深部硬地层井下增压与振冲快速钻井技术研究

随着油气勘探开发的方向越来越多地转向深部地层，钻遇深井硬地层和复杂地层也愈发频繁。常规的钻井方式在面对可钻性差、研磨性强的地层时效果较差，导致机械钻速较低，直接制约了勘探开发的整体效益。

本课题在分析现有钻井现场深部硬脆性地层存在的难题基础上，设计了一种新型井下增压钻井系统和振动冲击钻井装置，并配套设计研制了一种超高压射流辅助破岩的双流道PDC钻头，从而提高钻头在井底的破岩效率和机械钻速，降低钻井成本。

1. 主要技术内容 （1）井下增压关键技术研究： ① 井下增压装置动力单元系统设计与优化； ② 井下增压装置换向单元系统设计与优化； ③ 井下增压装置整体设计与加工组装。

   （2）与井下增压装置相匹配的超高压双流道PDC钻头研究： ① 超高压淹没射流破岩参数优选实验研究； ② 超高压双流道PDC钻头结构设计； ③ 超高压双流道系统设计； ④ 将井下增压装置和超高压双流道PDC钻头联合集成，设计一种具有井下增压能力的钻井系统。

   （3）井下振动冲击钻井技术研究： ① 振动冲击装置的启振机理分析； ② 振动冲击钻井装置启振机构及关键部件结构参数设计； ③ 将井下振动冲击装置和钻头联合集成，设计一种具有井下轴向振动冲击能力的钻井系统。

   （4）试验研究： 开展相关试验，验证该钻井系统的原理可行性、破岩效率和提速效果，并对集成系统及各子系统进一步改进，争取早日实现工业化应用。

2. 经济技术指标 （1）利用专用的超高压射流实验台，开展了在淹没条件下超高压射流的破岩实验研究，优选出破岩效率最优参数组合。在喷嘴直径、喷射角度、喷距一定的情况下，射流压力越高，对岩石的冲蚀体积越大。在喷嘴直径、喷射角度、喷嘴移动速度一定的情况下，压力为100MPa、125MPa、150MPa、175MPa和200MPa时，最优喷距分别为4.5mm（22.5倍喷嘴直径）、5.0mm（25倍喷嘴直径）、6.0mm（30倍喷距）、6.2mm（31倍喷距）和6.5mm（32.5倍喷距）。在本实验条件下，最佳破岩喷射角约为13°；超高压淹没射流的最经济破岩压力在150MPa左右时，破岩消耗功率和破岩体积之间达到最优组合。

   （2）立足国内钻井现场实际条件，为提高深部硬脆性地层钻头在井底的破岩效率，研制出8-1/2”螺杆式井下增压装置、8-1/2”超高压双流道PDC钻头、8-1/2”振动冲击器3种装置设备，完成了样机的设计和研制。井下增压系统在川庆钻探灌口003-5井、胜利油田埕北602井、义180井，以及吉林油田长深D平13井、长深D平5井等开展了现场试验，同比机械钻速分别提高了52.0%、41.0%、63.8%、71.7%和96.7%以上。

3. 应用推广及效益情况 该成果经滨州市油区工作办公室和滨州市鲁明滨西油气开发有限公司进行了推广应用。成果运用后可提高钻头在井底的破岩效率，加快深部硬脆性地层钻井速度，延长钻头的使用寿命，取得了明显的经济效益和社会效益。综合分析，该成果可减少支出累计达2500万元。同时，该成果运用在社会方面的效益符合国家节能减排相关政策的要求。

随着油气勘探开发的方向越来越多地转向了深部地层,钻遇深井硬地层、复杂地层也越来越频繁,常规的钻井方式在面对可钻性差、研磨性强的地层时效果较差,导致机械钻速较低,直接制约了勘探开发的整体效益。本课题在分析现有钻井现场深部硬脆性地层存在的难题基础上,设计一种新型井下增压钻井系统和振动冲击钻井装置,并配套设计研制了一种超高压射流辅助破岩的双流道PDC钻头,从而提高钻头在井底的破岩效率和机械钻速,降低钻井成本。1、主要技术内容（1）井下增压关键技术研究：①井下增压装置动力单元系统设计与优化;②井下增压装置换向单元系统设计与优化;③井下增压装置整体设计与加工组装。（2）与井下增压装置相匹配的超高压双流道PDC钻头研究：①超高压淹没射流破岩参数优选实验研究;②超高压双流道PDC钻头结构设计;③超高压双流道系统设计;④将井下增压装置和超高压双流道PDC钻头联合集成,设计一种具有井下增压能力的钻井系统。（3）井下振动冲击钻井技术研究：①振动冲击装置的启振机理分析;②振动冲击钻井装置启振机构及关键部件结构参数设计;③将井下振动冲击装置和钻头联合集成,设计一种具有井下轴向振动冲击能力的钻井系统。（4）试验研究：开展相关试验,验证该钻井系统的原理可行性、破岩效率和提速效果,并对集成系统及各子系统进一步改进,争取早日实现工业化应用。2、经济技术指标（1）利用专用的超高压射流实验台,开展了在淹没条件下超高压射流的破岩实验研究,优选出破岩效率最优参数组合。在喷嘴直径、喷射角度、喷距一定的情况下,射流压力越高对岩石的冲蚀体积越大;在喷嘴直径、喷射角度、喷嘴移动速度一定的情况下,压力为100MPa、125MPa、150MPa、175MPa和200MPa时,最优喷距分别为4.5mm（22.5倍喷嘴直径）、5.0mm（25倍喷嘴直径）、6.0mm（30倍喷距）、6.2mm（31倍喷距）和6.5mm（32.5倍喷距）;在本实验条件下,最佳破岩喷射角约为13?;超高压淹没射流的最经济破岩压力在150MPa左右时,破岩消耗功率和破岩体积之间达到最优组合。（2）立足国内钻井现场实际条件,为提高深部硬脆性地层钻头在井底的破岩效率,研制出8-1/2“螺杆式井下增压装置、8-1/2”超高压双流道PDC钻头、8-1/2“振动冲击器3种装置设备,完成了样机的设计和研制,井下增压系统在川庆钻探灌口003-5井,胜利油田埕北602井、义180井,以及吉林油田长深D平13井、长深D平5井等开展了现场试验,同比机械钻速分别提高了52.0%、41.0%、63.8%、71.7%和96.7%以上。3、应用推广及效益情况该成果经滨州市油区工作办公室和滨州市鲁明滨西油气开发有限公司进行了推广应用,成果运用后可提高钻头在井底的破岩效率,加快深部硬脆性地层钻井速度,延长钻头的使用寿命,取得了明显的经济效益和社会效益。综合分析该成果可减少支出累计达2500万元。同时,该成果运用在社会方面的效益符合国家节能减排相关政策的要求。