煤層氣頂板泥巖造穴工具研制及應(yīng)用

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(渤海鉆探工程技術(shù)研究院，河北 任丘 062552)①

在煤層氣井開采中,為了保證羽狀分支井鉆井中主水平井與抽排井軌跡的交匯，消除已經(jīng)發(fā)生的煤層部位的地層損害，并在井眼周圍形成大面積含有大量張性裂縫的卸載區(qū)，用以提高井眼周圍割理裂縫的滲透性，使井眼與地層之間實現(xiàn)有效連通而達到增產(chǎn)的目的，常采用裸眼洞穴完井[1-4]。然而，裸眼洞穴存在井壁不穩(wěn)定、容易坍塌，給后續(xù)施工及排采帶來諸多難題。為此，華北油田首先在山西沁水盆地開展了煤層氣頂板泥巖造穴的先導(dǎo)試驗，在特殊的U型、E型井中，為了降低主井眼和洞穴井的連通難度，也便于后續(xù)排采，常采用頂板泥巖造穴[5-6]。由于頂板泥巖地質(zhì)致密，導(dǎo)致在該處進行造穴作業(yè)時造穴工具磨損嚴重，造穴效率低下，傳統(tǒng)的煤層造穴工具常出現(xiàn)刀翼斷裂等安全事故，不適合于頂板泥巖造穴。為此，渤海鉆探工程技術(shù)研究院在傳統(tǒng)的煤層造穴的基礎(chǔ)上，研發(fā)了一種由水力噴射和機械破巖復(fù)合而成的單翼造穴工具，并通過現(xiàn)場試驗，不斷的完善、改進，最終形成了一套成熟的頂板泥巖造穴技術(shù)，為山西煤層氣的勘探開發(fā)提供了有力的技術(shù)支撐。

1 工具的結(jié)構(gòu)及工作原理

頂板泥巖造穴工具主要由本體、心軸、刀翼3部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。作業(yè)示意圖如2所示。

圖1 造穴工具結(jié)構(gòu)示意

圖2 造穴工具作業(yè)示意

本體連接鉆桿，并為工具的旋轉(zhuǎn)提供轉(zhuǎn)矩。心軸主要起連接刀翼與本體的作用，且其上部有水流通道，能夠讓水流流到刀翼內(nèi)。刀翼上均布有一圈切削齒。施工時，首先打開泥漿泵，鉆井液沿著工具中的液流通道到達刀翼，從刀翼的水眼流出。在水眼處水流的反作用力下，刀翼逐漸向上抬起，切割上部套管及地層，開始造臺階。當?shù)兑硗耆珡堥_后，開施加鉆壓鉆進，直至造好洞穴。由于頂板泥巖地層堅硬，造穴施工作業(yè)分兩步進行，第1步：下入DBZXQ-300型造穴工具，將洞穴位置處的玻璃鋼套管與水泥環(huán)清理干凈，并造出直徑300 mm的洞穴；第2步：下入DBZXQ-600型造穴工具，將直徑300 mm的洞穴擴大為600 mm。

2 工具的技術(shù)參數(shù)

單翼造穴工具根據(jù)工作時的效果不同分為切割玻璃鋼和水泥環(huán)的鍛銑工具和切割地層的造穴工具2種。這2種工具的技術(shù)參數(shù)如1表所示。

表1 單翼造穴工具主要技術(shù)參數(shù)

3 力學(xué)參數(shù)計算

單翼造穴工具的力學(xué)結(jié)構(gòu)計算主要包括2部分：鉆井液流經(jīng)造穴工具后的壓降大小及水流對刀翼的反作用力大小。

3.1 鉆井液流過造穴工具后的壓降

鉆井液流經(jīng)水眼時的節(jié)流壓降計算公式為：

Δp=0.082 7×ρ×Q2/d4

(1)

式中：ρ為鉆井液密度，g/cm3，取ρ=1 g/cm3；Q為單翼造穴工具工作時泥漿泵排量，L/s；d為水眼直徑，cm，初步選定為d=1.6 cm。

分別選取單翼造穴工具實際工作排量為：3.5、7.0、10.0、14.0、21.0 L/s，計算其工作壓降，如表2。

表2 單翼造穴工具理論計算噴嘴壓降

3.2 水流對刀翼的反作用力計算

單翼造穴工具開始造穴前，需要在初始位置造1個臺階。由于初始造臺階時無法加壓，只能靠水流對刀翼的上推力來實現(xiàn)上部地層施壓，故推力的大小亦決定了造臺階的快慢。水流對刀翼的反作用力為：

F=ρ×πd2×v2/4

(2)

式中：F為水流對刀翼的反作用力，N；ρ為鉆井液密度，kg/m3，取ρ=1×103kg/m3；v為鉆井液流速，m/s。

鉆井液流速v取決于水眼直徑與泥漿泵排量，排量分別取值3.5、7.0、10.0、14.0、21.0 L/s時，計算其反作用力F，如表3所示。

表3 不同排量下的水流反作用力

以造穴直徑300 mm的造穴工具的刀翼尺寸為基準,計算刀翼在自身重力作用下的力矩值。

計算刀翼以心軸為中心旋轉(zhuǎn)時的力矩為：

M=M1-M2=(m1-m2)g×L=2.7

(3)

式中：M為力矩，N·m；m1為刀翼轉(zhuǎn)動大端質(zhì)量，kg；m2為刀翼轉(zhuǎn)動小端質(zhì)量，kg；L為刀翼重心離轉(zhuǎn)動中心的距離,m。

計算刀翼在水流作用力下的力矩為：

M3=F3×L3

(4)

式中：F3為水流的反作用力；M3為水流作用力矩；L3=0.105 m。

分別帶入不同的作用力值，計算得力矩如表4所示。

表4 作用力與力矩的關(guān)系

由表3～4可以看出，當泥漿泵排量為3.5 L/s時，計算所得的力矩值為32.2 N·m，遠大于刀翼自身在重力作用下的力矩值2.7 N·m，能夠滿足造穴工具的使用要求。通常，井隊所用泥漿泵最小排量為7 L/s，此時的力矩值為128.63 N·m,該值遠大于2.7 N·m。所以，單翼造穴工具在噴嘴直徑為16 mm、排量為7 L/s的情況下能夠順利抬起，且對上部地層的切削力能夠滿足造臺階的要求，即能夠適應(yīng)現(xiàn)場需求。

4 單翼造穴工具技術(shù)特點

1) 單翼造穴工具起下容易、可靠。工具未開啟或收回后刀桿處尺寸不大于本體外徑，可以保證造穴工具工作完畢后，順利通過上層套管。

2) 單翼造穴工具打開和收回簡單，安全可靠。工具的打開是靠泥漿流經(jīng)刀翼水眼時在水流的反作用力下推動刀翼張開；工具的收回則是停泵后刀翼在自身重力作用下下垂，自動收回，不會存在因為刀翼變形而無法回收的現(xiàn)象。

3) 自上而下的作用方式利于加壓鉆進。單翼造穴工具正常工作時與鉆井工序一致，也是需要不斷的加壓鉆進，有利于鉆井過程的控制，且可根據(jù)地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同來調(diào)節(jié)鉆壓大小。

4) 單翼造穴工具結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠。單翼造穴工具的結(jié)構(gòu)主要分為3部分，結(jié)構(gòu)簡單可靠，且由于單刀翼的緣故，當工具鉆遇硬地層時具有自動向中間收縮的柔性，安全性高，不易發(fā)生復(fù)雜事故。

5 技術(shù)改進

頂板泥巖造穴工具首先在鄭1平-4v井得到了應(yīng)用。該井由井隊應(yīng)用煤層造穴工具進行造穴作業(yè)，連續(xù)下鉆3次，由于地層太硬導(dǎo)致兩套造穴工具報廢，造穴失敗。之后應(yīng)用頂板泥巖造穴工具后，前后也下鉆11次才最終完成造穴施工。鑒于此，技術(shù)人員通過分析、總結(jié)，對頂板泥巖造穴工具及施工工藝作出了防磨、防偏心改進措施，主要包括在施工工藝上匹配螺旋式穩(wěn)定器及鉆挺，對工具磨損嚴重區(qū)域通過嵌入鋼釘、堆焊硬質(zhì)合金等措施，解決了工具磨損嚴重的問題，實現(xiàn)了重復(fù)利用。

6 應(yīng)用

鄭試1平-4v2井位于山西沁水盆地，是一口洞穴排采井，為了后續(xù)的施工作業(yè)，需要在煤層上面頂板泥巖上進行造穴，并根據(jù)設(shè)計要求，確定洞穴位置685.4～691.4 m，洞穴直徑600 mm,洞穴深度6 m。

井口試驗工具張開正常后，下入DBZXQ-300型造穴工具，原地切割4 h后，返出巖屑中見不少玻璃纖維，試加壓30 kN成功，后加鉆壓10 kN鉆進，轉(zhuǎn)速45 r/min，排量 15 L/s，泵壓5 MPa，后一趟鉆共計14.5 h完成鍛銑施工，整個過程順利。起出工具整體基本完好。

鍛銑施工完成后，連接DBZXQ-600型造穴工具。首先井口試驗，刀翼正常抬起后，下鉆。原地切割2 h后，試加壓30 kN，造臺階成功，將轉(zhuǎn)速提高至45 r/min，排量 15 L/s，泵壓5 MPa，以鉆壓20 kN鉆進，共計19 h，造穴1.77 m。之后，因為在焊接高壓管線的過程中使用的毛巾掉進水龍帶中未被發(fā)現(xiàn)，開泵后堵在工具水眼中。起鉆觀察，工具的下刀尖磨損比較嚴重。重新下入一套新的工具，鉆壓2.5～30.0 kN，轉(zhuǎn)速45 r/min，共計22.3 h，造穴4.23 m，累計造穴6 m，造穴位置685.4～691.4 m，起出工具，其本體背面及底部磨損比較嚴重，刀臂基本完好。

7 結(jié)論

1) 鄭試1平-4v2井的現(xiàn)場試驗表明，單翼造穴工具是一種有效的頂板泥巖造穴工具，能夠保證洞穴所需的尺寸。

2) 針對頂板泥巖造穴技術(shù)難點，對頂板泥巖造穴工具及施工工藝作出的防磨、防偏心改進措施取得了預(yù)定的效果，減少了工具磨損，修復(fù)后可重復(fù)利用，降低了成本。

3) 單翼造穴工具結(jié)構(gòu)簡單，性能安全可靠，克服了頂板泥巖地層致密，研磨性強的困難，能夠同時滿足煤層、頂板泥巖造穴的需要，并能用于鹽井造穴，應(yīng)用前景廣闊。

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