水力振蕩器在焦石壩頁巖氣井中的應用

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：涪陵焦石壩區塊頁巖氣資源豐富，是中國第一個頁巖氣產能建設示范區，而三維定向井是開發頁巖氣的重要手段。針對焦石壩區塊地質條件復雜的客觀情況，在二開鉆進中使用水力振蕩器，降低井下模阻，提高機械鉆速，成功解決了三維井托壓嚴重、扭方位工作量大等技術難題，從而加快了礁石壩頁巖氣產能建設的步伐。

關鍵詞：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，砂巖與泥巖交錯，軟硬交替頻繁，龍馬溪組濁積砂研磨性強，部分井鉆遇黃銅礦，鉆頭損耗嚴重。除此之外，還存在地層自然增斜顯著、穩斜段軌跡控制難、扭方位工作量大，井下摩阻大、托壓明顯，定向速度慢等復雜地質情況。針對焦石壩區塊地質條件復雜的客觀情況，在二開鉆進中使用水力振蕩器，成功解決了三維井托壓嚴重、扭方位工作量大等難題，明顯提高了機械鉆速，縮短了鉆井周期，節約了鉆井成本[1-5]。

1水力振蕩器工作原理

水力振蕩器由產生壓力波動脈沖工具(動力部分、閥片及軸承系統)和激勵工具(振蕩短節)2部分組成，如圖1所示。

水力振蕩器是以鉆井液作為動力源，將液體能量轉變為機械能，通過萬向軸總成傳遞給流量閥總成的動閥片，使動閥片和定閥片的流通孔相互交錯，導致其過流面積發生變化，每一個微小變化都會在閥軸總成處產生一個相應的連續變化的水擊增壓或降壓波[6-9]。

工具的動力部分由一個2∶1的馬達組成，馬達轉子的下端固定一個閥片，因此，流體通過動力部分時，驅動心軸轉動，由于螺桿的特性，末端在一個平面上往復運動(即為動閥片)。與動力部分連接的是閥門和軸承系統，主要部件是耐磨套和一個固定的閥片(定閥片)，動閥片和定閥片緊密配合，隨著轉子的轉動，帶動兩個閥片相錯和重合，從而導致上游的壓力變化，周期性相對運動造成流體流經工具的截面積(最大值和最小值)周期性的變化，如圖2所示。

圖1　水力振蕩器結構示意

圖2　水力振蕩器壓力脈沖變化示意

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

圖3　振蕩短節結構

通過振蕩短節流體的壓力周期性的變化，作用在短節內的彈簧，由于壓力或大或小，短節的活塞就在壓力和彈簧的雙重作用下，軸向往復運動，帶動與工具連接的其他鉆具在軸向上的往復運動。由于彈簧的壓縮消耗能量，所以當能量釋放時，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生縱向的往復運動，鉆具在井底暫時的靜摩擦變成動摩擦，摩擦阻力大大降低，有效地減少因井眼軌跡而產生的鉆具脫壓現象，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生的縱向振動提高鉆進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(將靜態摩阻轉變為動態摩阻)，可以在所有的鉆進模式中，特別是在有螺桿的定向鉆進過程中改善鉆壓的傳遞，減少扭轉振動，提高鉆進機械效率[10-13]。

1)有效地傳遞鉆壓。通過水力振蕩器的高頻振動，改變了只靠鉆具自身重力的加壓方式，鉆具在振動的同時產生向前的沖擊力，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帶動井下鉆具保持振動，減小鉆具粘卡的幾率。

3)減小摩阻，提高機械鉆速和工具面的控制。水力振蕩器在井下帶動鉆具振動時，將鉆具與井壁間的靜摩擦力變為動摩擦力，可減小75%～80%摩阻，提高機械鉆速。

4)保護鉆頭。水力振蕩器產生的振動是溫和的振動，不會對鉆頭或其它鉆具產生破壞(振幅3.175～9.525 mm，振動加速度<3g)。在水平井鉆進時，由于鉆具的軸向振動，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用

3.1鉆具組合及水力振蕩器安裝位置優選

3.1.1鉆具組合優化原則

1)為了減輕定向脫壓，簡化鉆具組合結構，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)當水力振蕩器用于比較彎曲的井眼或重力集中效應發生在離井底較遠井段時，將工具組合在上部鉆桿中能最大限度發揮其功能。

焦頁XX井優選使用鉆具組合：?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+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鉆井參數優選

3.1.1試驗井段

焦頁XX井二開鉆進至2 100 m左右，井斜達24°左右，裸眼段長1 350 m，斜井段350 m，定向脫壓，復合鉆時5～8 min/m，定向鉆時25～35 min/m，繼續鉆進至2 190 m，脫壓嚴重，起鉆換鉆具組合，試驗性使用水力振蕩器。

試驗井段：2 190～2 608 m，總進尺418 m，井斜從29.20°增加至53.20°，方位由211.30°扭至201.00°。

3.1.2試驗水力振蕩器規格(如表1)

表1　焦頁XX井二開試驗水力振蕩器規格及技術范圍

3.1.3鉆井參數

鉆壓80～120 kN，轉盤鉆速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試驗效果分析(如圖4)

從圖4可見，焦頁XX井二開鉆進至2 190 m，在定向脫壓情況下，使用水力振蕩器，可以提高定向滑動鉆進機械鉆速，機械鉆速相對提高78.67%。2014年在焦石壩工區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”技術難題，基本上無“托壓”現象，提高了定向滑動鉆速，定向滑動與雙驅鉆進鉆速基本相當，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結果對比

4結論

1)通過在焦頁XX井二開定向段試驗性應用水力振蕩器，在定向滑動脫壓情況下，使用水力振蕩器可適當緩解定向脫壓難題，提高定向滑動機械鉆速。

2)試驗性應用水力振蕩器，表明水力振蕩器振動的頻率和通過工具的流量是線性關系。

3)二開定向段下部，井斜40°左右，裸眼段長，扭方位大，定向托壓嚴重，使用水力振蕩器，利用鉆井液通過水力振蕩器內的偏心軸，產生振動，帶動鉆具振動時，將鉆具與井壁間的靜摩擦力變為動摩擦力，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

文獻標識碼：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