煤層氣井射流式PDC大直徑擴孔工具研制

李 壯

（中國石油集團長城鉆探工程技術研究院，遼寧盤錦124010）

煤層氣井射流式PDC大直徑擴孔工具研制

李 壯

（中國石油集團長城鉆探工程技術研究院，遼寧盤錦124010）

在深入調研國內外擴孔器原理和性能的基礎上，研制出適應煤層氣完井造穴用的RT152-500型射流式PDC大直徑擴孔工具。依據流體力學的高壓噴射作用機理，利用CFD計算軟件對工具內高、低壓流道及噴嘴直徑進行優化設計，形成有效的壓降補償蓄能裝置，全程水力驅動，達到高壓噴射破巖和機械破巖的協同作用，實現?142 mm小通徑工具進入，擴孔后直徑大于?500 mm的大直徑洞穴。該工具結構簡單，作業安全可靠，造穴能力強。

煤層氣；大直徑擴孔；工具；水力優化

煤層氣是一種極富開發價值的新型能源，具有熱值高，使用清潔、安全環保的特點［1］。我國煤層氣儲量豐富，埋深在300～2 000 m的資源量達到31.46×1012m3，相當于450×108t標準煤，位居世界第3位［2-3］。煤層氣資源的開發利用對緩解常規資源的供需壓力，改善國內能源結構具有重要意義。在煤層氣等低效氣藏開發技術中，如何提高導流能力是實現煤層氣產業開發的關鍵。國外實踐證明［3-5］，通過擴大井眼直徑，在保護儲層，提高導流能力，輔助后續作業等方面獲得了顯著效果。為進一步提高低效油氣藏和煤層氣井開發效率，研究和開發用于裸眼造穴的大直徑擴孔工具和工藝，成為煤層氣等低效氣藏開發亟待解決的技術難題。

1 煤層氣大直徑擴孔技術

大直徑擴孔技術不但能夠滿足煤層氣造穴擴孔的尺寸要求，并且能夠有效移除前期鉆完井過程中所產生的傷害地層，使其產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，實現儲層保護最有效的方法。國內、外鉆井過程中擴大井眼直徑一般采用擴孔器［6］。當前，國內煤層氣資源已進入規模開發階段，年均鉆井1000口，水平井和多分支井85口，市場潛力巨大［7］。

國內在雙中心鉆頭、偏心擴孔鉆頭、機械式PDC擴眼器、液壓牙輪式／PDC等常規擴孔工具及技術上較為成熟，擴孔后井徑增幅20%～30%；國外較為前沿的隨鉆擴孔技術系列井徑增幅15%～25%［8］。長城鉆探公司的鉆后微臺階擴孔技術已大面積推廣應用，處于國內領先水平，大井眼微臺階擴孔技術也已成熟，但尚不具備煤層氣造穴等大直徑擴孔的工具及工藝技術。煤層氣井擴孔技術與常規油氣井擴孔技術的區別如表1。目前，適合于煤層氣等低效氣藏開發的大直徑擴孔工具較少，現有造穴擴孔工具存在效率低，擴后孔徑小，工具結構不合理，安全性能差等問題；工藝上受到排量和泵壓的限制，無法滿足煤層氣井擴孔的大尺寸井徑要求。

表1 煤層氣井大直徑擴孔與常規井擴孔區別

煤層氣井射流式PDC大直徑擴孔工具的研制，克服了現有造穴擴孔工具存在效率低，孔徑小，結構不合理，安全性能差及工藝受到排量和泵壓的限制等難點問題，實現用?142 mm小通徑工具，完成大于?500 mm的大直徑洞穴擴孔，現場應用證明該工具結構簡單，作業安全可靠，造穴能力較強。

2 大直徑擴孔工具研制

長城鉆探工程技術研究院圍繞煤層氣開發的造穴擴孔問題，結合國內外工具現狀以及現場設備情況，經過科技攻關，研制出了一款適應煤層氣完井造穴用的RT152-500型射流式PDC大直徑擴孔工具。試驗表明：工具性能可靠，原理正確、結構簡單、工藝可操作性強。

2.1 工具結構

該工具結構如圖1～3所示，主要由保護接頭、蓄能補償腔體、主體、空心軸承、PDC孕鑲刀體等部分組成。

圖1 射流式PDC大直徑擴孔工具

圖2 主體及刀頭水眼結構

圖3 刀頭PDC孕鑲結構

2.2 工作原理

煤層氣大直徑擴孔工具依靠水力射流的形式驅動刀體與主體之間形成角度，設置的蓄能補償腔體能夠改變非穩態時鉆井液流速，迫使鉆井液在短時間內流量增加，達到提高流體速度的效果，補償和緩解中間連接部位的能量損失和激動壓力。當工具下到預定擴孔位置后，轉盤低轉速旋轉，小排量開泵，利用刀體倒“L”型流道設計，使鉆井液通過刀體最后噴嘴產生壓降，形成射流。由于噴嘴內徑與常規噴嘴相比較小，噴射效果較強。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，使刀頭在轉動過程中配合離心力鎖定。約旋轉30 min后，泵壓小幅度變化，說明大直徑擴孔第1步造臺階完成；然后加大泵壓提高噴嘴的射流能力，同時逐漸加大鉆壓使PDC刀頭與主體趨于垂直狀態，然后小鉆壓鉆進造穴。通常地面設備功率較低時PDC刀體上設置1個水眼，如果功率較大設置2或者3個水眼，具體參數如表2。

表2 煤層氣井大直徑擴孔工具參數

2.3 技術特點

1） 全程水力推進，結構簡單，安全可靠，工具隨著鉆桿帶動旋轉，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現破巖擴孔造穴的功能。

2.1 兩組患者手術中情況比較 兩組患者手術中出血量比較，差異無統計學意義（P＞0.05），觀察組的手術時間明顯長于對照組，差異有統計學意義（P＜0.05）。見表2。

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

3） PDC孕鑲刀片切削刃采用適合煤巖層的結構設計，個性化的切削元件，保證了大直徑擴孔工具的使用壽命和擴孔速度。

3 大直徑擴孔工具水力優化設計

該工具的水力結構優化設計主要包括蓄能腔體內流管道的優化；連接體流道設計及內流管道的優化，刀體內流管道設計與內徑優化，噴嘴直徑的選擇等。

設計的總原則是在泵壓一定的情況下，能夠合理分配整個循環系統的水力能量，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系由式（1）～（3）表示。通過計算優選出噴嘴直徑，如表3。當噴嘴直徑為16 mm時，現有設備情況下射流沖擊力最大，噴嘴壓降也適合本工具水力設計需求。按照式（1）計算，壓降在合理范圍之內。

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

表3 噴嘴優選數值

應用流體力學軟件CFD進行模擬分析，循環介質為清水，密度1 g／cm3，排量8 L／s，流量系數為0.96。噴嘴直徑?16 mm，蓄能腔內徑?81 mm、外徑?146 mm。內部流道模型如圖4。工具工作狀態下的流速分布如圖5。

圖4 工具內部流道模型網格

圖5 工具刀刃及噴嘴工作速度云圖

主體內設置的蓄能補償腔能夠增大非穩態時鉆井液的瞬時排量，改變和穩定鉆井液在腔內的速度流形，緩解鉆井液瞬時沖擊作用于下面的150 mm縮徑腔，在非穩態時增加鉆井液的流速，作為連接部件的初始排量，緩解連接部件的壓降損失，起到補償壓降，蓄能增壓的作用。圖6為工具瞬時流量變化云圖，圖7是工具蓄能補償裝置蓄能增壓過程流量云圖。

圖6 工具內部流道瞬時流量云圖

圖7 工具內部瞬時增壓流量云圖

4 擴孔施工

1） 施工前準備 工具搬運前檢查水眼、主體、螺紋以及連接部件。保證井眼暢通，主體及螺紋無刺漏點，連接部件靈活適中，使工具能夠順利下入預擴井段。同時，需對使用的設備、儀表檢查，保證設備性能和機器量程精準；上部井段井下安全，維護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，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，保證擴孔工具下井安全可靠；同時，根據施工井位的現場實際情況，優選刀頭及噴嘴的大小和鉆井液排量。

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

4.2 井下作業

1） 下鉆 工具連接需使用雙鉗緊扣達到標準推薦轉矩。下鉆操作嚴格控制速度，當工具經過轉盤、喇叭口、封井器以及特殊井段時，防止突然遇阻造成工具損壞等復雜事故發生。下鉆過程中嚴禁開泵、嚴禁用擴孔工具劃眼，遇阻應起鉆通井。

2） 造微臺階 工具下到預定擴孔位置，首先開動轉盤轉動鉆具，轉速控制在60 r／min，轉動平穩后，一個缸套啟鉆井泵，循環建立后，逐漸加大變為2個缸套，旋轉擴孔30 min，再加大排量換3個缸套，注意觀察轉矩變化，此時不要下放鉆具，當牙輪完全側彎后，再緩慢增加鉆壓，逐步增加到正常鉆壓。

3） 造穴擴孔 正常鉆進擴孔需要專人負責操作剎把，控制鉆壓，時刻注意觀察轉矩、泵壓等參數的變化。根據各項參數情況隨時調整鉆壓，提高擴孔造穴效果。每次完成進尺5 m以上，需要進行重復造穴時，此操作嚴防鉆具猛烈反轉，造成倒扣，嚴禁溜鉆。

4） 收刀起鉆 起鉆前應充分循環，攜帶煤屑清洗井眼，然后停泵。停泵后繼續旋轉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50 k N，嚴防一次性拔死；可以下放鉆具到大井眼，反復活動鉆具及開停泵，直到牙輪回收后再慢慢上提。

5 結論

1） 大直徑擴孔技術能夠滿足煤層氣造穴尺寸要求，在保護儲層，提高導流能力，輔助后續作業等方面具有顯著效果，進一步提高煤層氣等低效油氣藏的開發效率。

2） RT152-500型射流式PDC大直徑擴孔工具具有結構簡單，操作方便，可靠性強的特點，能夠根據地層軟硬優選切削刃或根據造穴擴孔需要，選擇合適的刀片型號。

3） 該工具具有一定的推廣價值，除能用于煤層氣井擴眼造穴外，還可用于短半徑水平井擴眼造穴、儲氣層擴眼造穴等，應用前景較為廣闊。

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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年畢業于長江大學機械設計制造及其自動化專業，現從事鉆井技術工作，E-mail：lizhuang20011507＠163.com。