自研水力振蕩器在川渝地區(qū)連續(xù)管水平井作業(yè)中的應(yīng)用*

盧秀德，劉佳林，劉志堯，孫兆巖，馬小龍

（中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 井下作業(yè)公司，成都 610000）

0 前 言

連續(xù)管的下深能力是連續(xù)管技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)[1-2]。Φ50.8 mm 連續(xù)管下入水平井段2 000 m左右基本就會(huì)發(fā)生螺旋鎖定，導(dǎo)致連續(xù)管無(wú)法繼續(xù)下入，不能到達(dá)目標(biāo)深度[3-4]。隨著頁(yè)巖氣平臺(tái)井水平段長(zhǎng)度的不斷延伸，連續(xù)管技術(shù)的應(yīng)用也受到限制。長(zhǎng)水平段水平井連續(xù)管技術(shù)需要配套合理的延長(zhǎng)下深工具[5]，而水力振蕩器可以通過(guò)自身產(chǎn)生的縱向振動(dòng)來(lái)提高連續(xù)油管下入過(guò)程中鉆壓傳遞的有效性，并減少作業(yè)工具串與井壁之間的摩阻，從而實(shí)現(xiàn)增加連續(xù)油管下入深度的目的，振動(dòng)溫和，不會(huì)增加連續(xù)油管疲勞損傷，也不會(huì)導(dǎo)致配合作業(yè)的其他工具損壞。目前國(guó)外公司已經(jīng)在水力振蕩器的研究上取得了較大進(jìn)展，National Oilwell Varcor 公司和Pro?Leading Energy Solutions 公司的水力振蕩器效果好、力量大，螺桿橡膠壽命長(zhǎng)達(dá)幾百小時(shí)；其次是ASBR公司的ShockWave，其產(chǎn)品效果較好、頻率高、力量中等；而Thru Tubing Solutions 公司的XRV壽命最長(zhǎng)、長(zhǎng)度最短、效果中等；Baker Hughes公司的 Extended Reach Tools、自激式水力振蕩器和空化射流式水力振蕩器等產(chǎn)品，長(zhǎng)度短、壽命長(zhǎng)，雖有振蕩效果，但力量弱[7]。綜合來(lái)看，連續(xù)管用水力振蕩器生產(chǎn)廠家較多，但效果最好的仍然是1/2頭或者2/3頭螺桿式水力振蕩器。由于小尺寸工具材質(zhì)和加工問(wèn)題，國(guó)內(nèi)仿制的產(chǎn)品性能仍然不穩(wěn)定，而國(guó)外水力振蕩器存在造價(jià)成本高、購(gòu)置周期長(zhǎng)、維護(hù)費(fèi)用高等問(wèn)題。因此，為解決國(guó)內(nèi)深層長(zhǎng)水平段頁(yè)巖氣井開(kāi)采面臨的技術(shù)難題，自主設(shè)計(jì)了一種水力振蕩器，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了廣泛的推廣應(yīng)用，旨在打破國(guó)外公司技術(shù)壟斷，縮短供貨周期，節(jié)約成本。

1 自研水力振蕩器的特點(diǎn)

1.1 工具結(jié)構(gòu)

水力振蕩器的結(jié)構(gòu)主要包括上接頭、過(guò)濾環(huán)、螺桿外筒、螺桿轉(zhuǎn)子、動(dòng)閥座、動(dòng)閥、定閥、O形密封圈和下接頭，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水力振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 水力振蕩器的技術(shù)參數(shù)

水力振蕩器的壓降受動(dòng)力馬達(dá)級(jí)數(shù)和偏心閥通道面積的影響[8-10]，其計(jì)算公式為

式中：Δp——水力振蕩器的壓降，MPa；

[Δpk]——馬達(dá)每級(jí)間的承壓值，取0.8 MPa；

K——馬達(dá)級(jí)數(shù)，此處K取1級(jí)；

Δpr,s——局部壓力損失，MPa；

ζ——局部阻尼系數(shù)；

ρ——工作液密度，kg/m3；

v1——工作液流速，m/s。

由式（1）、式（2）可知，在馬達(dá)級(jí)數(shù)確定的情況下，水力振蕩器的壓降只與局部壓力損失有關(guān)，而在不計(jì)摩擦阻力的情況下，局部壓力損失取決于工作液密度及流速，而流速取決于工作液排量和過(guò)流面積。因此，在工作液密度及排量不變的情況下，增大過(guò)流面積，就可以降低Δpr,s，從而實(shí)現(xiàn)減小水力振蕩器壓降的目的。

頁(yè)巖氣區(qū)塊連續(xù)管作業(yè)通常采用外徑為73 mm的井下作業(yè)工具，因此設(shè)計(jì)本工具的動(dòng)閥和定閥流道直徑為18 mm，定閥偏移分別為5 mm、7 mm 和8 mm，動(dòng)閥偏移分別為10 mm、14 mm和16 mm，進(jìn)行計(jì)算分析。當(dāng)工作液排量為400 L/min 時(shí)，水力振蕩器壓降計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 水力振蕩器壓降計(jì)算結(jié)果

由表1可知，定閥偏移量為5 mm時(shí)，壓力波動(dòng)最小；定閥偏移量為8 mm時(shí)，壓力波動(dòng)最大。此外，定閥偏移量為5 mm時(shí)，振蕩效果最差；定閥偏移量為8 mm時(shí)，振蕩效果最強(qiáng)，但其壓力變化過(guò)大，平均壓降也高，對(duì)泵和井口設(shè)備傷害大，故不能選擇5 mm和8 mm的偏移量。定閥偏移量為7 mm 時(shí)，平均壓降為3.75 MPa（約543 psi），與NOV公司的Agitator XP振蕩器壓降3.45～4.83 MPa相吻合。因此，7 mm的偏移量為最優(yōu)偏移量。

水力振蕩器動(dòng)力部件螺桿馬達(dá)的輸出參數(shù)計(jì)算公式為

式中：M——螺桿馬達(dá)輸出扭矩，N·m；

Δp——螺桿馬達(dá)總壓降，MPa；

q——每轉(zhuǎn)排量，L；

N——轉(zhuǎn)子頭數(shù)；

TS——定子導(dǎo)程，mm；

AG——過(guò)流面積，mm2；

AS——定子截面積，mm2；

Ar——轉(zhuǎn)子截面積，mm2；

F——水力振蕩器軸向沖擊力，kN。

本工具設(shè)計(jì)的參數(shù)為：轉(zhuǎn)子頭數(shù)N=1，定子導(dǎo)程TS=720 mm，定子截面積AS=1 232 mm2，轉(zhuǎn)子截面積Ar=616 mm2，馬達(dá)平均壓降Δp=3.75 MPa，馬達(dá)最大壓降Δp=25.79 MPa。

根據(jù)公式（3）～公式（6）計(jì)算，過(guò)流面積為616 mm2，每轉(zhuǎn)排量為0.433 L，平均輸出扭矩為264.7 N·m，最大輸出扭矩為1 820.5 N·m，水力振蕩器平均軸向沖擊力為2.31 kN，最大軸向沖擊力為15.89 kN。與NOV公司的Agitator XP水力振蕩器對(duì)比見(jiàn)表2，由表2 可知，自研水力振蕩器的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)均達(dá)到了施工要求，同時(shí)其長(zhǎng)度更短、排量范圍更廣、抗拉強(qiáng)度更高、振蕩頻率更強(qiáng)。

表2 水力振蕩器技術(shù)參數(shù)對(duì)比

2 室內(nèi)測(cè)試評(píng)價(jià)

為評(píng)價(jià)自研水力振蕩器的整體性能，在室內(nèi)對(duì)不同排量下的泵壓、振動(dòng)頻率和振幅進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試流程如圖2所示。將Φ73 mm的水力振蕩器兩端分別與試壓泵的進(jìn)水、回水管線連接，并在水力振蕩器上安裝壓力傳感器和測(cè)振儀，進(jìn)行脈沖壓力監(jiān)控，同時(shí)測(cè)量工具的振動(dòng)頻率和振幅。

圖2 水力振蕩器室內(nèi)測(cè)試流程示意圖

開(kāi)啟試壓泵，然后記錄不同排量下的泵壓、振動(dòng)頻率和振幅，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。由表3 可以看出，隨著排量的增大，工具振動(dòng)頻率和振幅逐漸增大。在相同的條件下，進(jìn)行了多組室內(nèi)測(cè)試，工具振動(dòng)頻率與振幅隨排量增大而增大的趨勢(shì)是一致的，且工具工作穩(wěn)定，未出現(xiàn)故障。

表3 水力振蕩器的室內(nèi)測(cè)試結(jié)果

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)評(píng)價(jià)

3.1 目標(biāo)井井況

威X 井為一口頁(yè)巖氣水平評(píng)價(jià)井，該井實(shí)際完鉆井深6 330 m，現(xiàn)人工井底6 289 m，造斜點(diǎn)深2 930 m，最大井斜100.03°, 最大井斜井深5 184.28 m，為上傾井，入靶點(diǎn)井深4 130 m，水平井段全長(zhǎng)2 200 m。

3.2 軟件模擬情況

采用外徑Φ50.8 mm、壁厚4.44～5.2 mm、鋼級(jí)CT110 的連續(xù)管進(jìn)行軟件模擬，結(jié)果如圖3 所示。當(dāng)取摩阻系數(shù)0.3時(shí)，連續(xù)管至井下5 225.5 m時(shí)會(huì)出現(xiàn)鎖定，因此通常在連續(xù)管通刮洗作業(yè)工具管串中加入水力振蕩器，可延長(zhǎng)連續(xù)管下深，即Φ106 mm磨鞋+Φ73 mm螺桿馬達(dá)+Φ73 mm水力振蕩器+Φ73 mm震擊器+Φ73 mm丟手+Φ73 mm單流閥+Φ73 mm復(fù)合接頭+Φ50.8 mm連續(xù)管。

圖3 軟件模擬計(jì)算結(jié)果

3.3 施工簡(jiǎn)況

在實(shí)際施工過(guò)程中，連續(xù)管下井至5 450 m處出現(xiàn)鎖定，作業(yè)曲線如圖4 所示。下放速度明顯放緩，通過(guò)反復(fù)短起下放，泵注金屬降阻劑，在水力振蕩器的作用下，用時(shí)9 h 最終下至人工井底6 289 m 處，作業(yè)曲線如圖5 所示。其中橘色線為連續(xù)管懸重，藍(lán)色線為下井深度。

圖4 5 450 m處作業(yè)曲線圖

圖5 6 289 m處作業(yè)曲線圖

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，該井使用水力振蕩器后，可使連續(xù)管繼續(xù)下入839 m，效果顯著，滿足了長(zhǎng)水平段井的施工要求，有效解決了連續(xù)管在長(zhǎng)水平段的下入自鎖問(wèn)題，同時(shí)替代了進(jìn)口水力振蕩器，打破了國(guó)外公司技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)了水力振蕩器的國(guó)產(chǎn)化，縮短了供貨周期。

4 自研水力振蕩器在川渝地區(qū)應(yīng)用情況

2019年—2021年自研水力振蕩器在川渝地區(qū)應(yīng)用情況如圖6所示，具體數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。通過(guò)圖6可以看出，使用水力振蕩器后，連續(xù)管下入深度得到了顯著提升。同時(shí)，2019年—2021年，在長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)、昭通等多口頁(yè)巖氣井進(jìn)行通刮洗作業(yè)423井次，使用自研水力振蕩器249井次，使用率達(dá)到58.87%，自研水力振蕩器在現(xiàn)場(chǎng)得到廣泛應(yīng)用，其延伸下井深度的能力得到充分驗(yàn)證，具有良好的應(yīng)用前景。

圖6 2019年—2021年自研水力振蕩器在川渝地區(qū)應(yīng)用情況

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，自研水力振蕩器的使用可大大降低井下管柱在前進(jìn)中的摩擦阻力和扭矩，從而有效傳遞鉆壓，提高連續(xù)管的下入深度，解決了深層頁(yè)巖氣長(zhǎng)水平段出現(xiàn)“螺旋鎖定”的技術(shù)難題。

5 結(jié) 論

（1）與國(guó)外水力振蕩器的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行對(duì)標(biāo)，自主研制了一種長(zhǎng)度1.48 m、排量150～560 L/min、工作壓降2～5.4 MPa、振蕩頻率15 Hz、抗拉強(qiáng)度1 080 MPa 的水力振蕩器，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)均達(dá)到了施工要求。該振蕩器長(zhǎng)度更短、排量范圍更廣、抗拉強(qiáng)度更大、振蕩頻率更強(qiáng)。

（2）該水力振蕩器在川渝地區(qū)得到廣泛的使用，使用率達(dá)到58.87%，實(shí)現(xiàn)單趟最大下井延伸1 049 m，延伸率達(dá)到29.16%，提高了作業(yè)效率和質(zhì)量，減少了短起次數(shù)，保證了井下施工安全。