到达井底，起到清岩、携岩等目的。3、超高压射流全面钻进

用水射流钻井装置

如右图所示，水射流钻井装置是完全靠水射流冲击破碎岩石。它可用于多种类型的井眼（如直井、斜井和水平井），还可用于取芯，对固结和非固结地层都可大大提高钻速。水射流钻井容易控制井眼方向，减少井眼漂移。4、井下增压器钻井1993年，美国FlowDril公司开始研究井下超高压射流钻井。用井下增压器将1/7∼1/10的泥浆增压至240MPa辅助切割，经5口井现场试验，机械钻速是普通钻井的1.1∼3.5倍。井下液体增压器井下液体增压器是1993年美国的FlowDrill公司和美国天然气研究联合研制的。它实质上是一种往复增压器型超高压泵。增压器安装在钻头的上方，其尺寸与普通钻铤的尺寸相近。

使用时钻井液以常规的流量和比常规泵压高10--14MPa的压力泵入钻柱，流向增压器。增压器把大约7%--15%的流体增压到207Mpa以上，然后把这部分流体通过钻头内的单独流道输出到钻头的一个加长喷嘴，射向井底，从而辅助钻井。我国1994年开始立项研制井下增压器，我校承担了理论设计部分，目前已完成了室内单元实验，并进行设备的加工。

增压器的基本设计参数：地面输出泵压150MPa井下输出压力150--200MPa

七、高压水射流钻径向水平井研究新型高效旋转射流，使用特殊设计的造斜器和旋转射流钻头，在老油井中对应生产层位置钻出多个超短半径（0.3米）的径向水平井网，使老井更新、死井复活，有效地开发稠油藏、薄油藏，大幅度提高原油采收率。1、水射流破岩全面钻进技术水射流破岩钻大连续孔眼必须具备三个基本条件：一是形成的孔眼要有足够大的面积；二是形成的孔眼必须具有规则的形状；三是具有较高的破岩效率和钻进速度。常规的圆射流不具备这些功能，因此设计利用旋转射流。2、旋转射流的速度分布a--无因次喷距x/d=1b--无因次喷距x/d=3旋转射流的速度分布明显不同于普通圆射流。它不存在等速核，其上任一点都具有三维速度，即除具有轴向速度（U）外，还具有切向速度（W）和径向速度（V），而且轴向和切向的最大速度都不在射流中心，亦即是存在一个速度最大的环行带。3、旋转射流的速度衰减规律旋转射流的速度衰减比普通圆射流快得多，其最大轴向速度和最大切向速度与无因次喷距的关系可用下列两式来表示：

4、旋转射流破岩钻孔特点旋转射流可以钻出大于喷嘴面积百倍的规则孔眼。并比普通圆射流的破岩效率高得多。旋转射流破岩形成的孔底成规则的内凸锥状，完全与圆射流形成的类半球状或锥状不同。其破岩成孔的过程和孔底形状如左图。5、旋转射流井底流场分布上图为平井底物理模型。下图为凸锥状井底模型。数值模拟结果表明：旋转射流的高速区集中在离开射流中心一定距离的一个圆环区域内，其中心部位为低速低压区；旋转射流冲击到井底后，一部分沿环空返回，而另一部分则被来流卷吸，形成很强的涡旋；高速区绕凸锥面螺旋前进，孔底部分正好占据了射流底速低压区的区间。6、旋转射流破岩机理分析旋转射流破岩机理不同于普通圆射流。它不单纯以冲击、拉伸、水楔作用破岩，而是以剪切破坏为主，并伴有冲蚀、拉伸破坏等多种形式。1、剪切破碎利用岩石抗剪、抗拉强度低的特点，依靠旋转射流切向速度对岩石产生剪切破碎，从而大大提高破岩效率。2、冲蚀破碎在垂直冲击力和横向流的联合作用下，圆环面积内岩石颗粒的胶结物或层理等弱面首先被冲蚀而脱离母体，射流对圆锥面的冲蚀作用使岩石颗粒迅速离开母体，减少了重复破碎，提高了破岩效率。3、拉伸破碎旋转射流冲击井底的同