穆總結(jié) 李根生 臧傳貞 馬軍

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3. 中國(guó)石油新疆油田分公司 4.中國(guó)石油西部鉆探工程公司)

0 引 言

鉆井提速是鉆探行業(yè)的永恒主題，并已成為油田高效開(kāi)發(fā)和降本增效的重要技術(shù)手段[1-3]。隨著非常規(guī)油氣資源開(kāi)發(fā)的不斷深入，水平井已成為開(kāi)發(fā)頁(yè)巖油氣的主要井型，水平井段也在不斷延伸。如我國(guó)已在西南油氣田和新疆油田等非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中鉆成了3 000 m及以上水平段[4-6]，且水平段長(zhǎng)度還在延伸。在長(zhǎng)水平井鉆井過(guò)程中，如何提高機(jī)械鉆速已成為業(yè)內(nèi)人士亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

在水平井鉆井過(guò)程中，井底鉆柱因受重力作用與下井壁接觸，產(chǎn)生較大的摩擦阻力，導(dǎo)致鉆壓無(wú)法有效傳遞，即形成托壓現(xiàn)象。特別是在定向造斜段與長(zhǎng)水平段鉆進(jìn)過(guò)程中，由于需要對(duì)井斜進(jìn)行調(diào)整而頻繁采用滑動(dòng)鉆進(jìn)，托壓現(xiàn)象更為明顯。托壓現(xiàn)象導(dǎo)致機(jī)械鉆速降低、井身質(zhì)量難以保證，甚至造成嚴(yán)重的井下事故[7]。因此，托壓現(xiàn)象已成為制約水平段鉆井提速和井眼延伸的重要技術(shù)因素。為了減少或消除托壓現(xiàn)象，需要頻繁地進(jìn)行短起下鉆作業(yè)，修復(fù)井壁以及防止井下卡鉆風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重影響鉆井工期，同時(shí)導(dǎo)致鉆井成本大幅增加。因此，高摩阻引起的托壓現(xiàn)象已成為制約水平井鉆井提速以及井眼延伸的技術(shù)難題[3]。

減小鉆柱與井壁之間的摩擦因數(shù)是減少托壓現(xiàn)象的重要手段。為了實(shí)現(xiàn)定向造斜段和長(zhǎng)水平段鉆井提速技術(shù)需求，業(yè)內(nèi)進(jìn)行了大量的理論與鉆井實(shí)踐探索[8-17]。隨著鉆井工藝以及鉆井軟、硬件的快速發(fā)展，采用大功率螺桿+減摩降阻技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)低成本鉆井提速的重要技術(shù)手段。

本文在對(duì)水平井鉆井提速技術(shù)深入研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合鉆柱振動(dòng)沖擊機(jī)理，進(jìn)行了振動(dòng)減阻技術(shù)的研究工作，研制了振動(dòng)減阻工具。振動(dòng)減阻工具是減摩降阻技術(shù)的重要體現(xiàn)，其通過(guò)振動(dòng)沖擊作用，使鉆柱在井底產(chǎn)生軸向高頻低幅振動(dòng)作用，將鉆柱與井壁之間的靜摩擦轉(zhuǎn)換為動(dòng)摩擦，大幅度降低摩擦因數(shù)，減少托壓現(xiàn)象，提高鉆頭破巖效率，實(shí)現(xiàn)鉆井提速。目前，該技術(shù)已在新疆瑪湖油田FNHW4084井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并取得良好的提速效果。本文對(duì)振動(dòng)減阻工具的結(jié)構(gòu)、工作原理與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行闡述，以期對(duì)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)起到一定的借鑒作用。

1 振動(dòng)減阻工具技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)

振動(dòng)減阻工具由心軸、振動(dòng)外筒、碟簧組、下外筒、活塞、定子橡膠、轉(zhuǎn)子、動(dòng)閥以及下接頭等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—心軸；2—振動(dòng)外筒；3—碟簧組；4—下外筒；5—活塞；6—定子橡膠；7—轉(zhuǎn)子；8—?jiǎng)娱y；9—下接頭。

振動(dòng)外筒與心軸之間通過(guò)花鍵組合在一起，確保在鉆井過(guò)程中扭矩的有效傳遞，并通過(guò)組合密封實(shí)現(xiàn)軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)的有效密封。碟簧組設(shè)計(jì)在心軸與振動(dòng)外筒之間，確保往復(fù)振動(dòng)效果。下外筒與振動(dòng)外筒之間通過(guò)特殊的螺紋連接在一起，螺紋連接處的密封與API鉆桿扣型一致，即通過(guò)連接處的端面確保密封效果?；钊O(shè)計(jì)在心軸與下外筒之間的空腔內(nèi)，并通過(guò)組合密封確保往復(fù)密封效果。定子橡膠設(shè)計(jì)在下外筒下方，并通過(guò)硫化工藝與下外筒形成一體；定子橡膠為左旋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)思路與螺桿鉆具定子橡膠設(shè)計(jì)思路一致，即與轉(zhuǎn)子之間形成容積式密封。轉(zhuǎn)子與定子之間為容積式馬達(dá)設(shè)計(jì)，頭數(shù)之比為1∶2，確保鉆井流通時(shí)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。動(dòng)閥設(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)子下方，其與轉(zhuǎn)子之間的連接形式為過(guò)盈配合連接；在動(dòng)閥上設(shè)計(jì)有多個(gè)可供鉆井液流通的通孔。下接頭設(shè)計(jì)在下外筒下方，并通過(guò)螺紋連接在一起。

1.2 工作原理

心軸與下接頭分別連接上下鉆柱。在鉆井過(guò)程中，鉆井液通過(guò)心軸內(nèi)孔進(jìn)入定子橡膠與轉(zhuǎn)子之間的容積空間，并經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子下方設(shè)計(jì)的3個(gè)均布斜孔和動(dòng)閥設(shè)計(jì)的通孔，最后從下接頭內(nèi)孔流出至下部鉆柱。當(dāng)鉆井液流通時(shí)，流體驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中將驅(qū)使動(dòng)閥產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。動(dòng)閥轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，其上設(shè)計(jì)的偏心通孔將與下接頭之間產(chǎn)生周期的往復(fù)滑動(dòng)。

動(dòng)閥轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中與下接頭產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生連續(xù)脈沖壓降，如圖2所示。當(dāng)動(dòng)閥上設(shè)計(jì)的通孔轉(zhuǎn)動(dòng)至與下接頭處于偏心位置時(shí)，此時(shí)產(chǎn)生的壓降達(dá)到最大值Δp(見(jiàn)圖2a)；轉(zhuǎn)子在鉆井液的驅(qū)動(dòng)下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，并驅(qū)使動(dòng)閥通孔轉(zhuǎn)動(dòng)至與下接頭通孔處于同心位置時(shí)，此時(shí)產(chǎn)生的壓降達(dá)到最小值(見(jiàn)圖2b)；隨著轉(zhuǎn)子的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，并驅(qū)使動(dòng)閥繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)至與下接頭通孔處于偏心位置時(shí)，再次產(chǎn)生最大的壓降Δp(見(jiàn)圖2c)。動(dòng)閥與下接頭之間的高低壓轉(zhuǎn)換是一個(gè)連續(xù)過(guò)程，此過(guò)程將產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的脈沖高低壓轉(zhuǎn)換。

圖2 連續(xù)脈沖壓降示意圖

此連續(xù)的脈沖壓降Δp將作用于心軸下端設(shè)計(jì)的活塞環(huán)形端面處，從而給活塞一個(gè)脈沖的作用力，驅(qū)動(dòng)活塞產(chǎn)生向上的運(yùn)動(dòng)，行程為Δs，即產(chǎn)生一次振動(dòng)沖擊作用(見(jiàn)圖3a)。在活塞向上作用過(guò)程中，將壓縮碟簧組做功。當(dāng)動(dòng)閥與下接頭處于同心位置時(shí)，壓降最小，此時(shí)碟簧將恢復(fù)預(yù)緊狀態(tài)，即驅(qū)動(dòng)心軸及活塞向下運(yùn)動(dòng)至初始狀態(tài)(見(jiàn)圖3b)。此時(shí)，完成一個(gè)周期的振動(dòng)沖擊。當(dāng)脈沖壓降再次達(dá)到Δp時(shí)，活塞再次上行，并壓縮碟簧做功，驅(qū)動(dòng)心軸向上運(yùn)動(dòng)，再次產(chǎn)生一個(gè)沖擊振動(dòng)作用；當(dāng)壓降達(dá)到最小時(shí)，心軸及活塞再次恢復(fù)到初始狀態(tài)。由于心軸產(chǎn)生連續(xù)的高頻低幅沖擊作用，該振動(dòng)沖擊力作用于井底鉆柱，從而將驅(qū)動(dòng)井底鉆柱高頻振動(dòng)，使得鉆柱與井壁之間的靜摩擦轉(zhuǎn)換為動(dòng)摩擦，大幅降低摩擦因數(shù)，從而保證鉆壓的有效傳遞，消除或減少托壓現(xiàn)象。

圖3 振動(dòng)減阻工具往復(fù)振動(dòng)示意圖

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)井基本情況

圖4 FNHW4084井井身結(jié)構(gòu)圖

該井于2 395.22 m開(kāi)始進(jìn)行定向造斜，地層為克上組(T2K2)，地層巖性為粉砂質(zhì)泥巖；造斜完鉆井深為2 899.58 m。在造斜段進(jìn)行定向鉆進(jìn)時(shí)，在未使用振動(dòng)減阻工具井段(2 395.22～2 490.00 m)，鉆柱與井壁之間的摩阻大，托壓現(xiàn)象嚴(yán)重，平均機(jī)械鉆速僅為1.34 m/h。其中，在2 440.00～2 490.00 m井段，機(jī)械鉆速僅為0.47 m/h，嚴(yán)重影響鉆井工期。為了有效緩解托壓現(xiàn)象，提高定向造斜段的機(jī)械鉆速，開(kāi)展了振動(dòng)減阻工具的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作。

2.2 試驗(yàn)井振動(dòng)減阻工具主要參數(shù)

FNHW4084井為振動(dòng)減阻工具的首次入井試驗(yàn)，振動(dòng)減阻工具主要參數(shù)如下：工具外徑127.0 mm，工具內(nèi)徑50.0 mm，工具總長(zhǎng)6.2 m，工具上下連接扣型API 3IF，振動(dòng)頻率11～15 Hz，振幅6～8 mm，系統(tǒng)壓降≤3 MPa。

2.3 試驗(yàn)情況

振動(dòng)減阻工具于2020年10月15—26日進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，工具入井照片如圖5所示。

圖5 振動(dòng)減阻工具入井照片

采用的鉆具組合為：?165.1 mm PDC鉆頭+?135.0 mm螺桿(每160 mm 1.5°直扶)+?130.0 mm雙外接頭+?120.0 mm電阻率+?130.0 mm雙外接頭+?120.0 mm懸掛短節(jié)+?120.0 mm保護(hù)接頭+?101.6 mm加重鉆桿3根+?101.6 mm斜坡鉆桿17根+轉(zhuǎn)換接頭+?127.0 mm振動(dòng)減阻工具+轉(zhuǎn)換接頭+?101.6 mm斜坡鉆桿73根+?101.6 mm加重鉆桿36根+?101.6 mm斜坡鉆桿。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，鉆壓20～50 kN，轉(zhuǎn)速0～50 r/min，鉆井液密度1.25～1.27 g/cm3，鉆井液黏度50～57 s，鉆井液含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%～0.3%，鉆井液排量17～20 L/s，地面泵壓18～20 MPa。

表1 試驗(yàn)井段機(jī)械鉆速數(shù)據(jù)對(duì)比

表1中的鄰井FNHW4026井的2 400.00～2 639.00 m井段位于試驗(yàn)井的相同造斜層位。

從表1可以看出：使用振動(dòng)減阻工具后，與上部未使用振動(dòng)減阻工具的井段相比，機(jī)械鉆速提高254%；與鄰井FNHW4026井相同造斜段相比，趟鉆進(jìn)尺提高150%，機(jī)械鉆速提高126%，趟鉆進(jìn)尺及機(jī)械鉆速均大幅提高。所鉆井段井斜參數(shù)變化如表2所示。

表2 試驗(yàn)井段井斜參數(shù)變化

振動(dòng)減阻工具出井照片如圖6所示。工具提出井口后測(cè)試，結(jié)果表明振動(dòng)減阻工具工作正常，從而驗(yàn)證了振動(dòng)減阻工具可大幅消除托壓現(xiàn)象，同時(shí)工具的井下使用壽命也得到驗(yàn)證。

圖6 振動(dòng)減阻工具出井照片

3 振動(dòng)減阻工具優(yōu)勢(shì)分析

(1)技術(shù)優(yōu)勢(shì)：振動(dòng)減阻工具通過(guò)井底產(chǎn)生高頻低幅振動(dòng)沖擊作用，大幅降低鉆柱與井壁之間的摩擦因數(shù)，從而消除或減少托壓現(xiàn)象，保證鉆壓的有效傳遞，進(jìn)而達(dá)到提高機(jī)械鉆速的目的。

(2)成本優(yōu)勢(shì)：振動(dòng)減阻工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于加工。

(3)使用壽命優(yōu)勢(shì)：振動(dòng)減阻工具軸向振動(dòng)部分為純金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在加工過(guò)程中對(duì)于動(dòng)密封進(jìn)行特殊表面處理，可保證井底使用壽命；定子及轉(zhuǎn)子部分為容積式馬達(dá)設(shè)計(jì)，我國(guó)已在容積式馬達(dá)材料研究以及機(jī)械加工方面實(shí)現(xiàn)突破，其單趟井底使用壽命可達(dá)300 h以上，從而保證了振動(dòng)減阻工具在井底的使用壽命。

4 結(jié)論及建議

(1)振動(dòng)減阻工具通過(guò)井底產(chǎn)生高頻低幅振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)井底鉆柱與井壁之間的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，消除或減小鉆柱與井壁之間的摩擦力，從而實(shí)現(xiàn)軸向鉆壓的有效傳遞，提高鉆頭破巖效率?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，振動(dòng)減阻工具具有良好的減阻效果，可以大幅提高定向造斜段的機(jī)械鉆速。

(2)加強(qiáng)振動(dòng)減阻技術(shù)井底鉆具組合設(shè)計(jì)研究工作，深入進(jìn)行振動(dòng)減阻工具井底安放位置優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而避免因振動(dòng)沖擊而造成對(duì)井底MWD/LWD的信號(hào)干擾，即避免對(duì)井底儀器產(chǎn)生影響的前提下，可確保振動(dòng)減阻效果，提高機(jī)械鉆速。

(3)建議加強(qiáng)振動(dòng)減阻技術(shù)的研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)力度，并結(jié)合我國(guó)不同區(qū)域油氣田井身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行相應(yīng)尺寸的工具研發(fā)設(shè)計(jì)，從而為我國(guó)油氣田低成本高效開(kāi)發(fā)做出貢獻(xiàn)。