杨 静，陶瑞东，郭 亮，李贵宾，张克正，肖仰德

（中国石油渤海钻探工程有限公司，天津300280）

旋转射流钻头在南堡32-3646井的应用

杨 静*，陶瑞东，郭 亮，李贵宾，张克正，肖仰德

（中国石油渤海钻探工程有限公司，天津300280）

喷射钻井技术在提高钻井速度方面一直起着非常重要的作用，在此基础上研发的旋转射流钻头在射流喷嘴不旋转的情况下能产生具有三维速度的射流质点,沿螺旋线轨迹运动形成扩散状射流，能有效地剪切、冲蚀、拉伸破碎以及旋流磨削岩石，从而有效提高单只钻头的钻井速度。该技术在冀东油田东营组地层使用结果显示，钻井速度较普通圆射流钻头提高15%以上，对探索冀东油田深层钻井提速具有较好的指导意义。

旋转射流；钻头；冀东油田；钻井提速

石油钻井过程中，钻头优选是提高机械钻速的重要手段之一。实际上，钻头优选提速通常是从钻头型号、刀翼、复合片材质等方面考虑，而很少从井底流场的角度进行研究。国外自20世纪80年代中后期，已相继有了这方面的研究[1-3]。国内20世纪90年代开始，也出现了一些相关的研究[4-5]，但都只是理论的设计和计算，并没有真正应用于现场。冀东油田南堡32-3646井设计井深5798m，深部地层地质资料少，地层硬度高、可钻性差，在优选钻头提速方面不仅考虑了钻井过程中岩屑的破碎、清除、重复切削、钻头磨损等问题，还考虑了喷嘴射流和井底流场，试验了旋转射流钻头，取得了较好效果。

1 旋转射流钻头

1.1 工作原理

所谓旋转射流是指在射流喷嘴不旋转的情况下产生的具有三维速度的射流质点，沿着螺旋线轨迹运动而形成的扩散状射流。旋转射流是靠喷嘴腔内的导向元件，将一维纯轴向来流导引成具有轴向、切向和径向三维速度的流动而形成的。在射流前进的过程中，在离心力的作用下不断向外扩展，形成渐散的外形，以至于形成大的冲击面积。

旋转射流可钻出大于喷嘴面积百倍的规则孔眼，形成的孔底呈规则的内凸锥状，完全不同于圆射流形成的类半球状或锥状。其破岩成孔的过程和孔底形状如图1所示。

图1 旋转射流形成的破碎坑剖面示意图

当具有足够能量的旋转射流冲击作用在岩石上时，首先使射流外壳内部环形面积上速度最高的岩石产生破碎,而射流轴心位置的岩石保持完好(如图1a所示)；随着时间的增加、喷嘴的向前推进，这一破碎的环形面积在逐步向内外扩大，同时破碎坑的深度增加，形成如图1b、1c的形状；直至环形高速射流带附近的射流参与破岩，使初始状态下的破碎形状向前推进，同时向内外扩展，形成了如图1d所示的内凸锥状孔底。此时，整个射流截面的能量与对应岩石破碎强度和面积达到了动态平衡，随着钻头(喷嘴)的不断前进，锥形孔底不断向前推进，最终形成一个孔底为内凸锥状的连续圆形孔眼。

旋转射流破岩面积比普通圆射流大上百倍，破岩门限压力仅为圆射流的60%左右,具有很高的破岩效率，这些特性都是由其独特的破岩机理所决定的。

1.2 旋转射流破岩机理

旋转射流破岩机理不同于普通圆射流,它不单纯以与岩石相垂直的正面冲击压力而产生的密实核及拉伸、水楔作用来破岩,同时还相应地施以平行于被冲击岩石表面的平行载荷,使岩面产生剪切破坏并伴有冲蚀、拉伸破坏等多种形式作用的复杂过程。

剪切破碎。一般岩石的抗剪强度只是其抗压强度的(1/15～1/8),抗拉强度仅有抗压强度的(1/80～1/16)，岩石在剪应力和拉应力的共同作用下很容易破碎。旋转射流冲击在岩石上,除了正向冲击作用外,旋转流体产生的分量在岩石表面产生剪切作用。由于旋转射流具有较高的切向速度，十分有利于岩石的破碎。

冲蚀破碎。旋转射流能量相对集中，岩石在受到很大的冲击力作用时，受到横向流的冲蚀，更容易使岩石颗粒或岩屑迅速离开岩石母体而被流体带出，后续射流能直接冲蚀到新的岩石表面，减少对岩石的重复破碎,提高了破岩效率。

拉伸破碎。旋转射流向孔底冲击时,施加一个平行载荷,产生拉应力,比普通圆射流更容易使岩石产生裂纹。射流流体进入裂纹或者岩石本身所固有的空隙产生水楔作用,使裂纹在张力作用下不断扩展，并逐渐相互连通，造成岩石破碎。

旋流磨削。旋转射流以其独特的流动形式,沿井底凸锥面冲击到井底后,其返回流则从来流的外侧旋转返回。一是避免了射流能量损失,提高了射流能量的有效利用率和破岩效率；二是返回流携带着破碎的岩屑沿孔壁旋转返回,使孔眼更加光滑规则，提高了钻孔的质量。

2 现场应用

2.1 南堡32-3646井基本情况

南堡32-3646井位于河北省唐山市南堡开发区南堡乡东南约15.8km，是部署在南堡油田3号构造堡古2断块构造高部位的一口四开三段制定向井，设计井深5798m。以前在该地区使用的钻头大多采用普通圆射流钻头，为了进一步提高钻井速度，为该区块钻头优选提供技术支持，在南堡32-3646井四开∅215.9mm井眼3864～4265m的稳斜井段，选用TUS1653RD旋转射流钻头，所钻地层岩性为深灰色泥岩、粉砂质泥岩互层，完成进尺401m，纯钻时间90.25h，机械钻速4.45m/h。其中复合钻进钻时5～15min/m，定向钻进钻时20～40min/m。该段井斜29.18°，井眼方位269.22°。

（1）钻具组合。∅215.9mmTUS1653RD钻头× 0.30m+∅172mm1.25°马达×7.83m+∅208mm稳定器× 0.72m+411/410浮阀×0.49m+∅165mm无磁钻铤× 9.15m+∅175mmMWD短节×1.34m+521/410×0.51m+∅127mm加重钻杆×130.84m+∅127mm钻杆× 3364.03m+411/520×1.16m+∅139.7mm钻杆。

（2）钻井液性能（见表1）。

表1 钻井液性能参数表

（3）钻井参数。钻压20～40kN，转速45r/min+马达，泵压20MPa，排量30L/s。

3 对比分析

3.1 钻头磨损情况

由于马达使用寿命到而起钻，起出钻头整体完好，仅有3个复合片磨损严重，外径磨损0.5mm，可再次使用，钻头入井及起出对比图见图2。

3.2 与邻井对比情况

从表2得出，在同地层相近井段，使用旋转射流钻头比普通圆射流钻头机械钻速提高15%以上。

4 结论与建议

（1）使用旋转射流钻头能减少压持效应，充分携带井底岩屑，减少钻头重复破碎岩石，有效提高机械钻速。

图2 钻头入井前与起出照片

表2 钻头对比分析

（2）旋转射流钻头在冀东油田南堡32-3646井试验效果较好，建议在更多井和井段中推广使用，促进整体提速。

[1]谢翠丽,杨爱玲，等.旋转钻头射流方式对井底流场影响的数值剖析[J].石油钻采工艺,2002,24(3):1-4.

[2]Crouse R，chia R.Optimization of PDC Bit Hydraulics by Fluid Simulation.SPE 14 221.

[3]Bission P,Choux J C,Provo A.Hydraulic Optimization of PDC Bits by Visualization Methods.SPE 18 370.

[4]高振果，董杰.PDC钻头井底水力问题的计算机模拟[J].石油钻采工艺，1995,17(6):9-24.

[5]管志川，刘希圣.对股撞击射流流场的数值模拟研究[J].石油学报，1998,19(2):117-121.

TE921

B

1004-5716(2015)01-0075-03

2014-02-26

2014-03-05

冀东油田3号构造深井优快钻井技术应用研究（2013ZD16Y）。

杨静（1983-），女（汉族），重庆人，工程师，现从事钻井技术管理工作。