定向井鉆井中水力振蕩器安放位置優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

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)

針對大位移水平井和S型定向井摩阻扭矩大、滑動鉆進(jìn)時(shí)托壓嚴(yán)重、滾動扶正器等其他工具效果不明顯的問題，采用水力振蕩器提速。該工具通過葉片和傳動裝置將鉆井液動能轉(zhuǎn)化為軸向高頻振動，實(shí)現(xiàn)鉆柱與井壁之間由靜摩擦向動摩擦的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而減小摩阻提高鉆壓傳遞效率解決托壓問題。但對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)場應(yīng)用主要依賴施工人員經(jīng)驗(yàn)，國外一些公司計(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)場人員反復(fù)調(diào)整等問題。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、振動影響其他鉆井設(shè)備使用效果等問題。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，這又會出現(xiàn)增加處理時(shí)間、提速井段短的問題。為了找出水力振蕩器最佳起始點(diǎn)，通過室內(nèi)測試和現(xiàn)場試驗(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流面積之積成正比。而當(dāng)工具結(jié)構(gòu)定型后，過流面積與工具內(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)通過對比線性、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)場實(shí)際排量15～30L/s與摩阻降低值20～50kN對應(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

針對長水平段水平井，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)備振動嚴(yán)重的問題(現(xiàn)場通過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、最低臨界摩阻兩個(gè)因素制約，對于降低摩阻為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%，滑動鉆進(jìn)摩阻降低51.30%，機(jī)械鉆速提高46.94%。

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