孫 強(qiáng)，劉永紅，王曉龍，劉 鵬，韓延聰

（ 1. 中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580；2. 東營市科學(xué)技術(shù)局，山東 東營 257061 ）

射孔完井技術(shù)是目前油氣開發(fā)過程中應(yīng)用最廣泛的完井技術(shù)。 射孔的孔眼是油氣進(jìn)入井筒的唯一通道，但常規(guī)的射孔完井作業(yè)有以下不足：一是射孔彈射入地層的深度有限， 通常僅0.5～1.5 m，不能有效穿透近井污染帶；二是射孔存在壓實(shí)效應(yīng)[1]，直接導(dǎo)致壓實(shí)區(qū)的巖石滲透率下降70%～78%；三是射孔時易破壞套管和環(huán)空的水泥環(huán)，并且這種損壞往往是不可逆的[2]。

為消除射孔作業(yè)產(chǎn)生的壓實(shí)效應(yīng)，人們相繼開發(fā)出復(fù)合射孔技術(shù)[3-5]、自清潔射孔技術(shù)[6-7]、后效體射孔技術(shù)[8]等，這些技術(shù)雖然可以在一定程度上消除壓實(shí)帶、增加井筒滲流面積，但是對油井產(chǎn)能提升有限。 Surjaatmadja 等[9-10]提出水力噴砂射孔完井技術(shù)[9-10]，以高速噴射的含砂流體射穿金屬套管、固井水泥層和部分地質(zhì)儲層來制備采油孔，在地層中形成直徑100～160 mm、 深度500～800 mm 的大直徑、小深度紡錘形孔道，對油井產(chǎn)能提升有限。

為進(jìn)一步增大完井作業(yè)中的孔眼直徑和深度、提高單井油氣產(chǎn)量，井壁深穿透電控鉆孔技術(shù)[11]等新型鉆孔完井技術(shù)被提出。 該技術(shù)中，地面控制系統(tǒng)通過電纜傳送電能和發(fā)送控制命令控制置于井底油層位置的鉆孔器，通過多組柔性鉆桿和微型鉆頭在油層中鉆出長2 m、 直徑20～30 mm 的泄油通道，雖然不產(chǎn)生壓實(shí)效應(yīng)，但對于低滲透性的硬地層，微型鉆頭鉆進(jìn)速度慢甚至無法鉆進(jìn)，且柔性鉆桿無法準(zhǔn)確定位，鉆進(jìn)過程存在偏離儲層等固有問題。 本文提出了高能脈沖旋轉(zhuǎn)等離子弧鉆孔技術(shù)，搭建了鉆孔實(shí)驗(yàn)平臺，開發(fā)了專用的大功率等離子電源和等離子破巖鉆頭，最后進(jìn)行了鉆孔實(shí)驗(yàn)。 該技術(shù)是一種新的非接觸式井底側(cè)壁鉆孔技術(shù)，旨在利用高溫高速旋轉(zhuǎn)的等離子弧直接沖擊和熔化井底側(cè)壁巖石，在井底側(cè)壁鉆制出方向性好，孔壁滲透率高的采油孔， 準(zhǔn)確地將井筒與目標(biāo)儲層連接，從而提高油氣井產(chǎn)量。

1 高能脈沖旋轉(zhuǎn)等離子弧鉆孔技術(shù)原理

高能脈沖旋轉(zhuǎn)等離子弧鉆孔技術(shù)的原理見圖1，高能、高速旋轉(zhuǎn)的等離子弧從等離子體鉆頭中噴出，在等離子弧柱剛接觸到巖石表面時，巖石內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力、表面出現(xiàn)裂紋，部分巖石破碎，巖屑從巖石上剝落（圖1a）；等離子鉆頭進(jìn)給運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)的等離子弧柱與巖石表面接觸，弧柱中心位置的高能等離子體將巖石熔化，熔融狀態(tài)的巖漿被高速旋轉(zhuǎn)的等離子氣流帶離巖石表面（圖1b）；等離子鉆頭繼續(xù)進(jìn)給運(yùn)動， 旋轉(zhuǎn)的等離子弧柱在巖石表面散射開，高能等離子體與巖石接觸面積擴(kuò)大，孔眼直徑隨之增大，孔眼周圍產(chǎn)生大量裂紋，部分熔化巖漿在等離子體旋轉(zhuǎn)氣流的作用下被吹離巖石表面，隨著孔眼深度增加，部分熔化巖漿仍附著在孔眼內(nèi)壁上（圖1c、圖1d）；間歇性超高壓氣體從等離子噴嘴中噴出， 高壓氣體壓力比周圍環(huán)境壓力大10 MPa以上， 高壓氣流由井眼中央沿井壁向上高速運(yùn)動，熔融狀態(tài)的巖漿被高壓氣體打散成顆粒狀巖屑（圖1e）； 被高壓氣體掃射之后的井壁表面存有一層薄的玻璃態(tài)物質(zhì)，沿孔眼向巖石內(nèi)部分布，存在大量熱應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋，這些裂紋的存在大幅提高了巖石的滲透性和后續(xù)油氣的采收率（圖1f）。 圖1d～圖1e 所示的工作階段交替進(jìn)行，最終實(shí)現(xiàn)連續(xù)鉆井。

圖1 高能脈沖旋轉(zhuǎn)等離子弧鉆孔技術(shù)原理

2 高能脈沖旋轉(zhuǎn)等離子弧鉆孔完井裝備

2.1 整體裝備系統(tǒng)

高能脈沖旋轉(zhuǎn)等離子弧鉆孔完井系統(tǒng)裝備如圖2 所示，地面系統(tǒng)由等離子電源系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、壓縮空氣供應(yīng)系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成；井下部分主要有等離子發(fā)生器、造斜器；地面系統(tǒng)與井下等離子發(fā)生器之間通過特制的等離子綜合管線相連。 其中，地面系統(tǒng)中的等離子電源系統(tǒng)為井下的等離子發(fā)生器提供能量；冷卻水系統(tǒng)為等離子發(fā)生器持續(xù)提供冷卻水；壓縮空氣供應(yīng)系統(tǒng)為等離子發(fā)生器提供工作介質(zhì)。 等離子電源系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)及壓縮空氣供應(yīng)系統(tǒng)在控制系統(tǒng)的作用下，通過等離子綜合管線連接至井下的等離子發(fā)生器。

圖2 高能脈沖等離子弧鉆孔完井裝備

等離子鉆孔作業(yè)過程如下：等離子發(fā)生器在地面控制系統(tǒng)的控制下通過連續(xù)油管下放至特定地層位置，造斜器錨住套管；地面的冷卻水系統(tǒng)和壓縮空氣供應(yīng)系統(tǒng)工作，等離子電源系統(tǒng)產(chǎn)生一個高壓高頻脈沖，擊穿等離子發(fā)生器正負(fù)電極之間的工作介質(zhì)，之后等離子發(fā)生器持續(xù)工作，噴射出高溫等離子體，等離子體先后作用于套管、水泥環(huán)和地層巖石；熔化的套管材料以及巖屑在等離子氣體的高速吹拂下，吹離等離子體作用位置，等離子發(fā)生器持續(xù)進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)鉆孔。

2.2 超大功率等離子電源系統(tǒng)

傳統(tǒng)大功率等離子電源設(shè)計(jì)困難， 工作不穩(wěn)定，電源能量損耗大，且等離子發(fā)生器的電極損耗與放電波形密切相關(guān)。 自行開發(fā)的超大功率等離子電源（80 kW 級）的原理見圖3a，電源系統(tǒng)的主電路由整流濾波模塊、逆變變壓模塊、二次整流模塊組成， 調(diào)壓擊穿模塊與主電路之間通過隔離模塊并聯(lián)，反饋模塊實(shí)時監(jiān)控放電狀態(tài)，并將反饋信號傳遞給中控板和工控機(jī)，工控機(jī)根據(jù)設(shè)定參數(shù)對電路進(jìn)行控制。 調(diào)壓擊穿模塊可產(chǎn)生高壓高頻振蕩信號（圖3b）；震蕩電壓可在100 ns 內(nèi)達(dá)到7 kV，快速引燃等離子發(fā)生器，在井下氣體環(huán)境、液體環(huán)境中均引弧可靠?；赑WM 脈寬調(diào)制技術(shù)，調(diào)控等離子電源輸出波形（圖3c）， 脈沖性輸出既降低了電源功耗，又顯著減小了等離子發(fā)生器的電極損耗，確保單次射孔中電極不被損壞，同時又增大了等離子弧柱的沖擊力，增強(qiáng)巖石破碎效果，提高鉆孔速度。 對波峰階段的電流波形進(jìn)行細(xì)致調(diào)節(jié)（圖3d），輸出電壓在75～150 V 之間呈“緩升陡降”的鋸齒形波動，驅(qū)使陽極弧根在陽極內(nèi)壁上前后滑動，進(jìn)一步減小電極損耗。 在等離子鉆頭不同的工作狀態(tài)下，等離子電源的輸出伏安特性及電流-功率特性如圖3e～圖3f 所示，其伏安特性的曲線表明：該電源能自適應(yīng)外界負(fù)載，確保等離子鉆頭工作穩(wěn)定；而電源輸出功率與等離子電流成線性關(guān)系，可簡單通過調(diào)節(jié)電流來改變等離子發(fā)生器的工作功率，以適應(yīng)不同地層的作業(yè)要求。

圖3 超大功率等離子電源原理

2.3 長壽命、低損耗旋轉(zhuǎn)等離子體發(fā)生器

超大功率等離子發(fā)生器是等離子射孔系統(tǒng)的核心部件，大功率、長壽命、低損耗的等離子發(fā)生器歷來是等離子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，地質(zhì)射孔用的等離子發(fā)生器又需同時滿足輕量化和高可靠性的要求，而輕量化和高可靠性本身又存在矛盾。 圖4 是特殊設(shè)計(jì)的等離子發(fā)生器，其外徑為35 mm、最大輸出功率為50 kW，在目前市面上同等尺寸的等離子發(fā)生器中穩(wěn)定輸出功率最大。等離子氣體流道如圖4b所示，多軌螺旋流道分布于陰極后部，等離子氣體呈螺旋形高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)氣流在放電室的錐形空間逐漸壓縮加速，并帶動整個等離子弧柱高速旋轉(zhuǎn)，弧柱的陽極弧根在陽極內(nèi)壁上快速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)一步降低陽極熱損耗，提高電極壽命。 轉(zhuǎn)動狀態(tài)的等離子弧柱掃射截面積大于等離子發(fā)生器的直徑，從而實(shí)現(xiàn)小直徑等離子發(fā)生器鉆大直徑孔的效果。 此外，旋轉(zhuǎn)的等離子弧噴射至巖石表面，熔化的巖石在等離子氣體離心力的作用下，更易飛濺出破碎位置，提高排屑效果。

圖4 等離子發(fā)生器結(jié)構(gòu)

等離子發(fā)生器的陰極和陽極均使用水冷結(jié)構(gòu)（圖4c）， 陽極表面加工有特殊設(shè)計(jì)的雙頭螺旋槽，冷卻水從一個螺旋槽的底部進(jìn)入，并從另一螺旋槽流出，螺旋槽增大了陽極表面冷卻水的壓力，提高了冷卻水的流速，實(shí)現(xiàn)陽極的長壽命運(yùn)行。 陰極設(shè)計(jì)為中空結(jié)構(gòu)，陰極頭部鑲嵌了金屬鉿，以降低電子的逸出功。 陰極的中空內(nèi)部有一個錐形，冷卻水經(jīng)由導(dǎo)管流至錐形的前部，順著錐形的表面流至陰極前端后再由環(huán)形通道返回， 帶走陰極工作的熱量，降低陰極熱損耗。

在鉆頭作業(yè)中，整個等離子發(fā)生器位于熾熱的巖石熔化區(qū)域，為避免環(huán)境高溫?zé)龤У入x子鉆頭本身，鉆頭前部的不同位置采用多種類型的外周冷卻結(jié)構(gòu)，鉆頭中的冷卻水流場分布及不同截面的冷卻水流道見圖5。

圖5 鉆頭冷卻水流場分布以及不同截面的冷卻水流道

3 高能旋轉(zhuǎn)等離子體鉆孔實(shí)驗(yàn)

使用研制的高能脈沖旋轉(zhuǎn)等離子弧鉆孔設(shè)備進(jìn)行室內(nèi)破巖實(shí)驗(yàn)，圖6 是旋轉(zhuǎn)等離子弧噴射到花崗巖和砂巖表面形成的破碎坑，可見破碎坑周圍均形成大量裂紋，極大地提高了巖石的滲透率。

圖6 旋轉(zhuǎn)等離子弧噴射至不同巖石表面形成的破碎坑

圖7 是受旋轉(zhuǎn)等離子弧作用而從花崗石上崩落的巖屑。巖屑粒徑在3 mm 以下，呈片狀分布且結(jié)構(gòu)松散、密度低，能被鉆井液攜帶運(yùn)送。

圖7 旋轉(zhuǎn)等離子弧破巖產(chǎn)生的巖屑

圖8 是用旋轉(zhuǎn)等離子弧鉆孔設(shè)備進(jìn)行深孔鉆制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 巖石樣品為花崗巖，為防止鉆孔過程中花崗巖整體崩碎，利用混凝土將整塊花崗巖封固于金屬套管內(nèi)以提供圍壓（圖8a）。 圖8b 是高能旋轉(zhuǎn)等離子弧鉆孔過程。 圖8c 是不同長度的巖石鉆孔樣品。 實(shí)驗(yàn)表明，高能脈沖旋轉(zhuǎn)等離子弧鉆孔過程迅速，所鉆井眼規(guī)則，巖石內(nèi)部裂隙分布密集，可顯著提高巖石的滲透性。

圖8 高能旋轉(zhuǎn)等離子體鉆孔實(shí)驗(yàn)

圖9 是用直徑32 mm 的金剛石鉆頭鉆硬質(zhì)花崗巖與旋轉(zhuǎn)等離子弧鉆孔的鉆速對比。 當(dāng)機(jī)械鉆頭轉(zhuǎn)速為500 r/min、鉆壓為40 kg 時，以金剛石鉆頭鉆花崗巖的鉆速僅為0.2 m/h，而使用旋轉(zhuǎn)等離子弧鉆孔技術(shù)，其鉆孔速度可達(dá)4 m/h，是前者的20 倍。

圖9 等離子鉆孔與機(jī)械鉆孔鉆速對比

4 結(jié)束語

本文提出了一種利用高能脈沖旋轉(zhuǎn)等離子弧進(jìn)行井底側(cè)壁鉆孔的新技術(shù)，利用高溫高速旋轉(zhuǎn)的等離子體直接沖擊和熔化井底側(cè)壁的套管、環(huán)空水泥和地層巖石，鉆孔效果不受巖石硬度和強(qiáng)度的影響，可快速高效地在井底側(cè)壁鉆孔，其鉆孔效率是普通機(jī)械鉆速的20 倍。 在鉆孔過程中，等離子鉆頭不與巖石接觸，孔眼方向性好，可準(zhǔn)確地將井筒與目標(biāo)儲層連接。 該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)橫向鉆孔長度3～5 m以上， 孔直徑40～50 mm， 相比于現(xiàn)有鉆孔完井技術(shù)，極大地提高了泄油面積和單口井產(chǎn)量。 此外，還可在孔眼周圍形成大量裂縫、 增強(qiáng)巖石滲透率，從而提高儲層與井筒之間的液體連通性，降低壓裂壓力，甚至完全取代壓裂。 同時，與水射流鉆孔和其他機(jī)械井壁鉆孔技術(shù)相比，該技術(shù)裝備簡單，無需笨重的地面壓力設(shè)備，作業(yè)簡單成本低；該技術(shù)還可實(shí)現(xiàn)對小半徑分支井的一次性鉆探， 以及多邊鉆探、老井側(cè)鉆、井底定向擴(kuò)孔、制造原始縫隙，從而提高老井產(chǎn)量、延長油井壽命。