文|光新军
1，2
王敏生
2
皮光林
2
1.
中国地质大学（北京）；2. 中国石化石油工程技术研究院
摘要： 随着油气勘探开发逐渐向深层超深层油气、非常规油气和海洋油气发展，提高钻井速度，缩短建井周期，降低作业成本，对于经济高效勘探开发油气资源具有重要意义。高压水射流钻井技术是利用高能流体进行破岩，由于能显著提高钻井机械钻速，一旦得到商业应用，将会对油气勘探开发产生革命性影响。在介绍高压水射流钻井技术破岩机理的基础上，分析了国外70 MPa 以上高压水射流钻井系统的基本原理、主要特点和试验情况，指出了各种高压水射流系统商业应用存在的问题，针对国内高压水射流钻井技术发展现状提出了具体的发展建议。
钻井作业的高成本一定程度上限制了非常规油气、深层油气和海洋油气的经济高效开发，而钻井效率是影响钻井成本的主要因素之一。利用高效破岩钻井技术，提高钻井机械钻速，缩短建井周期，提升油气开发效益显得非常重要。高压水射流钻井是利用钻井液流经钻头喷嘴所形成的高能射流破碎岩石，并充分地清洗井底，使避免岩屑重复切削，也可以与机械作用联合破碎岩石。目前，国外在高压水射流钻井技术方面开展了大量的研究，取得了诸多进展，部分技术已实现商业应用，而国内开展高压水射流钻井的地面泵压一般不超过35 MPa。及时了解和掌握国外70 MPa 以上高压水射流钻井技术的研发现状和进展，为我国引进或开展相关技术的攻关研究提供借鉴具有重要意义。
一、高压水射流钻井技术破岩机理
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、高能射流破碎岩石
高压水射流钻井时，由于井眼中充满流体，射流处于淹没状态，从而形成淹没射流。淹没射流对岩石的破坏作用主要有4 种：①冲击作用。射流造成的弹性拉力在岩体中冲撞、反射和干扰破坏岩体的结构；②空泡溃蚀作用。水射流与水发生动量交换和紊动扩散，形成的空泡随射流发展长大并发生溃灭，对岩体产生空溃破坏；③水楔作用。射流过程中，岩体产生裂缝，水射流进入裂隙空间，在水楔作用下，岩体破坏；④剪切作用。当管柱旋转或轴向移动时，射流产生一定的切向速度，在岩体表面形成附加剪应力，提高破岩能力。当施加在岩石表面的喷射压力高于岩石的门限压力，岩石发生破碎，随着钻头旋转，岩石表面形成沟槽，实现钻井或辅助钻井的目的。
2
、提高岩屑清洗效率
钻头破碎岩石过程中，破碎后的岩屑由于受很大的压差压持在井底，导致岩屑无法及时离开井底，这种现象被称为岩屑“压持效应”。岩屑“压持效应”导致岩屑的重复切削，加速钻头磨损，降低钻井机械钻速。高压水射流在井底形成的井底冲击压力波和井底漫流作用提高了井底净化效果，减少了岩石的压持效应，避免了钻头的重复破坏。
二、70 MPa 高压水射流钻井技术现状
1
、高压钻柱钻井系统
1.1
高压单管钻柱钻井系统
高压单管钻柱钻井系统是通过对传统钻机系统升级后，采用地面转盘旋转钻井的一种钻井系统，该系统需要提升地面泵、钻杆、水龙头、泥浆管线、钻头等的耐压性。
2005
年，摩尔公司在怀俄明落基山油田测试中心采用高压单管钻柱钻井系统进行了现场试验。结果显示，相同的地质条件下，70 MPa 高压单管钻
柱系统能够提高钻井速度1. 3 ～6倍，但PDC 钻头在高压下喷嘴磨损较为严重。采用高压单管钻柱钻井系统需要购置高压泥浆泵和升级钻机，成本较高，同时水龙头、钻杆、钻头等的可靠性较差，实现商业应用面临着技术和经济性两方面的问题，未来实现商业化需要作业者、承包商和钻头制造公司的共同合作，以降低作业成本。
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高压双管钻柱钻井系统
高压双管钻柱钻井系统采用特殊设计的双通道钻杆，外管采用常规钻杆，内管采用耐高压合金管，内管接头满足250 MPa 的密封要求。钻井时，地面将一部分流体加压至250 MPa 后通过内管泵入井底，高压流体排量1. 9 ～ 2. 5 L /s； 另一部分流体采用低泵压、22. 5 L /s 的排量通过外管与内管的环空泵入井底。两部分流体从钻头喷嘴喷出后汇合，从井眼环空返出，高压流体形成的射流辅助破碎岩石，低压流体起井壁稳定和携岩作用。为了使高压流体泵入内管，水龙头需要特殊改造。特殊设计的钻头内置1个高压水射流通道和2个低压水射流通道。FlowDril公司在东德克萨斯的φ222 mm试验井中，钻压220kN，转速82 r /min，高压喷射压力190 ～ 210 MPa，排量1. 9 L /s，在1 500 ～ 3 000 m井段，与传统钻井相比，机械钻速提高了140%。
该系统对传统钻机系统不需要进行大的改造，能满足作业的可靠性和安全性，但是特殊的钻杆、水龙头、钻头等部件的制造成本较高，钻杆密封可靠性较差，实现商业化推广难度较大。
2.
高压连续管钻井系统
高压连续管钻井系统包括高压单管连续管钻井系统和高压双管连续管钻井系统，其通过地面设备提供70 ～ 105 MPa 泵压，将高压钻井液射流与井下动力钻具的机械作用结合在一起破碎岩石。
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高压单管连续管钻井系统
高压单管连续管钻井系统通过单根连续管输送70 MPa 以上高压钻井液至井下，驱动泥浆马达，再由钻头喷嘴高速射出。该系统结构相对简单、可靠性高，可以钻出φ165 mm 或更小的井眼。2005 年摩尔公司在美国俄克拉荷马进行了现场试验，该系统在试验过程中出现了一系列问题，导致最终没有在地层进行钻进测试。主要包括：①井底钻具组合组装起来困难，起吊工具和接头上下扣困难；②采用的连续管经过几个循环次数后，直径快速胀大，疲劳寿命低；③井下马达的定子在高压下出现故障。
由于受目前起下钻过程中连续管寿命较短，井下动力钻具的可靠性较低、钻头易磨损，以及地面高压泵的成本较高等一系列因素的影响，目前该技术经济性较低，还无法实现商业化应用。通过分析认为，机械钻速必须高于常规钻速的4 ～ 5倍，才能够使之得到商业化应用，而高压流体排量较低，携岩能力一定程度上限制了机械钻速的提高。
2. 2
高压双管连续管钻井系统
高压双管连续管钻井系统将高压钻井液泵入同心双层连续管的中心管柱，将低压钻井液泵入管柱环空。在马达顶部装有特殊旋转水龙头和柔性接头，高压钻井液由此通过中空马达的中心到达钻头，从高压喷嘴射出，在岩石上切割出层状沟槽，低压钻井液用于驱动井底马达，并最后由钻头上的低压喷嘴射出，高低压混合射流最终将岩屑携带至地面。
高压双管连续管钻井系统解决了井下马达可靠性低的问题，同时，低压流体的泵排量较高，能够满足携岩要求，但系统结构较为复杂，摩尔公司暂时未开展双流钻井系统研究。
