0 引言
常规钻井作业井底水力能量利用率较低，水力辅助破岩和清岩能力下降，导致井底岩屑不能及时清理而造成岩屑的重复破碎，甚至形成钻头泥包，这是造成钻井速度降低的重要原因。如何合理有效地利用井底的水力能量并提高机械钻速一直都是石油钻井领域重要的研究课题[1-5]。
水力脉冲射流钻井技术利用特定钻井工具，将流经钻具的连续射流调制为脉冲射流，从而改变井底流场和井底压力场，改善井底岩石及岩屑的受力状态，提高井底岩石的破碎效率和井底岩屑的清洗效率。机械能量与水力脉冲能量的有效结合可以最大限度地提高机械钻速[6-9]。在综合分析前人的研究理论及试验方法的基础上，笔者研制了JSXMC型井底脉冲式不对称流场钻井工具。该工具在现场应用中取得了良好的钻井提速效果。
1 技术分析 1.1 结构JSXMC型井底脉冲式不对称流场钻井工具主要由工具本体、动力机构、动力传输机构和脉冲发生机构组成，其结构如图 1所示。工具本体为一双母套筒。动力机构由导流板、动力螺旋桨和定位螺母组成，导流板上焊接固定系统，防止脉冲压力上返时推动导流板上移。动力传输机构由传动轴、轴承座和轴承密封系统组成，轴承座固定轴承并承受流体的冲击压力。脉冲发生机构位于钻头腔体内，由与传动轴连接的上盘阀和焊接在钻头腔体内的下盘阀组成，上盘阀周向分布一定数量的圆孔，作为流体流道，下盘阀也分布有一定数量的圆孔，下盘阀上的圆孔与钻头水眼相连。
|
| 图 1 JSXMC型井底脉冲式不对称流场钻井工具结构示意图 Fig.1 Structure of JSXMC downhole drilling tool with pulsed asymmetrical flow field 1—双母套筒；2—固定圈；3—连接杆；4—导流板；5—动力螺旋桨；6—锁紧螺母；7—隔套；8—轴承座；9—推力轴承；10—轴承盖；11—钻头接头；12—传动轴；13—上盘阀；14—下盘阀；15—钻头本体；16—刀翼；17—下定位套；18—下密封套；19—油封；20—上密封套；21—上定位套 |
1.2 工作原理
导流板位于整个装置的顶部，在导流板上开有一定数量的斜导流孔。钻井液流经导流板后流向改变并产生蓄能作用，对导流板下方的动力螺旋桨产生较大的冲击作用，使动力螺旋桨产生周期性的旋转，因传动轴与动力螺旋桨通过锁紧螺母固定在一起，所以其与动力螺旋桨同步旋转。传动轴下端为六方结构，并与上盘阀固定，在传动轴的作用下，动力螺旋桨的旋转动力带动上盘阀旋转。上、下导流板上分别开有一定数量的圆孔，下盘阀固定在钻头腔体内，上盘阀周期性旋转时，上、下盘阀上的圆孔周期性地畅通与关闭，使得流经盘阀结构的钻井液过流面积产生周期性变化，而且钻井液流经每个钻头水眼时都会产生周期性的水力脉冲。经过调制后的脉冲钻井液直接作用于井底，在井底产生不对称流场，增强钻井液井底辅助破岩和清岩能力，从而提高机械钻速。
1.3 技术优势JSXMC型井底脉冲式不对称流场钻井工具产生的脉冲射流直接通过钻头喷嘴作用于井底，在井底产生不对称流场，其在降低井底压持效应、产生负压脉冲和空化辅助破岩等方面与现有脉冲射流钻井工具具有相同效果，同时还具有以下优势： ①常规脉冲射流工具一般安装在钻头上方，离井底有一定距离，而且经过钻头喷嘴的弱化作用，脉冲不能完全作用于井底，而井底脉冲式不对称流场钻井工具的脉冲直接通过钻头喷嘴作用于井底，增强了脉冲射流在井底的作用效果，脉冲射流优势更为明显。②与该工具配合使用的钻头只对钻头内部结构进行了细微的改变，整个工具的长度较小，工具在井底使用的安全性较好，对定向钻井控制井斜影响较小，工具定向钻进的适应性较好。③该工具产生的脉冲冲击力直接作用于井底钻具，对井底钻具产生周期性的抽吸力，该抽吸力在保护钻头的同时，还可以收到辅助送钻和冲击钻井的效果，对于解决定向钻进滑动扭矩和摩阻过大问题具有重要意义。
1.4 主要技术参数钻头外径215.9 mm，钻井工具外径165 mm，工具长度(含钻头)628 mm，上盘阀孔3个，下盘阀孔(钻头水眼)5个，上、下盘阀孔径18 mm。32 L/s排量时工具理论计算泵压最大值8.01 MPa，泵压最小值2.45 MPa，平均泵压5.23 MPa。井口泵压测试值分别为3.00 MPa(21 L/s)、4.30 MPa(25 L/s)、5.00 MPa(28 L/s)和6.00 MPa(31 L/s)。
2 现场应用将JSXMC型井底脉冲式不对称流场钻井工具在江苏油田JX7井三开φ215.9 mm井眼进行井下应用。钻具组合：216PDC+4A11×410+浮阀+411×4A10+159NDC×1+159SDC×1+214STB+159SDC×1+214STB+159SDC×10+4A11×410+127HWDP+127DP；钻进参数：钻压40～60 kN，转速60 r/min，排量31 L/s，泵压8.00 MPa，钻井液密度1.09 g/cm3；钻进井段720~1 010 m，钻进进尺290 m。
2.1 应用情况将工具下入井深700 m，其中循环探水泥塞20 m，三开钻进井段初始井深720 m。钻至755~775 m井段，钻时明显变慢，且钻台晃动严重，观察振动筛返砂为中细砂岩并伴有较大块砾石和水泥块，钻过775 m后，钻时变快。钻至井深1 010 m时，由于定向钻井的需要，起钻，换钻具下螺杆定向钻进。起钻后钻头情况如图 2所示。由图可以看出，PDC钻头新度较好，保径齿完好，钻头本体无磨损，切削齿有轻微崩坏。
|
| 图 2 起钻后PDC钻头 Fig.2 PDC bit after tripout |
工具出井后，在井口进行了压力测试，在31 L/s钻井液排量下，可观察到钻头喷嘴出口流体有明显脉冲效果，说明该工具能够正常工作。
2.2 应用效果分析JSXMC型井底脉冲式不对称流场钻井工具井下工作时间48.5 h，纯钻进时间26.7 h，其中循环探水泥塞4.0 h。三开钻进井段720~1 010 m，钻进进尺290 m，平均机械钻速12.79 m/h。
试验井段与邻井机械钻速对比见表 1。试验井与邻井地层岩性相同，都为含砾中细砂岩与泥岩互层，与邻井钻具组合基本相同。
| 井号 | 井段/m | 进尺/m | 钻时/h | 机械钻速/(m·h-1) |
| JX7 | 720~1 010 | 290 | 22.67 | 12.79 |
| JX6 | 721~981 | 260 | 28.90 | 9.00 |
| J2 | 689~965 | 307 | 29.40 | 10.44 |
| SX71 | 733~1 013 | 280 | 28.10 | 9.96 |
试验井与邻井钻进参数对比见表 2。
| 井号 | 钻压/kN | 转速/(r·min-1) | 钻井液密度/(g·cm-3) | 排量/(L·s-1) | 泵压/MPa |
| JX7 | 40~60 | 60 | 1.09 | 31 | 8.0 |
| JX6 | 60~80 | 80 | 1.12 | 35 | 8.5 |
| J2 | 40~80 | 80 | 1.11 | 30 | 12.0 |
| SX71 | 60~80 | 70 | 1.12 | 35 | 10.0 |
从表 1和表 2可知，JSXMC型井底脉冲式不对称流场钻井工具的提速效果非常明显，平均机械钻速最大提高幅度42.11%，最小提高幅度22.51%，平均提速效果达到30%。
3 结论与建议(1) JSXMC型井底脉冲式不对称流场钻井工具除具有常规脉冲射流钻井工具的优势外，还具有脉冲射流不弱化、工具长度较短和辅助送钻等优点，可大幅提高机械钻速。
(2) 工具结构简单，可以很好地适应钻井现场，其产生的脉冲压力可以保护钻头。
(3) 现场应用结果表明：与邻井相比，该工具可平均提高机械钻速30%。
(4) 由于第1次在井下应用，考虑钻井安全因素，该工具没有配合井下动力钻具使用，需要在改进工具结构的基础上，针对钻井现场的实际情况进行进一步的设计研究与应用推广。
| [1] | 沈忠厚. 现代钻井技术发展趋势[J]. 石油勘探与开发, 2005, 32(1): 89–91. |
| [2] | 李根生, 沈忠厚. 高压水射流理论及其在石油工程中应用研究进展[J]. 石油勘探与开发, 2005, 32(1): 96–99. |
| [3] | 陈国明, 殷志明, 许亮斌, 等. 深水双梯度钻井技术研究进展[J]. 石油勘探与开发, 2007, 34(2): 246–251. |
| [4] | 史怀忠, 李根生, 王学杰, 等. 水力脉冲空化射流欠平衡钻井提高钻速技术[J]. 石油勘探与开发, 2010, 37(1): 111–115. |
| [5] | 乔磊, 申瑞臣, 黄洪春, 等. 沁水盆地南部低成本煤层气钻井完井技术[J]. 石油勘探与开发, 2008, 35(4): 482–486. |
| [6] | 汪海阁, 郑新权. 中石油深井钻井技术现状与面临的挑战[J]. 石油钻采工艺, 2005, 27(2): 4–8. |
| [7] | 王智锋. 负压脉冲钻井技术理论及方法[J]. 石油钻采工艺, 2005, 27(6): 13–15. |
| [8] | 李根生, 沈忠厚, 张召平, 等. 自振空化射流钻头喷嘴研制及现场试验[J]. 石油钻探技术, 2003, 31(5): 11–13. |
| [9] | 李根生, 沈忠厚, 周长山, 等. 自振空化射流研究与应用进展[J]. 中国工程科学, 2005, 7(1): 27–32. |