頁巖氣水平井水力振蕩器降摩減阻工藝研究與應(yīng)用

李鄭濤

摘要：根據(jù)水力振蕩器的工作原理，分析了水力振蕩器的降摩減阻效果，確定了頁巖氣水平井水力振蕩器的安裝位置、最大振蕩力和工作頻率最優(yōu)參數(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用取得了較好效果。

關(guān)鍵詞：頁巖氣;水力振蕩器;降摩減阻;水平井

威遠構(gòu)造頁巖氣儲量豐富，但開發(fā)難度大，開發(fā)成本高，嚴重制約了油田增產(chǎn)目標(biāo)，增大了油氣開采成本。目前，頁巖氣一般采用“井工廠”模式，但其鉆井施工作業(yè)卻面臨著施工難度大、鉆井成本高等難題。因此，研究頁巖氣水平井關(guān)鍵鉆井技術(shù)對控制鉆井成本，縮短開發(fā)周期具有重要實踐意義。

1 水力振蕩器降摩減阻工藝

1.1 水力振蕩器工作原理

根據(jù)水力振蕩器的機械結(jié)構(gòu)主要由3大部分組成（圖1），主要包括：閥門和軸承系統(tǒng)：閥門和軸承系統(tǒng)中含有一對閥門，當(dāng)鉆井液從動力部分流過來之后，部分能量通過閥門的周期性作用轉(zhuǎn)換為壓力脈沖;動力部分：其動力部分的核心部件為結(jié)構(gòu)與泥漿馬達相似，核心為一個徑長比為1：2的螺桿，在螺桿下端帶有一個動閥片，與閥門系統(tǒng)一頭的定閥片組成閥門，通過鉆井液驅(qū)動螺桿旋轉(zhuǎn)，使得閥片做周期性旋轉(zhuǎn);振蕩短節(jié)：由對外密封的心軸和其外圍軸向安裝的彈簧組成，由于動力部分的動閥片和閥門軸承系統(tǒng)的定閥片之間周期性開閉產(chǎn)生的壓力脈沖，帶動心軸上下運動壓縮彈簧，進而使得工具整體作往復(fù)運動。

工具上端與動力部分連接的是閥片和軸承系統(tǒng)，主要部件是耐磨套和與下端動力部分連接的定閥片，同時，與定閥片相互接觸的為動力部分螺桿一端連接的動閥片，由于螺桿的轉(zhuǎn)動，動閥片與定閥片的位置相錯或重合，進而定閥片開口處于周期性開閉狀態(tài)而導(dǎo)致閥片上端承受的液壓周期性不斷改變。

1.2 水力振蕩器降摩減阻影響因素分析

1.2.1 振動參數(shù)

振動的主要參數(shù)應(yīng)包括振幅和頻率，由于水力振蕩器振動為阻尼振動，因此并不能通過振幅來體現(xiàn)振動特性，而振幅通過最大振蕩力控制。對于水力振蕩器所產(chǎn)生的振蕩力或振蕩脈沖主要由工具的尺寸（對應(yīng)于開泵面積）、工作壓降（對應(yīng)于壓力脈沖）和工作頻率決定，而工具產(chǎn)生的最大振蕩力則由壓力脈沖和開泵面積所決定，因此工具的最大振蕩力和工作頻率可能會對降摩減阻的效果產(chǎn)生影響。

1.2.2 安裝位置

水力振蕩器一般使用在水平井段，而降摩減阻效果的差異也可能體現(xiàn)在水力振蕩器在水平段安裝位置和水平段的井斜角的變化上。

1.2.3鉆井參數(shù)

鉆井液密度與性能、井眼軌跡、鉆壓等都可能會對水力振蕩器的降摩減阻效果產(chǎn)生影響，然而，由于鉆井工程不是以水力振蕩器為優(yōu)先級進行設(shè)計，因此分析改變鉆井液等參數(shù)并不具有實際可操作性。

因此，水力振蕩器降摩減阻有效影響因素包括：水力振蕩器的安裝位置、工具的最大振蕩力和工作頻率。由于近鉆頭處的下部鉆具組合中立柱所受軸向摩擦力較大，整體呈現(xiàn)出降摩減阻效果隨安裝位置的上移而減小的趨勢;整體呈現(xiàn)出降摩減阻效果隨最大振蕩力增大而增大的趨勢;由于工作頻率的增大，造成工具及附近鉆柱速度增大達到摩阻降低的效果，但工作頻率繼續(xù)增大時，速度超過動摩擦系數(shù)曲線臨界值，則表現(xiàn)為速度增大，摩擦力也相應(yīng)增大。所以，較大的工作頻率雖然對全井段鉆柱的摩阻降低起到正面影響，但卻對安裝工具附近鉆柱的摩擦力降低起到適得其反的效果，更增添鉆柱發(fā)生屈曲的風(fēng)險。

最終確定出水力振蕩器推薦優(yōu)化使用方案為：工具尺寸直徑172mm;安裝位置在鉆頭后200m～360m;最大振蕩力為31.8kN、39.14kN;工作頻率為16Hz。

2 水力振蕩器降摩減阻應(yīng)用

為了充分說明水力振蕩器在威遠地區(qū)頁巖氣水平井中的應(yīng)用效果，本文利用與M1井同平臺的M2井的實鉆數(shù)據(jù)進行對比分析。M2井為一口三維水平井，與M1屬同一平臺，地層特征、井身剖面、井身結(jié)構(gòu)、鉆具組合及鉆井參數(shù)都基本相同，但M2井在水平段施工時未使用水力振蕩器。因此，可利用M1井和M2井水平段的實測井口大鉤載荷進行對比分析。

根據(jù)滑動鉆進工況下M1井和M2井水平段實測井口大鉤載荷。M1井的井口大鉤載荷始終大于M2井，說明M1井的水平段摩阻小于M2井，摩阻降低約30.8%，說明水力振蕩器降摩減阻效果良好。通過水力振蕩器在M1井的應(yīng)用效果可以說明，水力振蕩器能夠有效的減小鉆柱摩阻，消除了定向和水平鉆進中的托壓現(xiàn)象，提高了機械鉆速，降低了鉆井周期，減少了鉆井事故發(fā)生的機率，在威遠頁巖氣區(qū)具有一定推廣價值。

3 結(jié)論

在頁巖氣深、超深水平井鉆井施工中，推薦對通常使用直徑為172mm水力振蕩器采用以下工作參數(shù)：安裝位置控制在鉆頭后200m～360m范圍內(nèi)，振蕩力選擇31.8kN或39.14kN，工作頻率控制在16Hz作業(yè)。水力振蕩器能夠有效的減小鉆柱摩阻，提高了機械鉆速。

參考文獻：

[1]聶靖霜.威遠長寧地區(qū)頁巖氣水平井鉆井技術(shù)研究[D].成都：西南石油大學(xué)，2013.

[2]秦富兵.威遠區(qū)塊頁巖氣水平井鉆井工藝技術(shù)研究[D].成都：西南石油大學(xué)，2016.