楊決算，陳紹云 韓福彬 高大勇，楊永祥

(中石油大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163413) (中石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探事業(yè)部，黑龍江 大慶 163410) (中石油大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163413)

針對(duì)大位移水平井和S型定向井摩阻扭矩大、滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)托壓嚴(yán)重、滾動(dòng)扶正器等其他工具效果不明顯的問(wèn)題，采用水力振蕩器提速。該工具通過(guò)葉片和傳動(dòng)裝置將鉆井液動(dòng)能轉(zhuǎn)化為軸向高頻振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鉆柱與井壁之間由靜摩擦向動(dòng)摩擦的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而減小摩阻提高鉆壓傳遞效率解決托壓?jiǎn)栴}。但對(duì)于水力振蕩器安放的最佳位置和數(shù)量等卻缺乏相關(guān)的研究，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用主要依賴施工人員經(jīng)驗(yàn)，國(guó)外一些公司計(jì)算其安放位置時(shí)也僅按照傳統(tǒng)受力分析將其安放在鉆具屈曲的位置，而未能從工具原理出發(fā)開展受力分析，給出明確的安放位置和數(shù)量[1～3]。其中伊拉克魯邁拉油田Ru460井在822～1773m井段試驗(yàn)國(guó)外某公司的水力振蕩器雖然機(jī)械鉆速提高了37.85%，但卻出現(xiàn)了起始安放點(diǎn)太接近井口導(dǎo)致立管固定裝置被振松、實(shí)際安放位置需現(xiàn)場(chǎng)人員反復(fù)調(diào)整等問(wèn)題。因此有必要開展水力振蕩器在鉆柱中合理安放位置的相關(guān)理論研究，確定最佳安放點(diǎn)，從而最大限度地發(fā)揮其降摩減阻效果。

1 水力振蕩器臨界安全起始點(diǎn)分析計(jì)算

隨著近年來(lái)水力振蕩器的大規(guī)模應(yīng)用，在鉆井提速見到良好效果的同時(shí)，也出現(xiàn)了初始下入井深不合理導(dǎo)致的降摩減阻效果不明顯、振動(dòng)影響其他鉆井設(shè)備使用效果等問(wèn)題。部分井在造斜點(diǎn)就開始使用，由于井的水平位移小、摩阻扭矩小(上提、下放摩阻小于30kN)，使用水力振蕩器效果不明顯。而部分井是在鉆柱已經(jīng)出現(xiàn)明顯阻卡后才使用，這又會(huì)出現(xiàn)增加處理時(shí)間、提速井段短的問(wèn)題。為了找出水力振蕩器最佳起始點(diǎn)，通過(guò)室內(nèi)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水力振蕩器降低摩阻一般為20～50kN，實(shí)際降低值與工具壓降和工具過(guò)流面積之積成正比。而當(dāng)工具結(jié)構(gòu)定型后，過(guò)流面積與工具內(nèi)徑成正比，工具壓降與排量成正比。

F=aF′=aΔpπr2

(1)

式中：F為摩阻降低值，kN；F′為水力振蕩器產(chǎn)生的軸向拉力，kN；a為鉆井液密度修正系數(shù)，1；Δp為工具壓降，MPa；r為工具內(nèi)徑，mm。

由文獻(xiàn)[1～3]數(shù)據(jù)通過(guò)對(duì)比線性、指數(shù)、乘冪3種擬合方式，得知工具排量與泵壓曲線關(guān)系為乘冪時(shí)擬合優(yōu)度最高,達(dá)到0.991(線性擬合優(yōu)度為0.984，指數(shù)擬合優(yōu)度為0.988)，具體關(guān)系式為：

Δp=0.020Q1.425

(2)

式中：Q為工具測(cè)試時(shí)排量，L/s。

將式(2)代入式(1)中，可得：

F=0.020Q1.425πar2

(3)

以內(nèi)徑為76.2mm的水力振蕩器為例，由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際排量15～30L/s與摩阻降低值20～50kN對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線回歸可得：

F=0.038Q1.425a=0.42×10-3

(4)

2 水力振蕩器降低摩阻最佳安放位置優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 水平段安放位置分析計(jì)算

針對(duì)長(zhǎng)水平段水平井，運(yùn)用軟件開展常規(guī)鉆柱受力分析，為了提供足夠的鉆壓、降低卡鉆幾率，通常采用倒裝鉆具組合將鉆鋌和加重鉆桿置于斜直井段，而水平段除近鉆頭處采用一柱鉆鋌外，其余全部采用加重鉆桿或鉆桿。根據(jù)文獻(xiàn)[4～7]對(duì)水平段加重鉆桿發(fā)生平面和空間(螺旋)彎曲進(jìn)行討論。加重鉆桿在平面彎曲情況下，一次彎曲、二次彎曲臨界鉆壓p1、p2分別為：

(5)

(6)

加重鉆桿在空間螺旋彎曲情況下，臨界鉆壓p3為：

(7)

式中：p1、p2、p3分別為一次彎曲、二次彎曲、螺旋彎曲的臨界鉆壓，kN；E為彈性模量，Pa；I為截面慣性矩，m4；qa為鉆具線密度，kg/m；Mk為鉆柱質(zhì)量,kg。

同理,158.74mm鉆鋌(內(nèi)徑71.44mm)、171.45mm鉆鋌(內(nèi)徑71.44mm)、203.2mm鉆鋌(內(nèi)徑71.44mm)的一次彎曲、二次彎曲和螺旋彎曲臨界鉆壓如表1所示。

表1 不同鉆具臨界鉆壓計(jì)算結(jié)果

圖1 加重鉆桿在水平井眼內(nèi)位置示意圖

如圖1所示，加重鉆桿在井眼內(nèi)與泥餅接觸產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦?xí)r的正壓力由兩部分構(gòu)成：一部分是由鉆井液柱壓力和地層壓力之差；另一部分是加重鉆桿自身重力擠壓形變所產(chǎn)生[8,9,10]。

若正常鉆壓為120kN，螺旋彎曲的臨界鉆壓為278.39kN，則在水平井水平段不考慮工具壓耗情況下，工具與鉆頭間距為833.63m。該正壓力產(chǎn)生的摩擦力為0.19kN，為了最大限度提高機(jī)械鉆速，工具與工具之間的安放距離計(jì)算時(shí)，臨界鉆壓取二次彎曲鉆壓為43.56kN，因此在不考慮工具壓耗情況下工具間距為458.53m。

2.2 斜井段安放位置優(yōu)化設(shè)計(jì)

在水平井215.9mm外徑水平段計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上，假定井斜為θ，以加重鉆桿為例，則工具間距計(jì)算公式變形為：

(8)

式中：p′為斜井段臨界鉆壓，MPa；θ為井斜，(°)。

若為127.00mm外徑的鉆桿(內(nèi)徑為108.60mm)，井眼直徑為311.2mm，運(yùn)用上述推導(dǎo)方法可得其工具間距計(jì)算公式為：

(9)

若為171.45mm外徑的鉆鋌(內(nèi)徑為71.44mm)，井眼直徑仍為215.9mm，運(yùn)用上述推導(dǎo)方法可得其工具間距計(jì)算公式為：

(10)

若為171.45mm外徑的鉆鋌(內(nèi)徑為71.44mm)，井眼直徑為311.2mm，運(yùn)用上述推導(dǎo)方法可得其工具間距計(jì)算公式為：

(11)

若為203.2mm外徑的鉆鋌(內(nèi)徑為71.44mm)，井眼直徑為311.2mm，運(yùn)用上述推導(dǎo)方法可得工具間距計(jì)算公式為：

(12)

3 水力振蕩器安放數(shù)量及位置計(jì)算方法及應(yīng)用效果

3.1 Ru-151A井水力振蕩器安放數(shù)量及位置優(yōu)化設(shè)計(jì)

統(tǒng)計(jì)魯邁拉S型定向井摩阻扭矩?cái)?shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，93%的井最大摩阻和扭矩發(fā)生在二開完鉆井段，因此研究重點(diǎn)考慮將水力振蕩器用于二開井段來(lái)降低其摩阻扭矩。Ru151-A井二開井段原鉆具組合為：?311.2mm鉆頭×0.5m+?215.9mm彎螺桿×6.9m+?304.8mm穩(wěn)定器×1.5m+?203.2mm浮閥×0.6m+?203.2mm定向接頭×1.0m+?203.2mm無(wú)磁鉆鋌×18.0m+?171.5mm轉(zhuǎn)換接頭×0.9m+?171.5mm鉆鋌×54m+?165.1mm隨鉆震擊器×5.6m+?127.0mm加重鉆桿×135.0m+127.0mm鉆桿。

該井段推薦鉆壓為120kN，二次彎曲和螺旋彎曲計(jì)算出的工具離鉆頭距離分別為229.27、833.63m?？紤]到造斜完后需起鉆，更換穩(wěn)斜降斜一趟鉆鉆具組合，其初始下入井深為1081.00m，為了避免振動(dòng)影響井口設(shè)備，其距離井口最近為727.00m，設(shè)計(jì)其距鉆頭350m。當(dāng)其鉆至二開完鉆井深2902m時(shí)，工具井深為2552m。將施工井段細(xì)分為2328.77～2552m直井段，2038.77～2328.77m降斜段(井斜由29°降至0°，造斜率為-3°/30m)，1081～2038.77m穩(wěn)斜段，791～1081m造斜段(井斜由0°增至29°，造斜率為3°/30m)，554～791m直井段。逐一分析5個(gè)井段的摩阻情況。

2328.77～2552m直井段：

0.3×1.22×10-2×223.23=0.82kN

(13)

2038.77～2328.77m降斜段與791～1081m造斜段形狀對(duì)稱：

=12.15(kN)

(14)

1081～2038.77m穩(wěn)斜段：

0.3×(0.24sinθ+1.22×10-2)L= 0.3×(0.24sin29°+1.22×10-2)×957.77

=35.64(kN)

(15)

554～791m直井段：

0.3×1.22×10-2×237.00=0.87(kN)

(16)

其余井段在套管內(nèi)處于受拉的鉛垂?fàn)顟B(tài)，其摩擦力可忽略不計(jì)[9]，因此從水力振蕩器安放點(diǎn)至井口，總的摩擦力為61.63kN。兩工具最小間隔為458.83m，可在井深1514.60m處再安放一只水力振蕩器。但通過(guò)水力參數(shù)計(jì)算得知，安放1只時(shí)泵壓為20.35MPa，安放2只時(shí)泵壓為23.35MPa，且由于摩擦力為61.63kN時(shí)鉆具僅發(fā)生二次彎曲不影響正常鉆進(jìn)，因此最終確定在距離鉆頭350m處安放1只水力振蕩器來(lái)降低摩阻、提高鉆壓傳遞效率。

3.2 Ru-151A井水力振蕩器應(yīng)用情況

圖2 水力振蕩器應(yīng)用前后扭矩對(duì)比情況

Ru-151A井1100～2092m使用水力振蕩器，并根據(jù)實(shí)際鉆具長(zhǎng)度，將其放在距離鉆頭343.8m處，優(yōu)化后鉆具組合為：?311.2鉆頭×0.5m+?215.9mm彎螺桿×6.9m+?304.8mm穩(wěn)定器×1.5m+?203.2mm浮閥×0.6m+?203.2mm定向接頭×1.0m+?203.2mm無(wú)磁鉆鋌×18.0m+?171.5mm轉(zhuǎn)換接頭×0.9m+?171.5mm鉆鋌×54.0m+?165.1mm隨鉆震擊器×5.6m+?1270mm加重鉆桿×135.0m+?127.0mm鉆桿×216.0m+?171.5mm轉(zhuǎn)換接頭×0.9m+?203.2mm水力振蕩器×4.2m+?203.2mm減震器×4.5m+?171.5mm轉(zhuǎn)換接頭×0.9m+?127.0mm鉆桿。水力振蕩器應(yīng)用前后扭矩對(duì)比情況如圖2所示。該趟鉆累計(jì)進(jìn)尺992m，最大扭矩18.68kN·m，平均扭矩7.36kN·m，同比鄰井Ru-460井(使用水力振蕩器，但安放點(diǎn)未優(yōu)化)降低24.12%，比Ru-453井(未使用水力振蕩器)降低46.20%。該趟鉆平均機(jī)械鉆速8.52m/h，同比鄰井Ru-460井(平均機(jī)械鉆速7.43m/h)和Ru-453井(平均機(jī)械鉆速6.19m/h)分別提高14.67%和37.64%。

3.3 總體應(yīng)用效果

魯邁拉S型定向井水力振蕩器在現(xiàn)場(chǎng)累計(jì)應(yīng)用3口井，與原有的7口同類定向井相比，實(shí)際頂驅(qū)扭矩降低47.48%，滑動(dòng)鉆進(jìn)摩阻降低51.30%，機(jī)械鉆速提高46.94%。其中Ru-460井由于是該油田第一次試驗(yàn)水力振蕩器，未開展安放位置優(yōu)化，在造斜段就開始使用該工具，雖然提速效果較好，但卻存在離井口距離太近(572m)而導(dǎo)致的井口設(shè)備振動(dòng)嚴(yán)重的問(wèn)題(現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)降低排量和短起下更換位置2種方式解決)。后續(xù)2口井通過(guò)安放點(diǎn)的合理優(yōu)化，摩阻、扭矩進(jìn)一步降低，機(jī)械鉆速進(jìn)一步提高，且避免了井口設(shè)備受水力振蕩器振動(dòng)的影響，最大限度地發(fā)揮了工具降摩減阻的效果。

表2 水力振蕩器使用效果對(duì)比

4 結(jié)論

1)水力振蕩器安放位置是影響其降低摩阻、扭矩的一個(gè)關(guān)鍵因素，通過(guò)臨界安全起始點(diǎn)和最佳安全間距的分析計(jì)算，建立了水力振蕩器安放位置優(yōu)化計(jì)算模型，從而為發(fā)揮其最大的降摩減阻效率提供了理論依據(jù)。

2)水力振蕩器初始安放位置受井口設(shè)備振動(dòng)、最低臨界摩阻兩個(gè)因素制約，對(duì)于降低摩阻為50kN、振幅為5～12mm的水力振蕩器而言，離井口最近距離不少于727m，離鉆頭距離不大于833.63m。

3)水力振蕩器安放位置優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)在魯邁拉S型定向井累計(jì)應(yīng)用3口井，實(shí)際頂驅(qū)扭矩降低47.48%，滑動(dòng)鉆進(jìn)摩阻降低51.30%，機(jī)械鉆速提高46.94%。

4)針對(duì)部分高摩阻的超淺層水平井離井口最近距離無(wú)法滿足最小安全距離時(shí)，可通過(guò)降低排量和短起下調(diào)節(jié)安放點(diǎn)來(lái)達(dá)到降低摩阻、扭矩且保證井口設(shè)備安全的雙重目的。