水平井專用液動旋沖工具研制與應(yīng)用

侯 圣，李玉海，萬發(fā)明，趙 毅

(大慶油田鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413)

1 概述

大慶徐深氣田位于松遼盆地北部的徐家圍子斷陷，斷陷近南北向展布，面積4300km2。根據(jù)所鉆的徐深12口井的井史資料，上白堊統(tǒng)四方臺組、明水組，第三系地層依安、大安、泰安以及第四系地層疏松。下白堊統(tǒng)營城組地層巖石可鉆性級值高，平均級值為9.47級，有些甚至超過了分級標(biāo)準(zhǔn)中最高級10級（見圖1、圖2），機械鉆速低，單只鉆頭進(jìn)尺少，機械鉆速0.86～2.11m/h，平均1.47m/h，單只鉆頭平均進(jìn)尺僅為60～100m[1-2]。

圖1 徐深某井地層巖石可鉆性分級

圖2 徐家圍子地區(qū)營城組地層巖石可鉆性分級

2 計算模型

大慶鉆探鉆井研究院自主研發(fā)的液動旋沖工具，通過壓差作用驅(qū)動錘頭做功，周向上產(chǎn)生均勻穩(wěn)定的高頻沖擊力，軸向上產(chǎn)生高頻水力加壓脈沖，在直井中，取得了較好的提速效果。但在水平井中，工具長度過長無法下入，為加快勘探開發(fā)進(jìn)程，開展了水平井專用液動旋沖工具研制。

為保證改進(jìn)后的工具的順利下入，對工具可下入長度進(jìn)行了計算[3-9]，設(shè)計最大井眼曲率為12°/30m。假設(shè)套管為剛性，鉆桿不受力，且無彎曲，則套管內(nèi)徑：

D1=d1-2h1

式中：d1——套管外徑；

h1——套管壁厚。

螺扶彎點至鉆頭長：

L=L1+L2+L3

式中：L1——鉆頭長度；

L2——工具長度；

L3——螺桿彎點至端面長度。

鉆頭偏心距：

式中：α——螺桿彎角。

井眼曲率偏心距：

式中：ρ——井眼曲率。

當(dāng)鉆頭偏移值與井眼曲率偏移值反向時（見圖3），總偏移值：

C1=R1- | R2|

當(dāng)鉆頭偏移值與井眼曲率偏移值同向時（見圖4），總偏移值：

圖3 鉆頭偏移值與井眼曲率偏移值反向

圖4 鉆頭偏移值與井眼曲率偏移值同向

C1=R1+ ||R2

最終偏移值：

C=max(C 1,C2)

則所需套管直徑：

式中：d鉆——鉆頭直徑；

d2——螺桿螺扶外徑。

根據(jù)現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)對比，計算誤差修正系數(shù)：a=0.04305666。

當(dāng)D1+a≥D時，則工具可以通過。

根據(jù)現(xiàn)場施工常用鉆頭、1.25°螺桿和套管數(shù)據(jù)，井眼曲率12°/30m時，工具可下入最大長度為L=min(L1,L2)，計算得L=1.295m。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了滿足水平井施工要求，對工具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。

（1）動力機構(gòu)優(yōu)化。創(chuàng)新設(shè)計了無軸向載荷的單級葉輪高速動力機構(gòu)，該機構(gòu)主要包括導(dǎo)流帽和葉輪兩部分，通過導(dǎo)流帽分流窗口側(cè)向進(jìn)液驅(qū)動葉輪，帶動沖擊機構(gòu)旋轉(zhuǎn)，取代常規(guī)工具多級渦輪結(jié)構(gòu)，縮短工具長度0.78m。

（2）沖擊機構(gòu)優(yōu)化。集成設(shè)計了扶正軸承和止推軸承組，設(shè)計自扶正沖擊機構(gòu)，減少了扶正軸承和止推軸承數(shù)量，縮短工具長度0.08m。

通過動力系統(tǒng)及沖擊機構(gòu)改進(jìn)，工具長度由1.66m縮短至0.8m，小于1.295m，允許最大曲率14.3°/30m，解決了水平井中常規(guī)工具無法下入的問題。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

水平井專用液動旋沖工具于2015年11月，配合1.25°螺桿在徐深某井進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用。采用?215.9mmBIT×0.29m+?178mmDQY×0.80m+?172mmLZ×8.08m+?159mm浮閥×0.60m+?159mm變扣×0.5m+?159mm坐鍵×0.9m+?165mmMDC×19.76m+?159mmDC×275.87m+?127mmDP鉆具組合，造斜段施工井段 2420.00～2775.06m，進(jìn)尺355.06m，純鉆時間132h，平均機械鉆速4.08m/h，入井井斜1.65°，出井井斜14.66°。

與本井上趟鉆相比，單趟進(jìn)尺提高9.4倍，純鉆時間提高5.4倍，平均機械鉆速提高了2.5倍，使用效果明顯。見表1。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)理論計算，對液動旋沖工具動力系統(tǒng)及沖擊機構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，工具長度縮短了0.86m，允許最大曲率14.3°/30m，解決了水平井中常規(guī)工具無法下入問題。

表1 徐深6-斜304井兩趟鉆施工對比

（2）在徐深某井，水平井專用液動旋沖工具配合1.25°螺桿鉆進(jìn)，取得了較好的應(yīng)用效果。

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