水平井鉆井用連續壓力脈動減阻防卡工具研究

信石玉，高文金，類 歆，余長柏

（1.中石化石油工程機械有限公司研究院，武漢430223；2.中石化石油機械裝備重點實驗室，武漢430223）①

水平井鉆井用連續壓力脈動減阻防卡工具研究

信石玉1，2，高文金1，2，類 歆1，2，余長柏1，2

（1.中石化石油工程機械有限公司研究院，武漢430223；2.中石化石油機械裝備重點實驗室，武漢430223）①

在頁巖氣開發中采用水平井、大位移井和多分支井技術，鉆井和完井過程中經常出現鉆壓傳遞、泥漿馬達滑動鉆進、鉆柱與完井管柱下入困難等問題。連續壓力脈動減阻防卡工具利用泥漿循環壓力作為動力，采用螺桿結構有效進行壓力能與機械能轉化，打破靜態摩擦狀態并消除扭轉振動，減少鉆具拖壓和卡鉆現象、提高對工具面的控制能力，增加鉆速和鉆頭壽命。采用理論模擬與室內試驗結合的方式驗證工具的性能。介紹了連續壓力脈動減阻防卡工具的結構、工作原理和應用效果，并提出了使用建議。

頁巖氣；水平井；減阻防卡；工具

經過2013年的大力推進，目前國內頁巖氣開發情況勢頭良好，增強了相關企業的開發信心。需要注意的是，目前的開發成本依舊居高不下，部分開發裝備、技術急需國產化以降低成本。在水平井和大位移井中，軸向鉆壓傳遞是重要問題。因為這些井的位垂比較大，當位垂比達到約4時，軸向鉆壓向下傳遞開始變得困難。隨著鉆進深度增加，位垂比越來越大，將出現過大的摩阻和鉆柱屈曲。一旦垂直井段或小角度斜井段中的鉆壓不足以推動大段斜井或水平井眼中的鉆柱，會導致鉆柱發生自鎖，使得泥漿馬達滑動鉆進、鉆柱與完井管柱的下入、鉆進期間為鉆頭傳遞鉆壓都將變得異常困難。并且，在高摩阻情況下波動的W O B會導致鉆頭的瞬間無規律沖擊，降低其壽命［1］。中石化在四川有很多深直井和超深直井，在勝利油田不僅存在海上開發，而且存在海油陸采的工藝，陸上還有數量可觀的非常規油氣井，隨著鉆井技術的不斷進步與勘探開發難度的持續增加，復雜井的數量越來越多，高摩阻問題也會變得越來越突出。因此，實現有效的鉆壓傳遞、減少滑動鉆進期間的鉆具拖壓現象、減少馬達制動現象、提高對工具面的控制能力，并最終實現提速增效具有十分重要的意義［2-3］。

針對該情況，國外使用連續壓力脈動減阻防卡工具來解決此類問題，最初應用于滑動鉆進，2003年開始用于連續管作業，在美國阿拉斯加14-17 A、15-38等6口井上進行了成功的應用，取得了很好的效果。此后，該工具又先后成功應用于直井、馬達導向鉆井、旋轉導向鉆井、大位移井、頁巖氣儲層鉆井等，有效地解決了鉆進過程中的蹩卡、粘滯問題［4-5］。

1 結構及工作原理

連續壓力脈動減阻防卡工具由動力激發部分、閥總成和振動發生部分3個部件組成，如圖1～2。動力激發部分是1個容積式馬達，鋼制轉子與橡膠定子采用1：2頭配置（常規螺桿泵動力工具是多瓣式），這種配置較常規多頭配置提供了更大的腔室容積，從而可獲得更高的旋轉速度。該部分并不需要產生轉矩，因此承壓小，不易失效。閥總成位于動力激發部分下端，由1個振蕩閥總成和一個固定閥總成組成，振蕩閥總成連接在容積式馬達轉子下端，固定閥總成固定安裝在工具下接頭頂端。

圖1 動力激發部分和閥總成

圖2 振動發生部分

因為容積式馬達是1∶2頭的配置，當轉子旋轉時，振蕩閥總成以近似直線的運動軌跡前后掃動，振蕩閥總成的運動導致流過固定閥總成的鉆井液形成周期性阻礙，總的過流面積從最大變化到最小，從而在鉆柱中產生預期的壓力脈沖，脈沖頻率與流率成比例關系，數值是12～19 H z，具體數值取決于工具的尺寸和泵排量，如圖3所示。相同排量條件下，規格尺寸越小，過流面積越小，流速越高，振動頻率越高；而在相同頻率下，大尺寸的工具需要增加其排量，才能達到目的［6-8］。振動發生部分通常位于動力激發部分上端，將壓力脈沖轉化成機械運動。振動發生部分有1個靠彈簧承托的心軸，心軸在鉆桿內部壓力和環空壓力之間實現密封，當內壓作用在內部的密封區域時，推動芯軸擴張；當壓力減小，彈簧將芯軸推回初始位置，由此心軸完成1次上下振動。振動發生部分的工作沖程一般為3.18～9.53 m m（1／8～3／8英寸），軸向振動始終保持鉆柱處于連續脈動狀態，從而達到降低鉆柱與井眼靜摩擦、改善鉆壓傳遞和減少轉矩波動的目的。

圖3 連續壓力脈動減阻防卡工具流率與頻率的關系

2 應用實例

2.1 國內應用情況

川慶鉆探長慶鉆井總公司承鉆的長慶油田儲氣庫大尺寸四開水平井（榆37-2 H井），完鉆井深5 044 m。在水平段鉆進過程中，未使用連續壓力脈動減阻防卡工具時，進尺52 m，純鉆時間為21.8 h，平均機械鉆速為2.38 m／h?；瑒舆M尺11 m，滑動時間為7.83 h，滑動鉆速為1.4 m／h，拖壓現象嚴重，工具面很難控制，導致其機械鉆速較低；使用連續壓力脈動減阻防卡工具后，機械鉆速立即有明顯提高。其總進尺88 m，純鉆時間為28 h，平均機械鉆速為3.14 m／h?；瑒舆M尺11 m，滑動時間為2.8 h，滑動鉆速為3.93 m／h。兩趟鉆鉆進過程中均使用同一型號牙輪鉆頭。使用該技術工具后，平均機械鉆速提高32%，滑動鉆速提高181%，有效改進工具面控制及鉆壓傳遞效果。

樊莊區塊3號煤層采用多分支水平井鉆井技術開發煤層氣。煤層氣多分支水平井存在安全鉆進及儲層保護、井眼軌道控制、井下復雜事故處理等技術難點。通過2口井現場實施情況表明，在煤層的水平段及分支段鉆進過程中，采用近平衡鉆井，保持井眼軌跡沿煤層中上部靠近煤層頂板位置鉆進，使用連續壓力脈動減阻防卡工具，有效降低了井下摩阻，避免鉆柱的螺旋屈曲，獲得了高質量井眼［9］。

通過以上應用實例可見，連續壓力脈動減阻防卡工具可實現以下目標：增加R O P；減少卡／滑；控制轉矩波動；減少馬達制動；減少擺工具面時間；降低壓差卡鉆風險；通過增強對工具面的控制能力，改善導向性能；減少鉆桿屈曲；降低地面鉆壓需求；通過控制狗腿嚴重度，改善井眼軌跡；通過改善鉆壓傳遞的平穩性，延長鉆頭壽命；提高水平井段延伸能力。

2.2 美國頁巖氣鉆井應用

美國的頁巖層大多屬于堅硬研磨性夾層，鉆進過程中會導致鉆具的嚴重振動、形成彎曲井眼、定向與水平井段摩阻很高等問題。在H aynesville頁巖直井段鉆進作業期間經歷了大范圍的振動，這些過度振動造成了各種不同鉆柱組件的損壞、過低的R O P（鉆機時間的損失導致鉆井成本升高）、鉆頭壽命短造成的起下鉆次數增多以及更換設備等。對一套井下馬達驅動的固定翼鉆頭鉆具組合，以4.69 m／h的平均機械鉆速鉆進了457.81 m長的井段，之后由于摩阻太高，R O P逐漸減低到3.66 m／h，被迫起鉆，然后將一只連續壓力脈動減阻防卡工具接到了B H A中，極大地降低了摩擦阻力，采用同樣的鉆頭、同樣的馬達，得以繼續鉆進到639.47 m，鉆到了中期完井深度，平均機械鉆速為5.67 m／h，如圖4。進尺提高了28%，R O P提高了40%。

圖4 連續壓力脈動減阻防卡工具在H aynesville地層水平井段中的應用效果

2.3 定向造斜段與水平段（馬達導向）應用

在阿曼的1口井，常規滑動（不帶連續壓力脈動減阻防卡工具）鉆進一直堅持到2 850 m，最終的1.2 h內發生了多次泵壓波動和懸重（大鉤載荷）波動，這些波動影響到了工具面的控制，馬達導向以滑動鉆進模式無法繼續進行，起出后將連續壓力脈動減阻防卡工具接到了距鉆頭大約250 m的位置，調好方位后，從2 929 m開始實行滑動鉆進，定向司鉆順利完成了后續的滑動鉆進，而且鉆壓平穩、泵壓恒定，機械鉆速隨鉆壓增大而提高。

2.4 直井（傳統旋轉鉆井）應用

在阿曼的1口井，212.73 m m（83/8英寸）和311.15 m m（121/4英寸）直井段鉆壓傳遞困難，鉆進受阻。在這些層段的旋轉鉆柱組合中加入連續壓力脈動減阻防卡工具，其產生的軸向振動能夠輔助整個鉆柱順利通過潛在的掛卡點，鉆壓傳遞得到了明顯改善，由此卡滑現象減少，延長了鉆頭壽命，鉆壓更加平穩。從實際使用效果來看，212.73 m m（83/88英寸）井眼中機械鉆速比鄰井提高了60%，311.15 m m（121/4英寸）井段鉆頭壽命增加、起下鉆換鉆頭趟次減少、鉆進天數減少、機械鉆速達到了某些鄰井的2倍，如圖5所示。未用連續壓力脈動減阻防卡工具的4口鄰井平均機械鉆速普遍低于使用該工具的試驗井，并且，該工具提高了鉆頭使用效率；A、B、C、D 4口鄰井均使用了2只以上的鉆頭，完鉆井深最深達1 723 m，而使用連續壓力脈動減阻防卡工具的E井，采用單只P D C鉆頭即可完成1 742 m鉆井深度，平均機械鉆速是A井的2倍。

圖5 連續壓力脈動減阻防卡工具在不同井的應用效果

除了以上應用外，分析某井區域的19次鉆井作業：其中8次有連續壓力脈動減阻防卡工具，11次沒有連續壓力脈動減阻防卡工具。所有的鉆井作業都在相同的地層中，使用相同的P D C鉆頭進行，并且被放置在離鉆頭22 m（75 ft）之內，效果對比如圖6。沒有連續壓力脈動減阻防卡工具的平均效果——鉆速6.8 m／h（22.5 ft／h），鉆進深度330 m（1 076 ft）；有連續壓力脈動減阻防卡工具的平均效果——鉆速9.1 m／h（30.0 ft／h），鉆進深度387 m（1 272 ft），連續壓力脈動減阻防卡工具提升了鉆速33%，提升了每個鉆頭進尺數18%。

圖6 相同情況下使用連續壓力脈動減阻防卡工具對機械鉆速的提升

3 性能影響參數

連續壓力脈動減阻防卡工具的良好使用需要在滿足各項操作參數的前提下，并在使用前后了解作業工況，及時調整以發揮該工具的性能。

作業前應明確鉆井液流量應在工具適用范圍內，才能更好地產生振動效果。鉆井液流體直接作用在動力部分，因此需要了解鉆井液品牌及其制造商、類型和成分、氯化物濃度、p H值、油水比、流體和添加劑的材料安全數據表、井底工作溫度等信息；閥片的選型需要與流體特性配合，并通過水力分析幫助優化工具組合方案，獲得作業參數表；井下的高溫會導致橡膠膨脹，轉子需要在高溫環境下安裝，并且要為泥漿預留膨脹余量；理論上該工具適合各種M W D系統，但在使用之前應了解M W D系統的相關使用注意事項，避免影響M W D的工作頻率。

作業過程中，在高扭曲度的井，或者重力粘阻確定會發生的地方，在鉆井工具串上方使用連續壓力脈動減阻防卡工具會有良好效果；有時出現信號減弱或者消失的情況時，連續壓力脈動減阻防卡工具還將持續工作，只有在伴隨較大的壓力變化時，才需要查驗問題。信號消失可能是由于諧振或衰減。若是諧振原因，信號會隨后恢復；若是衰減原因，信號將隨著深度增加進一步減弱；M W D軟硬件設置本身也會影響示波器的顯示，比較信號時需查驗軸心序譜和單位、諧振、過濾器等；強酸或強堿性流體不建議使用；無論何種工況下使用，要保持流體的循環減小對動力部分橡膠的損害。

混氣液情形下，由于氣體的可壓縮性，連續壓力脈動減阻防卡工具會降低效率。在液體含量較少的情況下要注意動力部分及其組件的損壞。一般鉆井液液體含量超過75%的不會導致問題。潤滑劑需要與水完全混合并注入到鉆井液中，注入體積流量不小于鉆井液的5%，可減小摩擦阻力，進而延長所有部件的壽命。隨著顆粒物含量的增加，橡膠件和其他組件的腐蝕情況將會加劇，因此顆粒物含量需要控制在2%之內。連續壓力脈動減阻防卡工具的動力部分沒有動力輸出，因此不能像動力鉆具那樣使用W O B降速。

4 經濟效益

以Barnett Shale地區Tarrant郡一家石油公司在同一個井臺上鉆的井為例，其中2口井造斜段的B H A中用了連續壓力脈動減阻防卡工具，另外的3口井沒用該工具。此后，在該井臺上又鉆了3口井，這3口井“從上到下”（除了表層井段以外）都使用了連續壓力脈動減阻防卡工具。對上述每口井的鉆井時間和成本進行了分析評價，結果表明，使用連續壓力脈動減阻防卡工具的井與不用該工具的井相比，定向造斜段的機械鉆速提高了19%，每英尺鉆井成本下降17%，相當于每口井節約了＄22 500元?！皬纳系较隆笔褂眠B續壓力脈動減阻防卡工具的井與那些不用該工具的井相比，R O P增加了65%，成本節約了58%，相當于每口井節約了＄71 350元，3口井累計節約了＄214 000元，經濟效益非常明顯［5］。

5 結論

1） 連續壓力脈動減阻防卡工具使B H A產生溫和的低頻低幅振動，這種非常微弱的但是連續的軸向振動打破了靜態摩擦并且消除了扭轉振動，其產生的結果是消除了鉆柱彎曲堆積，使鉆壓更好地轉移到鉆頭，因而增加了鉆速和鉆頭壽命。

2） 在理論上，該工具可以安裝在鉆井工具串的任何位置，但其發揮最大效力的關鍵在于其安裝位置和鉆井參數優化。現場應用配套技術能夠使其能量集中作用在事故易發點。當連接在鉆桿上時，需要使用振動發生部分；如果連接在連續管上，則不需要振動發生部分，因為連續管會隨著壓力波動產生收縮和擴張振動，實現降阻功能。

3） 在使用過程中，該工具發生的損壞通常由過量橫向振動導致振動發生部分彈簧斷裂，在鉆遇脆裂、堅硬地層會發生過量橫向振動，鉆探面的不均勻使得鉆頭在旋轉過程中發生彈跳，沖擊力反向傳遞至鉆井工具串，并被連續壓力脈動減阻防卡工具吸收。因此使用該工具能吸收額外振動，減小鉆頭齒端硬質合金破損風險從而延長鉆頭壽命，并避免鉆機及工具串承受過量載荷，發生損壞。

4） 該工具適用于鉆頁巖氣的水平井、定向井、大位移井、多分支井和套管開窗側鉆井，而且同樣適用于深直井和超深直井。不僅對滑動鉆進有效，而且對旋轉鉆進同樣有效；不僅適合于馬達導向，而且也適合于旋轉導向；不僅適合于常規鉆井，而且也適合于連續管作業。

5） 不同地層條件下，使用該工具時的鉆具組合、振動頻率和振幅控制需要大量理論和實驗研究，目前還不完善，將會在后續工作中完成。振動工具的工作頻率應避開鉆具固有振動頻率，避免引發共振。

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Study on Continuous Pressure Pulsation Tool for Friction Reduction Stuck Prevention in Horizontal W ell Drilling

XIN Shi-yu1，2，G A O W en-jin1，2，L EI Xin1，2，Y U Chang-bo1，2
（1．Research Institute，SI N O P E C Oilfield Equip ment Corporation，W uhan430223，China；2．SI N O P E C Key Laboratory of Petroleu m M achinery Equip ment，W uhan430223，China）

T he sound m o mentu m of shale gas develop ment makes increasing nu m bers of horizontal wells，extended reach wells，and m ultilateral wells，w hich have great difficulty in passing dow n axial pressure，sliding and pushing m ud m otor，and drilling.A continuous pressure pulsation tool was developed，and the effects by theory sim ulation and laboratory tests were verified.T he continuous pressure pulsation tool powered by m ud pressure transfers pressure to mechanical energy with screw structure，and achieves sustainable pulsation of tool body to break the static friction and eliminates the torsional vibration.T he tool can reduce drag pressure and sticking of drill string，im prove the control of drilling bit and increase the drilling rate and the bit life.The structure and appl ication effect of the toolis discussed，and suggestions of field appl ication are provided.

shale gas；horizontal well；friction reduction；tool

T E921.203

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.08.023

1001-3482（2014）08-0098-05

2014-02-28

中石化先導項目“水力振蕩器工具先導試驗”（JPJ11003）

信石玉（1983-），男，山東人，2009年畢業于上海理工大學，從事石油機械裝備科研工作，E-mail：xinshiyu42900＠163.co m。