煤層氣頂板泥巖造穴工具研制及應用

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(渤海鉆探工程技術研究院，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，消除已經發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，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有效連通而達到增產的目的，常采用裸眼洞穴完井[1-4]。然而，裸眼洞穴存在井壁不穩定、容易坍塌，給后續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，也便于后續排采，常采用頂板泥巖造穴[5-6]。由于頂板泥巖地質致密，導致在該處進行造穴作業時造穴工具磨損嚴重，造穴效率低下，傳統的煤層造穴工具常出現刀翼斷裂等安全事故，不適合于頂板泥巖造穴。為此，渤海鉆探工程技術研究院在傳統的煤層造穴的基礎上，研發了一種由水力噴射和機械破巖復合而成的單翼造穴工具，并通過現場試驗，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，為山西煤層氣的勘探開發提供了有力的技術支撐。

1 工具的結構及工作原理

頂板泥巖造穴工具主要由本體、心軸、刀翼3部分構成，其結構如圖1所示。作業示意圖如2所示。

圖1 造穴工具結構示意

圖2 造穴工具作業示意

本體連接鉆桿，并為工具的旋轉提供轉矩。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。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。當刀翼完全張開后，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 工具的技術參數

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

表1 單翼造穴工具主要技術參數

3 力學參數計算

單翼造穴工具的力學結構計算主要包括2部分：鉆井液流經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

鉆井液流經水眼時的節流壓降計算公式為：

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為刀翼轉動大端質量，kg；m2為刀翼轉動小端質量，kg；L為刀翼重心離轉動中心的距離,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，即能夠適應現場需求。

4 單翼造穴工具技術特點

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，且可根據地層地質結構的不同來調節鉆壓大小。

4) 單翼造穴工具結構簡單，安全可靠。單翼造穴工具的結構主要分為3部分，結構簡單可靠，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，不易發生復雜事故。

5 技術改進

頂板泥巖造穴工具首先在鄭1平-4v井得到了應用。該井由井隊應用煤層造穴工具進行造穴作業，連續下鉆3次，由于地層太硬導致兩套造穴工具報廢，造穴失敗。之后應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，技術人員通過分析、總結，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定器及鉆挺，對工具磨損嚴重區域通過嵌入鋼釘、堆焊硬質合金等措施，解決了工具磨損嚴重的問題，實現了重復利用。

6 應用

鄭試1平-4v2井位于山西沁水盆地，是一口洞穴排采井，為了后續的施工作業，需要在煤層上面頂板泥巖上進行造穴，并根據設計要求，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現，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 結論

1) 鄭試1平-4v2井的現場試驗表明，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定的效果，減少了工具磨損，修復后可重復利用，降低了成本。

3) 單翼造穴工具結構簡單，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，應用前景廣闊。

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[1] 蔣海濤，周俊然，董穎，等.煤層氣井復合造穴技術研究及應用[J].中國煤層氣，2011，8(6)：42-45.

[2] 馬永峰.美國西部盆地煤層氣鉆井和完井技術[J].石油鉆采工藝，2003，25(4)：34-37.

[3] 張志剛，崔立平，王磊，等.煤層氣井裸眼洞穴完井工藝技術與實踐[J].斷塊油氣田, 2003, 10(6):63- 67.

[4] 萬繼方，申瑞臣，陳添，等.煤層氣造洞穴技術特點分析[J].重慶科技學院學報,2015,17(2):73-75.

[5] 張義，鮑清英，孫粉錦，等.煤層氣U型井鉆完井新技術研究[C]//煤層氣學術研討會論文集，2011：263-270.

[6] 王益山，王合林，劉大偉，等.中國煤層氣鉆進技術趨勢及發展現狀[J].天然氣工業,2014，34(8)：87-91.

[8] 劉孟玲.煤層氣洞穴完井造穴技術研究[D].大慶:東北石油大學，2017.

[9] 周俊然，李立昌，郭超，等.煤層氣段鍛造穴工具：CN 202970569 U[P].2013-06-05.

[10] 劉志和.煤層氣井水力一機械式裸眼造穴工具[J].石油機械，2008，36(8):60-62.