石油圈
鉆井作業的高成本一定程度上限制了非常規油氣、深層油氣和海洋油氣的經濟高效開發，而鉆井效率是影響鉆井成本的主要因素之一。利用高效破巖鉆井技術，提高鉆井機械鉆速，縮短建井周期，提升油氣開發效益顯得非常重要。高壓水射流鉆井是利用鉆井液流經鉆頭噴嘴所形成的高能射流破碎巖石，并充分地清洗井底，使避免巖屑重復切削，也可以與機械作用聯合破碎巖石。目前，國外在高壓水射流鉆井技術方面開展了大量的研究，取得了諸多進展，部分技術已實現商業應用，而國內開展高壓水射流鉆井的地面泵壓一般不超過35MPa。及時了解和掌握國外70MPa以上高壓水射流鉆井技術的研發現狀和進展，為我國引進或開展相關技術的攻關研究提供借鑒具有重要意義。
一高壓水射流鉆井技術破巖機理
1高能射流破碎巖石
高壓水射流鉆井時，由于井眼中充滿流體，射流處于淹沒狀態，從而形成淹沒射流。淹沒射流對巖石的破壞作用主要有4種：①沖擊作用。射流造成的彈性拉力在巖體中沖撞、反射和干擾破壞巖體的結構；②空泡潰蝕作用。水射流與水發生動量交換和紊動擴散，形成的空泡隨射流發展長大并發生潰滅，對巖體產生空潰破壞；③水楔作用。射流過程中，巖體產生裂縫，水射流進入裂隙空間，在水楔作用下，巖體破壞；④剪切作用。當管柱旋轉或軸向移動時，射流產生一定的切向速度，在巖體表面形成附加剪應力，提高破巖能力。當施加在巖石表面的噴射壓力高于巖石的門限壓力，巖石發生破碎，隨著鉆頭旋轉，巖石表面形成溝槽，實現鉆井或輔助鉆井的目的。
2提高巖屑清洗效率
鉆頭破碎巖石過程中，破碎后的巖屑由于受很大的壓差壓持在井底，導致巖屑無法及時離開井底，這種現象被稱為巖屑“壓持效應”。巖屑“壓持效應”導致巖屑的重復切削，加速鉆頭磨損，降低鉆井機械鉆速。高壓水射流在井底形成的井底沖擊壓力波和井底漫流作用提高了井底凈化效果，減少了巖石的壓持效應，避免了鉆頭的重復破壞。
二70MPa高壓水射流鉆井技術現狀
1高壓鉆柱鉆井系統
1.1高壓單管鉆柱鉆井系統
高壓單管鉆柱鉆井系統是通過對傳統鉆機系統升級后，采用地面轉盤旋轉鉆井的一種鉆井系統，該系統需要提升地面泵、鉆桿、水龍頭、泥漿管線、鉆頭等的耐壓性。2005年，摩爾公司在懷俄明落基山油田測試中心采用高壓單管鉆柱鉆井系統進行了現場試驗。結果顯示，相同的地質條件下，70MPa高壓單管鉆柱系統能夠提高鉆井速度1.3~6倍，但PDC鉆頭在高壓下噴嘴磨損較為嚴重。采用高壓單管鉆柱鉆井系統需要購置高壓泥漿泵和升級鉆機，成本較高，同時水龍頭、鉆桿、鉆頭等的可靠性較差，實現商業應用面臨著技術和經濟性兩方面的問題，未來實現商業化需要作業者、承包商和鉆頭制造公司的共同合作，以降低作業成本。
1.2高壓雙管鉆柱鉆井系統
高壓雙管鉆柱鉆井系統采用特殊設計的雙通道鉆桿，外管采用常規鉆桿，內管采用耐高壓合金管，內管接頭滿足250MPa的密封要求。鉆井時，地面將一部分流體加壓至250MPa后通過內管泵入井底，高壓流體排量1.9~2.5L/s；另一部分流體采用低泵壓、22.5L/s的排量通過外管與內管的環空泵入井底。兩部分流體從鉆頭噴嘴噴出后匯合，從井眼環空返出，高壓流體形成的射流輔助破碎巖石，低壓流體起井壁穩定和攜巖作用。為了使高壓流體泵入內管，水龍頭需要特殊改造。特殊設計的鉆頭內置1個高壓水射流通道和2個低壓水射流通道。FlowDril公司在東德克薩斯的φ222mm試驗井中，鉆壓220kN，轉速82r/min，高壓噴射壓力190~210MPa，排量1.9L/s，在1500～3000m井段，與傳統鉆井相比，機械鉆速提高了140%。該系統對傳統鉆機系統不需要進行大的改造，能滿足作業的可靠性和安全性，但是特殊的鉆桿、水龍頭、鉆頭等部件的制造成本較高，鉆桿密封可靠性較差，實現商業化推廣難度較大。
2高壓連續管鉆井系統
高壓連續管鉆井系統包括高壓單管連續管鉆井系統和高壓雙管連續管鉆井系統，其通過地面設備提供70～105MPa泵壓，將高壓鉆井液射流與井下動力鉆具的機械作用結合在一起破碎巖石。
2.1高壓單管連續管鉆井系統
高壓單管連續管鉆井系統通過單根連續管輸送70MPa以上高壓鉆井液至井下，驅動泥漿馬達，再由鉆頭噴嘴高速射出。該系統結構相對簡單、可靠性高，可以鉆出φ165mm或更小的井眼。2005年摩爾公司在美國俄克拉荷馬進行了現場試驗，該系統在試驗過程中出現了一系列問題，導致最終沒有在地層進行鉆進測試。主要包括：①井底鉆具組合組裝起來困難，起吊工具和接頭上下扣困難；②采用的連續管經過幾個循環次數后，直徑快速脹大，疲勞壽命低；③井下馬達的定子在高壓下出現故障。
由于受目前起下鉆過程中連續管壽命較短，井下動力鉆具的可靠性較低、鉆頭易磨損，以及地面高壓泵的成本較高等一系列因素的影響，目前該技術經濟性較低，還無法實現商業化應用。通過分析認為，機械鉆速必須高于常規鉆速的4~5倍，才能夠使之得到商業化應用，而高壓流體排量較低，攜巖能力一定程度上限制了機械鉆速的提高。
2.2高壓雙管連續管鉆井系統
高壓雙管連續管鉆井系統將高壓鉆井液泵入同心雙層連續管的中心管柱，將低壓鉆井液泵入管柱環空。在馬達頂部裝有特殊旋轉水龍頭和柔性接頭，高壓鉆井液由此通過中空馬達的中心到達鉆頭，從高壓噴嘴射出，在巖石上切割出層狀溝槽，低壓鉆井液用于驅動井底馬達，并最后由鉆頭上的低壓噴嘴射出，高低壓混合射流最終將巖屑攜帶至地面。
高壓雙管連續管鉆井系統解決了井下馬達可靠性低的問題，同時，低壓流體的泵排量較高，能夠滿足攜巖要求，但系統結構較為復雜，摩爾公司暫時未開展雙流鉆井系統研究。
3高壓磨料噴射鉆井系統
美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室目前正在開展70MPa高壓磨料噴射鉆井系統（ASJ）研究，如圖1所示，采用連續管鉆小井眼，可以應用于垂直井和定向井鉆井。關鍵技術包括耐磨高壓泥漿泵、井下馬達、定向工具等。高壓泥漿泵采用雙缸水力驅動，由Danco泵系統公司生產，Impact公司安裝和測試，能滿足在排量1.9L/s，壓力105MPa下工作。設計了一個井下馬達，以及與馬達配套使用的分離器，能夠分離流體中含量10%、大小為250μm顆粒。由于加工成本及工具的可靠性問題，設計的井下馬達并沒有進行試驗，而是利用旋轉接頭代替井下馬達。近鉆頭定向工具彎度10°，直徑31.75mm，能鉆出超短半徑（小于10m）水平井，可以減少定向鉆進井段，避免在不穩定頁巖層段下尾管等作業，增加水平段長度。
圖1.高壓磨料噴射鉆井系統
目前，該技術完成了室內試驗，正在對地面高壓泵的性能、井下定向工具以及鉆頭噴嘴參數進行優化，并計劃采用超臨界二氧化碳、水或氮氣等流體攜帶磨料在干熱巖主井眼中鉆多個小于102mm的微小分支井眼，長度30m，分支井眼與儲層裂縫連通，提高干熱巖熱交換效率。
4超高壓水射流鉆井增產一體化系統
美國ＲAMAX公司正在研發采用210MPa超高壓水射流鉆徑向水平井，并在水平井眼的合適位置割縫形成裂縫面，對儲層進行增產改造，實現鉆井增產一體化。鉆井時，地面水通過超高壓柱塞泵加壓后，通過高壓連續管，從井下切割頭中以超高壓水射流的形式沖擊巖石，使巖石變形、屈服、破裂，并破碎形成巖屑顆粒脫離巖體。井下切割頭在井下具有可控轉向、可旋轉、可形成脈沖射流的特點，能鉆出曲率半徑3~5m的超短半徑水平井。切割頭轉向和旋轉由地面控制，利用鉆柱重力和反向噴嘴推動切割頭向前移動；增產時，通過地面發送指令控制井下切割頭，關閉鉆井噴嘴，開啟增產用側向切割噴嘴，同時拖動管柱，在超高壓條件下對井眼周圍儲層進行定向切割，形成立體面縫，所形成的面縫深度3~6m，寬度7.5~12.5cm。通過地面控制井下切割頭，使其旋轉，還可以形成垂直于井筒的垂向立體面縫，增加儲層泄流面積，改善油氣流動條件，提高單井產能和最終采收率。油氣藏內多分支井眼與面縫復合系統立體布局如圖2所示。
圖2.超高壓水射流鉆井增產一體化系統
超高壓鉆井增產一體化技術尚處于概念研發和單元試驗階段，其完全拋棄了常規井下馬達和鉆頭，使井下組合大大簡化，一旦成功商業，對石油工程的影響將是革命性的。水力割縫深度是衡量增產效果的重要指標之一，國內在煤炭瓦斯防突施工中，采用水力割縫的方式增大泄壓區域，壓力25MPa、噴嘴直徑3mm，淹沒射流割縫深度能達到1.5~2m。通過提高地面泵壓，在淹沒射流條件下，割縫深度預期達到3~6m，但是地面泵壓提高后，整個系統壽命以及設備的高成本使得該技術在現階段實現商業化較為困難。
5徑向水平井鉆井系統
徑向水平井鉆井系統利用鉆頭在油層部位的套管上磨銑開孔，再利用地面高壓泵對無固相鉆井液加壓至105～140MPa，經φ12.7mm連續油管輸送到井下。鉆井液經噴射鉆頭穿透地層，最終形成深度100m，直徑25.4~76.2mm的水平井眼，提高儲層泄流面積。該技術最高作業溫度在120℃，最大作業深度3680m，根據需要可以采用陀螺定向。其主要優點包括：①在一口井眼中完成4口定向水平井的鉆井需要花費2~4d時間，是側鉆水平井鉆井周期的1/3；②僅在油層套管上進行局部開窗，對套管損傷小，油層不易垮塌；③徑向井可在不同層位鉆進，可以在厚的油層進行多層段施工；④徑向井眼可以改善均質和非均質油氣層滲流通道，有效的提高油氣采收率。
ADS公司的徑向水平井技術成功應用以來，在低滲油氣井、老油井、稠油井和煤層氣井的增產改造中得到了廣泛應用。國內引進該技術后，在遼河油田、勝利油田等成功噴射出位移達100m的水平分支，部分井作業后產量大幅提高，為作業前產量的3~4倍。
三認識與建議
（1）利用高壓水射流技術實現高效鉆井一直是石油工程界研究和試驗的熱點之一，并正在從提高鉆井速度向油藏增產進行延伸。國內在70MPa以上高壓水射流技術方面開展了一些基礎理論研究，但在技術攻關試驗方面研究較少，應加強與國外石油公司和高校的科研合作，開展70MPa以上高壓水射流鉆井技術的攻關研究，儲備前瞻技術，為油氣資源高效開發提供支撐。
（2）鉆桿在高壓條件下接頭密封可靠性較低和需要頻繁起下鉆制約了高壓水射流鉆井技術的發展，采用連續管作業是未來的發展方向，并配合井下動力鉆具進行復合鉆井。未來需要開展高強度、長壽命碳纖維連續管、長壽命大功率動力鉆具和高可靠性射流鉆頭的研究。
（3）高壓磨料噴射鉆井系統在硬地層中能夠顯著提高鉆井機械鉆速，為連續管小井眼鉆井提速提供了一種全新的思路，由于在鉆井液中添加了磨料，對地面高壓泵、連續管和鉆頭的壽命提出了挑戰。未來需要對耐磨高壓泥漿泵、井下馬達、定向工具等進行研究。
（4）超高壓鉆井增產一體化技術拋棄了常規井下馬達和鉆頭，使井下組合大大簡化，并同時實現鉆井增產作業，是未來高壓水射流技術發展方向。超高壓下連續管的壽命、井下測量控制工具和井下切割頭是該技術未來成功應用的核心，可以先驗證超高壓水射流鉆井增產一體化技術的增產效果，并與連續管鉆井技術同步推進，試驗超高壓水射流鉆徑向水平井。
（5）徑向水平井是70MPa以上高壓水射流鉆井技術唯一商業化應用的技術，在低滲油氣井、老油井、稠油井和煤層氣井的增產改造中得到了廣泛應用，但是該技術井眼延伸位移較短，井眼直徑較小，一定程度限制了油氣井的后期穩產。
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