煤層氣井射流式PDC大直徑擴(kuò)孔工具研制

李 壯

（中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程技術(shù)研究院，遼寧盤(pán)錦124010）

煤層氣井射流式PDC大直徑擴(kuò)孔工具研制

李 壯

（中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程技術(shù)研究院，遼寧盤(pán)錦124010）

在深入調(diào)研國(guó)內(nèi)外擴(kuò)孔器原理和性能的基礎(chǔ)上，研制出適應(yīng)煤層氣完井造穴用的RT152-500型射流式PDC大直徑擴(kuò)孔工具。依據(jù)流體力學(xué)的高壓噴射作用機(jī)理，利用CFD計(jì)算軟件對(duì)工具內(nèi)高、低壓流道及噴嘴直徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成有效的壓降補(bǔ)償蓄能裝置，全程水力驅(qū)動(dòng)，達(dá)到高壓噴射破巖和機(jī)械破巖的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)?142 mm小通徑工具進(jìn)入，擴(kuò)孔后直徑大于?500 mm的大直徑洞穴。該工具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，作業(yè)安全可靠，造穴能力強(qiáng)。

煤層氣；大直徑擴(kuò)孔；工具；水力優(yōu)化

煤層氣是一種極富開(kāi)發(fā)價(jià)值的新型能源，具有熱值高，使用清潔、安全環(huán)保的特點(diǎn)［1］。我國(guó)煤層氣儲(chǔ)量豐富，埋深在300～2 000 m的資源量達(dá)到31.46×1012m3，相當(dāng)于450×108t標(biāo)準(zhǔn)煤，位居世界第3位［2-3］。煤層氣資源的開(kāi)發(fā)利用對(duì)緩解常規(guī)資源的供需壓力，改善國(guó)內(nèi)能源結(jié)構(gòu)具有重要意義。在煤層氣等低效氣藏開(kāi)發(fā)技術(shù)中，如何提高導(dǎo)流能力是實(shí)現(xiàn)煤層氣產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。國(guó)外實(shí)踐證明［3-5］，通過(guò)擴(kuò)大井眼直徑，在保護(hù)儲(chǔ)層，提高導(dǎo)流能力，輔助后續(xù)作業(yè)等方面獲得了顯著效果。為進(jìn)一步提高低效油氣藏和煤層氣井開(kāi)發(fā)效率，研究和開(kāi)發(fā)用于裸眼造穴的大直徑擴(kuò)孔工具和工藝，成為煤層氣等低效氣藏開(kāi)發(fā)亟待解決的技術(shù)難題。

1 煤層氣大直徑擴(kuò)孔技術(shù)

大直徑擴(kuò)孔技術(shù)不但能夠滿足煤層氣造穴擴(kuò)孔的尺寸要求，并且能夠有效移除前期鉆完井過(guò)程中所產(chǎn)生的傷害地層，使其產(chǎn)能與水力壓裂相比提高7.5～10.0倍，是破除近井地層污染帶，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層保護(hù)最有效的方法。國(guó)內(nèi)、外鉆井過(guò)程中擴(kuò)大井眼直徑一般采用擴(kuò)孔器［6］。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)煤層氣資源已進(jìn)入規(guī)模開(kāi)發(fā)階段，年均鉆井1000口，水平井和多分支井85口，市場(chǎng)潛力巨大［7］。

國(guó)內(nèi)在雙中心鉆頭、偏心擴(kuò)孔鉆頭、機(jī)械式PDC擴(kuò)眼器、液壓牙輪式／PDC等常規(guī)擴(kuò)孔工具及技術(shù)上較為成熟，擴(kuò)孔后井徑增幅20%～30%；國(guó)外較為前沿的隨鉆擴(kuò)孔技術(shù)系列井徑增幅15%～25%［8］。長(zhǎng)城鉆探公司的鉆后微臺(tái)階擴(kuò)孔技術(shù)已大面積推廣應(yīng)用，處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，大井眼微臺(tái)階擴(kuò)孔技術(shù)也已成熟，但尚不具備煤層氣造穴等大直徑擴(kuò)孔的工具及工藝技術(shù)。煤層氣井?dāng)U孔技術(shù)與常規(guī)油氣井?dāng)U孔技術(shù)的區(qū)別如表1。目前，適合于煤層氣等低效氣藏開(kāi)發(fā)的大直徑擴(kuò)孔工具較少，現(xiàn)有造穴擴(kuò)孔工具存在效率低，擴(kuò)后孔徑小，工具結(jié)構(gòu)不合理，安全性能差等問(wèn)題；工藝上受到排量和泵壓的限制，無(wú)法滿足煤層氣井?dāng)U孔的大尺寸井徑要求。

表1 煤層氣井大直徑擴(kuò)孔與常規(guī)井?dāng)U孔區(qū)別

煤層氣井射流式PDC大直徑擴(kuò)孔工具的研制，克服了現(xiàn)有造穴擴(kuò)孔工具存在效率低，孔徑小，結(jié)構(gòu)不合理，安全性能差及工藝受到排量和泵壓的限制等難點(diǎn)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)用?142 mm小通徑工具，完成大于?500 mm的大直徑洞穴擴(kuò)孔，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明該工具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，作業(yè)安全可靠，造穴能力較強(qiáng)。

2 大直徑擴(kuò)孔工具研制

長(zhǎng)城鉆探工程技術(shù)研究院圍繞煤層氣開(kāi)發(fā)的造穴擴(kuò)孔問(wèn)題，結(jié)合國(guó)內(nèi)外工具現(xiàn)狀以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況，經(jīng)過(guò)科技攻關(guān)，研制出了一款適應(yīng)煤層氣完井造穴用的RT152-500型射流式PDC大直徑擴(kuò)孔工具。試驗(yàn)表明：工具性能可靠，原理正確、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝可操作性強(qiáng)。

2.1 工具結(jié)構(gòu)

該工具結(jié)構(gòu)如圖1～3所示，主要由保護(hù)接頭、蓄能補(bǔ)償腔體、主體、空心軸承、PDC孕鑲刀體等部分組成。

圖1 射流式PDC大直徑擴(kuò)孔工具

圖2 主體及刀頭水眼結(jié)構(gòu)

圖3 刀頭PDC孕鑲結(jié)構(gòu)

2.2 工作原理

煤層氣大直徑擴(kuò)孔工具依靠水力射流的形式驅(qū)動(dòng)刀體與主體之間形成角度，設(shè)置的蓄能補(bǔ)償腔體能夠改變非穩(wěn)態(tài)時(shí)鉆井液流速，迫使鉆井液在短時(shí)間內(nèi)流量增加，達(dá)到提高流體速度的效果，補(bǔ)償和緩解中間連接部位的能量損失和激動(dòng)壓力。當(dāng)工具下到預(yù)定擴(kuò)孔位置后，轉(zhuǎn)盤(pán)低轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，小排量開(kāi)泵，利用刀體倒“L”型流道設(shè)計(jì)，使鉆井液通過(guò)刀體最后噴嘴產(chǎn)生壓降，形成射流。由于噴嘴內(nèi)徑與常規(guī)噴嘴相比較小，噴射效果較強(qiáng)。射流一方面沖擊井壁輔助破巖，一方面使刀體受到反向作用力與主體間形成角度，使刀頭在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中配合離心力鎖定。約旋轉(zhuǎn)30 min后，泵壓小幅度變化，說(shuō)明大直徑擴(kuò)孔第1步造臺(tái)階完成；然后加大泵壓提高噴嘴的射流能力，同時(shí)逐漸加大鉆壓使PDC刀頭與主體趨于垂直狀態(tài)，然后小鉆壓鉆進(jìn)造穴。通常地面設(shè)備功率較低時(shí)PDC刀體上設(shè)置1個(gè)水眼，如果功率較大設(shè)置2或者3個(gè)水眼，具體參數(shù)如表2。

表2 煤層氣井大直徑擴(kuò)孔工具參數(shù)

2.3 技術(shù)特點(diǎn)

1） 全程水力推進(jìn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全可靠，工具隨著鉆桿帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，使刀頭在離心力的作用下切削煤巖，附加水力噴射高壓水射流實(shí)現(xiàn)破巖擴(kuò)孔造穴的功能。

2.1 兩組患者手術(shù)中情況比較 兩組患者手術(shù)中出血量比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），觀察組的手術(shù)時(shí)間明顯長(zhǎng)于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。見(jiàn)表2。

2） 工作面鑲嵌的PDC塊可根據(jù)地層的軟硬程度，選擇匹配的材質(zhì)或者硬質(zhì)合金，根據(jù)造穴尺寸的需要變換刀體長(zhǎng)度滿足工程的需要。

3） PDC孕鑲刀片切削刃采用適合煤巖層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，個(gè)性化的切削元件，保證了大直徑擴(kuò)孔工具的使用壽命和擴(kuò)孔速度。

3 大直徑擴(kuò)孔工具水力優(yōu)化設(shè)計(jì)

該工具的水力結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括蓄能腔體內(nèi)流管道的優(yōu)化；連接體流道設(shè)計(jì)及內(nèi)流管道的優(yōu)化，刀體內(nèi)流管道設(shè)計(jì)與內(nèi)徑優(yōu)化，噴嘴直徑的選擇等。

設(shè)計(jì)的總原則是在泵壓一定的情況下，能夠合理分配整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的水力能量，盡量減少沿程水力損失，加大刀體噴嘴處的壓降，達(dá)到最大射流沖擊力。立管壓力與噴嘴壓降以及射流沖擊力的關(guān)系由式（1）～（3）表示。通過(guò)計(jì)算優(yōu)選出噴嘴直徑，如表3。當(dāng)噴嘴直徑為16 mm時(shí)，現(xiàn)有設(shè)備情況下射流沖擊力最大，噴嘴壓降也適合本工具水力設(shè)計(jì)需求。按照式（1）計(jì)算，壓降在合理范圍之內(nèi)。

式中：Δpb為鉆頭壓降，MPa；Δpx為環(huán)空壓耗，MPa；ρd為泥漿密度，kg／m3；Δps為立管壓力，MPa；Δpp為鉆柱內(nèi)壓降，MPa；Δpm為井下動(dòng)力鉆具壓耗，MPa，其值一般為固定值0.5 MPa；Q為排量，L／s；A0為噴嘴當(dāng)量面積，m2；dne為噴嘴當(dāng)量直徑，mm。其中。

表3 噴嘴優(yōu)選數(shù)值

應(yīng)用流體力學(xué)軟件CFD進(jìn)行模擬分析，循環(huán)介質(zhì)為清水，密度1 g／cm3，排量8 L／s，流量系數(shù)為0.96。噴嘴直徑?16 mm，蓄能腔內(nèi)徑?81 mm、外徑?146 mm。內(nèi)部流道模型如圖4。工具工作狀態(tài)下的流速分布如圖5。

圖4 工具內(nèi)部流道模型網(wǎng)格

圖5 工具刀刃及噴嘴工作速度云圖

主體內(nèi)設(shè)置的蓄能補(bǔ)償腔能夠增大非穩(wěn)態(tài)時(shí)鉆井液的瞬時(shí)排量，改變和穩(wěn)定鉆井液在腔內(nèi)的速度流形，緩解鉆井液瞬時(shí)沖擊作用于下面的150 mm縮徑腔，在非穩(wěn)態(tài)時(shí)增加鉆井液的流速，作為連接部件的初始排量，緩解連接部件的壓降損失，起到補(bǔ)償壓降，蓄能增壓的作用。圖6為工具瞬時(shí)流量變化云圖，圖7是工具蓄能補(bǔ)償裝置蓄能增壓過(guò)程流量云圖。

圖6 工具內(nèi)部流道瞬時(shí)流量云圖

圖7 工具內(nèi)部瞬時(shí)增壓流量云圖

4 擴(kuò)孔施工

1） 施工前準(zhǔn)備 工具搬運(yùn)前檢查水眼、主體、螺紋以及連接部件。保證井眼暢通，主體及螺紋無(wú)刺漏點(diǎn)，連接部件靈活適中，使工具能夠順利下入預(yù)擴(kuò)井段。同時(shí)，需對(duì)使用的設(shè)備、儀表檢查，保證設(shè)備性能和機(jī)器量程精準(zhǔn)；上部井段井下安全，維護(hù)和處理好鉆井液性能，要具有較好流變性能，保證井眼的清潔。

2） 入井檢查 工具入井前做好地面試驗(yàn)，確保工具工作部件（例如刀頭牙輪）能夠彎曲自如，連接部件不漏壓等，保證擴(kuò)孔工具下井安全可靠；同時(shí)，根據(jù)施工井位的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，優(yōu)選刀頭及噴嘴的大小和鉆井液排量。

3） 輔助作業(yè) 下井工具竄需要安放滿眼扶正器，位置在套管內(nèi)以靠近套管鞋處為宜，主要是保證下部工具竄的剛度，保證擴(kuò)孔造穴工具居中和作業(yè)穩(wěn)定。

4.2 井下作業(yè)

1） 下鉆 工具連接需使用雙鉗緊扣達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)推薦轉(zhuǎn)矩。下鉆操作嚴(yán)格控制速度，當(dāng)工具經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)、喇叭口、封井器以及特殊井段時(shí)，防止突然遇阻造成工具損壞等復(fù)雜事故發(fā)生。下鉆過(guò)程中嚴(yán)禁開(kāi)泵、嚴(yán)禁用擴(kuò)孔工具劃眼，遇阻應(yīng)起鉆通井。

2） 造微臺(tái)階 工具下到預(yù)定擴(kuò)孔位置，首先開(kāi)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具，轉(zhuǎn)速控制在60 r／min，轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)后，一個(gè)缸套啟鉆井泵，循環(huán)建立后，逐漸加大變?yōu)?個(gè)缸套，旋轉(zhuǎn)擴(kuò)孔30 min，再加大排量換3個(gè)缸套，注意觀察轉(zhuǎn)矩變化，此時(shí)不要下放鉆具，當(dāng)牙輪完全側(cè)彎后，再緩慢增加鉆壓，逐步增加到正常鉆壓。

3） 造穴擴(kuò)孔 正常鉆進(jìn)擴(kuò)孔需要專人負(fù)責(zé)操作剎把，控制鉆壓，時(shí)刻注意觀察轉(zhuǎn)矩、泵壓等參數(shù)的變化。根據(jù)各項(xiàng)參數(shù)情況隨時(shí)調(diào)整鉆壓，提高擴(kuò)孔造穴效果。每次完成進(jìn)尺5 m以上，需要進(jìn)行重復(fù)造穴時(shí)，此操作嚴(yán)防鉆具猛烈反轉(zhuǎn)，造成倒扣，嚴(yán)禁溜鉆。

4） 收刀起鉆 起鉆前應(yīng)充分循環(huán)，攜帶煤屑清洗井眼，然后停泵。停泵后繼續(xù)旋轉(zhuǎn)3～5 min，然后緩慢上提鉆具，記錄好鉆具懸重，窗口最多不超過(guò)50 k N，嚴(yán)防一次性拔死；可以下放鉆具到大井眼，反復(fù)活動(dòng)鉆具及開(kāi)停泵，直到牙輪回收后再慢慢上提。

5 結(jié)論

1） 大直徑擴(kuò)孔技術(shù)能夠滿足煤層氣造穴尺寸要求，在保護(hù)儲(chǔ)層，提高導(dǎo)流能力，輔助后續(xù)作業(yè)等方面具有顯著效果，進(jìn)一步提高煤層氣等低效油氣藏的開(kāi)發(fā)效率。

2） RT152-500型射流式PDC大直徑擴(kuò)孔工具具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠根據(jù)地層軟硬優(yōu)選切削刃或根據(jù)造穴擴(kuò)孔需要，選擇合適的刀片型號(hào)。

3） 該工具具有一定的推廣價(jià)值，除能用于煤層氣井?dāng)U眼造穴外，還可用于短半徑水平井?dāng)U眼造穴、儲(chǔ)氣層擴(kuò)眼造穴等，應(yīng)用前景較為廣闊。

［1］ STEPHEN D，SCHWOCHOW.CBM：Coming to a Basin Near You［J］.Oil and Gas Investor，2002（12）：12-16.

［2］ REEVES S R，ONEILL P J.Preliminary results from the broadmeadow pilot，project Bowen basin Australia［R］.The University of Alabama／Tuscaloosa，1989.

［3］ 鄭學(xué)濤，趙玉珍.赴美國(guó)考察煤層氣開(kāi)發(fā)與利用情況介紹［J］.煤礦設(shè)計(jì)，1997，28（3）：46-51.

［4］ 鄭毅，黃洪春.中國(guó)煤層氣鉆完井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展方向.石油學(xué)報(bào)，2002，23（3）：81-85.

［5］ 易燦，李根生，胡永堂.淹沒(méi)條件下錐形噴嘴射流破巖效率實(shí)驗(yàn)研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2001，29（1）：10-11.

［6］ Haciislamoglu M，Cartalos U.Practical pressure loss predictions in realistic annular geometries［R］.SPE28304，1994：113-126.

［7］ Delwiche R A，Lejeune M W D，Mawet P F B N，Vighetto R.Slimhole drilling hydraulics［R］.SPE24596，1992：527-541.

［8］ 高清春，丁文正，曹生，等.長(zhǎng)水平段井眼清潔控制技術(shù)及應(yīng)用［J］.重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，12（6）：65-68.

［9］ 馬永峰.美國(guó)西部盆地煤層氣鉆井和完井技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2003，25（4）：32-34.

［10］ 李根生，易燦，吳波.雙射流噴嘴破巖擴(kuò)孔的實(shí)驗(yàn)研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2001，29（3）：9-10.

［11］ 趙金鳳，徐世杰，袁鵬斌.定向穿越井中外螺紋接頭粘扣原因分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2014，43（3）：63-66.

［12］ 尹家峰.水平段環(huán)空壓耗與巖屑運(yùn)移規(guī)律數(shù)值模擬［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2014，43（3）：57-59.

Development of Large Diameter Jetting PDC Reaming Tool of CBM Wells

LI Zhuang
（GWDC Engineering Research Institute，CNPC，Panjin 124010，China）

Based on the principle and performance of reamer both at home and abroad，according to the characteristics of coal petrography，a large diameter jetting PDC reaming tool（RT152-500）which is applied to cavitation completion of CBM wells completion is developed.Based on high pressure jet fluid mechanics mechanism，high and low pressure flow channel and nozzle diameter are optimal designed by using CFD software.It is an effective pressure compensation and energy storage device，and driven by hydraulic power in the whole process.The synergistic effect of high pressure jet broken and mechanical broken can be achieved.Larger than 500 mm diameter hole is formation after expanding when used 142mm small size tool.The structure of the tool is simple，the operation is safe and reliable and the cavitation ability is strong.

CBM；large diameter reaming；tool；hydraulic optimization

TE921.203

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.12.008

1001-3482（2014）12-0031-04

2014-06-09

李 壯（1982-），男，湖南郴州市人，工程師，2005年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事鉆井技術(shù)工作，E-mail：lizhuang20011507＠163.com。