水力振蕩器在焦石壩頁巖氣井中的應(yīng)用

孫　凱

(中石化中原石油工程有限公司 鉆井一公司，河南 濮陽 457001)*

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水力振蕩器在焦石壩頁巖氣井中的應(yīng)用

孫凱

(中石化中原石油工程有限公司 鉆井一公司，河南 濮陽 457001)*

摘要：涪陵焦石壩區(qū)塊頁巖氣資源豐富，是中國第一個(gè)頁巖氣產(chǎn)能建設(shè)示范區(qū)，而三維定向井是開發(fā)頁巖氣的重要手段。針對焦石壩區(qū)塊地質(zhì)條件復(fù)雜的客觀情況，在二開鉆進(jìn)中使用水力振蕩器，降低井下模阻，提高機(jī)械鉆速，成功解決了三維井托壓嚴(yán)重、扭方位工作量大等技術(shù)難題，從而加快了礁石壩頁巖氣產(chǎn)能建設(shè)的步伐。

關(guān)鍵詞：頁巖氣；水力振蕩器；三維定向；鉆井

由于涪陵焦石壩頁巖氣井二開鉆進(jìn)地層較多，其中，龍馬溪組上部濁積砂巖層可鉆性差，研磨性強(qiáng)，砂巖與泥巖交錯(cuò)，軟硬交替頻繁，龍馬溪組濁積砂研磨性強(qiáng)，部分井鉆遇黃銅礦，鉆頭損耗嚴(yán)重。除此之外，還存在地層自然增斜顯著、穩(wěn)斜段軌跡控制難、扭方位工作量大，井下摩阻大、托壓明顯，定向速度慢等復(fù)雜地質(zhì)情況。針對焦石壩區(qū)塊地質(zhì)條件復(fù)雜的客觀情況，在二開鉆進(jìn)中使用水力振蕩器，成功解決了三維井托壓嚴(yán)重、扭方位工作量大等難題，明顯提高了機(jī)械鉆速，縮短了鉆井周期，節(jié)約了鉆井成本[1-5]。

1水力振蕩器工作原理

水力振蕩器由產(chǎn)生壓力波動(dòng)脈沖工具(動(dòng)力部分、閥片及軸承系統(tǒng))和激勵(lì)工具(振蕩短節(jié))2部分組成，如圖1所示。

水力振蕩器是以鉆井液作為動(dòng)力源，將液體能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，通過萬向軸總成傳遞給流量閥總成的動(dòng)閥片，使動(dòng)閥片和定閥片的流通孔相互交錯(cuò)，導(dǎo)致其過流面積發(fā)生變化，每一個(gè)微小變化都會(huì)在閥軸總成處產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的連續(xù)變化的水擊增壓或降壓波[6-9]。

工具的動(dòng)力部分由一個(gè)2∶1的馬達(dá)組成，馬達(dá)轉(zhuǎn)子的下端固定一個(gè)閥片，因此，流體通過動(dòng)力部分時(shí)，驅(qū)動(dòng)心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由于螺桿的特性，末端在一個(gè)平面上往復(fù)運(yùn)動(dòng)(即為動(dòng)閥片)。與動(dòng)力部分連接的是閥門和軸承系統(tǒng)，主要部件是耐磨套和一個(gè)固定的閥片(定閥片)，動(dòng)閥片和定閥片緊密配合，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)兩個(gè)閥片相錯(cuò)和重合，從而導(dǎo)致上游的壓力變化，周期性相對運(yùn)動(dòng)造成流體流經(jīng)工具的截面積(最大值和最小值)周期性的變化，如圖2所示。

圖1　水力振蕩器結(jié)構(gòu)示意

圖2　水力振蕩器壓力脈沖變化示意

水力振蕩器動(dòng)力部分產(chǎn)生壓力脈沖，使上游壓力周期性的變化作用在振蕩短節(jié)(彈簧短節(jié))上，就形成振蕩短節(jié)不斷地壓內(nèi)在的彈簧，形成振動(dòng)，如圖3所示。

圖3　振蕩短節(jié)結(jié)構(gòu)

通過振蕩短節(jié)流體的壓力周期性的變化，作用在短節(jié)內(nèi)的彈簧，由于壓力或大或小，短節(jié)的活塞就在壓力和彈簧的雙重作用下，軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)與工具連接的其他鉆具在軸向上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于彈簧的壓縮消耗能量，所以當(dāng)能量釋放時(shí)，75%的作用力向下，指向鉆頭，其余25%指向鉆頭的背向。

水力振蕩器使與自身相連接的上下鉆具在井眼產(chǎn)生縱向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，鉆具在井底暫時(shí)的靜摩擦變成動(dòng)摩擦，摩擦阻力大大降低，有效地減少因井眼軌跡而產(chǎn)生的鉆具脫壓現(xiàn)象，保證有效的鉆壓。

2水力振蕩器的功能

水力振蕩器可通過自身產(chǎn)生的縱向振動(dòng)提高鉆進(jìn)過程中鉆壓傳遞的有效性及減少鉆具組合與井眼之間的摩阻(將靜態(tài)摩阻轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)摩阻)，可以在所有的鉆進(jìn)模式中，特別是在有螺桿的定向鉆進(jìn)過程中改善鉆壓的傳遞，減少扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，提高鉆進(jìn)機(jī)械效率[10-13]。

1)有效地傳遞鉆壓。通過水力振蕩器的高頻振動(dòng)，改變了只靠鉆具自身重力的加壓方式，鉆具在振動(dòng)的同時(shí)產(chǎn)生向前的沖擊力，使鉆壓能更有效地施加到鉆頭上，防止托壓。

2)防止粘卡。水力振蕩器在工作時(shí)帶動(dòng)井下鉆具保持振動(dòng)，減小鉆具粘卡的幾率。

3)減小摩阻，提高機(jī)械鉆速和工具面的控制。水力振蕩器在井下帶動(dòng)鉆具振動(dòng)時(shí)，將鉆具與井壁間的靜摩擦力變?yōu)閯?dòng)摩擦力，可減小75%～80%摩阻，提高機(jī)械鉆速。

4)保護(hù)鉆頭。水力振蕩器產(chǎn)生的振動(dòng)是溫和的振動(dòng)，不會(huì)對鉆頭或其它鉆具產(chǎn)生破壞(振幅3.175～9.525 mm，振動(dòng)加速度<3g)。在水平井鉆進(jìn)時(shí)，由于鉆具的軸向振動(dòng)，鉆壓較為緩慢地施加到鉆頭上，減小了鉆頭與井底的沖擊，延長鉆頭使用壽命。

3在焦石壩頁巖氣中的應(yīng)用

3.1鉆具組合及水力振蕩器安裝位置優(yōu)選

3.1.1鉆具組合優(yōu)化原則

1)為了減輕定向脫壓，簡化鉆具組合結(jié)構(gòu)，用加重鉆桿代替鉆鋌。

2)螺桿扶正器采用三瓣式偏心扶正器，下扶正器直徑304～306 mm，解決定向托壓難題。

3)當(dāng)水力振蕩器用于比較彎曲的井眼或重力集中效應(yīng)發(fā)生在離井底較遠(yuǎn)井段時(shí)，將工具組合在上部鉆桿中能最大限度發(fā)揮其功能。

焦頁XX井優(yōu)選使用鉆具組合：?311.15 mmPDC+?216 mm 1.25°螺桿+631×410接頭+單流閥+?127 mmNHWDP×1根+隨鉆配合接頭+LWD懸掛短節(jié)+631×410接頭+?127 mmHWDP×17根+?203 mm水力振蕩器+?127 mmHWDP×16根+?127 mmDP。

3.1.2鉆頭選擇

焦頁XX井上趟鉆使用的Smith MDI616LBPX PDC鉆頭，雖保徑齒輕微磨損，但仍可使用，因此，鉆頭仍選擇MDI616LBPX鉆頭。

3.2鉆井參數(shù)優(yōu)選

3.1.1試驗(yàn)井段

焦頁XX井二開鉆進(jìn)至2 100 m左右，井斜達(dá)24°左右，裸眼段長1 350 m，斜井段350 m，定向脫壓，復(fù)合鉆時(shí)5～8 min/m，定向鉆時(shí)25～35 min/m，繼續(xù)鉆進(jìn)至2 190 m，脫壓嚴(yán)重，起鉆換鉆具組合，試驗(yàn)性使用水力振蕩器。

試驗(yàn)井段：2 190～2 608 m，總進(jìn)尺418 m，井斜從29.20°增加至53.20°，方位由211.30°扭至201.00°。

3.1.2試驗(yàn)水力振蕩器規(guī)格(如表1)

表1　焦頁XX井二開試驗(yàn)水力振蕩器規(guī)格及技術(shù)范圍

3.1.3鉆井參數(shù)

鉆壓80～120 kN，轉(zhuǎn)盤鉆速40～60 r/min，排量50 L/s，泵壓22～25 MPa。

3.1.4鉆井液性能

密度1.27～1.29 g/cm3，黏度48～52 s，初/終切3/6 Pa，失水3～5 ml，泥餅0.5 mm。

3.3試驗(yàn)效果分析(如圖4)

從圖4可見，焦頁XX井二開鉆進(jìn)至2 190 m，在定向脫壓情況下，使用水力振蕩器，可以提高定向滑動(dòng)鉆進(jìn)機(jī)械鉆速，機(jī)械鉆速相對提高78.67%。2014年在焦石壩工區(qū)9口井定向鉆具組合中加入水力振蕩器，成功解決定向“托壓”技術(shù)難題，基本上無“托壓”現(xiàn)象，提高了定向滑動(dòng)鉆速，定向滑動(dòng)與雙驅(qū)鉆進(jìn)鉆速基本相當(dāng)，縮短了定向周期。9口使用水力振蕩器井定向周期34.04 d，比其它24口未使用水力振蕩器井36.26 d縮短了2.22 d(6.12%)。

圖4　焦頁XX井二開水力振蕩器試驗(yàn)結(jié)果對比

4結(jié)論

1)通過在焦頁XX井二開定向段試驗(yàn)性應(yīng)用水力振蕩器，在定向滑動(dòng)脫壓情況下，使用水力振蕩器可適當(dāng)緩解定向脫壓難題，提高定向滑動(dòng)機(jī)械鉆速。

2)試驗(yàn)性應(yīng)用水力振蕩器，表明水力振蕩器振動(dòng)的頻率和通過工具的流量是線性關(guān)系。

3)二開定向段下部，井斜40°左右，裸眼段長，扭方位大，定向托壓嚴(yán)重，使用水力振蕩器，利用鉆井液通過水力振蕩器內(nèi)的偏心軸，產(chǎn)生振動(dòng)，帶動(dòng)鉆具振動(dòng)時(shí)，將鉆具與井壁間的靜摩擦力變?yōu)閯?dòng)摩擦力，減小75%～80%摩阻。

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Application of Hydraulic Oscillator in Jiaoshiba Shale Gas Well

SUN Kai

(No.1DrillingCompany，ZhongyuanPetroleumEngineeringCo.，Ltd.Puyang457001China)

Abstract：Fuling Jiaoshiba shale gas well is China first shale gas production demonstration area for its rich shale gas in resources，and three-dimensional directional well is an important means of development of shale gas.Aiming at its complex geological conditions of Jiaoshiba blocks and hydraulic oscillator was used to reduce downhole mold resistance and improve ROP，which successfully resolved high three-dimensional backing pressure and large twist azimuth.Thus the production of Jiaoshiba shale gas construction is sped up in the pace for the early realization of domestic shale gas commercialization foundation.

Keywords：shale gas；hydraulic oscillator；three-dimensional；well drilling

中圖分類號：TE921.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.04.021

作者簡介：孫凱(1984-)，男，河南南陽人，工程師，碩士，現(xiàn)從事水平井、多分支井鉆井方面的研究工作，E-mail：sinopecsun@163.com。

收稿日期：2015-09-16

文章編號：1001-3482(2016)04-0082-03