水力脈沖發(fā)生器在鉆井提速中的應(yīng)用

蔡勇

摘要：水力脈沖發(fā)生器在鉆進(jìn)中的使用是將水力脈沖空化射流式鉆進(jìn)和旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)相結(jié)合的一種鉆進(jìn)方法。為了在鉆井施工過程中，提高鉆井機(jī)械鉆速，增強(qiáng)螺桿和鉆頭的使用效率，滿足在不同地質(zhì)區(qū)塊和不同地層的鉆井提速要求，水力脈沖發(fā)生器廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)井、預(yù)探井、探井的鉆井施工過程中。水力脈沖發(fā)生器在常規(guī)轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)方式下應(yīng)用的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：在軟、中硬、硬地層中鉆進(jìn)，機(jī)械鉆速高、井身質(zhì)量好、鉆井成本低、鉆頭和螺桿使用壽命長等，加快了鉆井速度，提高了經(jīng)濟(jì)效益。本文對水力脈沖發(fā)生器在冀中地區(qū)的適應(yīng)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析及評價(jià)。

關(guān)鍵詞：冀中地區(qū);水力脈沖發(fā)生器;鉆井提速

前言

通過對水力脈沖發(fā)生器性能參數(shù)同巖石抗鉆特性之間的關(guān)系、水力脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)理論和設(shè)計(jì)方法、發(fā)生器及其部件的使用壽命、沖擊性能參數(shù)和鉆井工藝參數(shù)優(yōu)化的深入研究，使得水力脈沖發(fā)生器在常規(guī)轉(zhuǎn)盤應(yīng)用的效果得以充分發(fā)揮。通過不同井型和不同區(qū)塊的鉆井實(shí)踐和分析對比，我們已經(jīng)能夠較好的將這一新工具應(yīng)用到鉆井提速過程中。

實(shí)踐表明，在不增加地面設(shè)備動(dòng)能的前提下，合理利用水力脈沖能量或以水力能量驅(qū)動(dòng)適當(dāng)井下工具進(jìn)行破巖、輔助破巖是當(dāng)前提高鉆井速度可行的途徑之一，采用水力脈沖空化射流破巖、輔助破巖是合理利用水力能量、提高機(jī)械鉆速的一個(gè)重要方式。因此，深入研究水力脈沖發(fā)生器在常規(guī)轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)方式下的應(yīng)用情況，對加快鉆井勘探開發(fā)具有重要意義。

1水力脈沖發(fā)生器

1.1水力脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)

水力脈沖發(fā)生器主要由本體、彈性擋圈、導(dǎo)流體、葉輪總成、自激振蕩腔室等組成，如圖1所示。

1.2水力脈沖發(fā)生器原理

其中導(dǎo)流體：改變鉆井液方向和速度;葉輪總成：為振動(dòng)腔提供有源脈沖;自激振蕩腔：有源脈沖信號產(chǎn)生流體聲諧共振、信號放大，在流體出口端產(chǎn)生強(qiáng)烈脈動(dòng)渦環(huán)流。

1.3水力脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)

（1）導(dǎo)流體結(jié)構(gòu)（圖2）

（2）葉輪結(jié)構(gòu)（圖3）

（3）自激振蕩腔室結(jié)構(gòu)及具體參數(shù)（圖4、表1）

1.4水力脈沖發(fā)生器基本參數(shù)

型號：HPCDT-178和HPCDT-228型

外徑：178（7"）和228mm（9"） 長度：500mm-605mm

重量：95kg-150kg 井深：≤7000m

排量：20～60l/s 壓耗：0.5-1.5 MPa

脈沖：2.0-3.0 Mpa 上扣：730，631，410，4A10

下扣：730，630，430。

1.5壓力脈動(dòng)幅度

流量為30l/s，葉輪轉(zhuǎn)速50～300r/min，壓力脈動(dòng)在1.25MPa左右;入口流量20～45l/s，壓力脈動(dòng)幅度從0.53MPa增大到2.73MPa（圖5）。

以178型水力脈沖發(fā)生器為例，通過分析壓力脈動(dòng)幅度隨泵排量的增加呈線性增大趨勢，由此得出了在不同水力脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)參數(shù)和鉆井水力參數(shù)下脈沖發(fā)生器基本參數(shù)的變化規(guī)律，對于鉆井水力參數(shù)的優(yōu)選具有較好的指導(dǎo)意義。

2實(shí)際鉆進(jìn)過程中的使用效果對比分析

以寧古15井為例：在三開鉆進(jìn)第二次使用水力脈沖發(fā)生器進(jìn)行高壓脈沖空化射流鉆井。

鉆具組合：Φ215.9mm牙輪鉆頭+脈沖接頭+411×4A0+浮閥+托盤+Φ165mm無磁鉆鋌×1根+Φ165mm螺旋鉆鋌×11根+4A1×410+Φ127mm加重鉆桿×16根+165mm隨鉆震擊器+Φ127mm加重鉆桿×5根+Φ127mm18°鉆桿。

鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓：160KN;轉(zhuǎn)速：100rpm/min;排量：32l/s，泵壓17Mpa。鉆井液密度：1.34-1.37g/cm3，粘度：49-51秒。

鉆進(jìn)井段：3730-3880米，進(jìn)尺：150米。

地層：沙2+3。

巖性：灰色泥巖與紫紅色泥巖夾薄層淺灰色細(xì)沙巖。純鉆時(shí)間：63.2小時(shí)。平均機(jī)械鉆速2.37米/小時(shí)。

水力脈沖發(fā)生器井下工作正常，起出后檢查外觀完好，導(dǎo)流體斜面靠近葉輪處沖蝕出缺口，葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，無阻卡現(xiàn)象，葉輪本體完好。

與鄰井寧古11井相同井段相比機(jī)械鉆速提高0.89米/小時(shí)，提速幅度60.14%（表2）。

3水利脈沖發(fā)生器在復(fù)合鉆進(jìn)方式下應(yīng)用情況

以寧古15井為例：在三開鉆進(jìn)第一次使用水力脈沖發(fā)生器進(jìn)行高壓脈沖射流鉆井。

鉆具組合：Φ215.9mmPDC鉆頭+178mm水力脈沖發(fā)生器+411×431配合接頭+172mm直螺桿+回壓凡爾+Φ165mm無磁鉆鋌×1根+Φ214mm扶正器+Φ165mm螺旋鉆鋌×11根+Φ127mm加重鉆桿×15根+165mm隨鉆震擊器+Φ127mm加重鉆桿×6根+Φ127mm鉆桿。

鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓：40-60KN;轉(zhuǎn)速：50rpm/min+DN;排量：35-31l/s，泵壓17-18Mpa。鉆井液密度：1.20-1.28g/cm3，粘度：38-50秒。

鉆進(jìn)井段：2425-3297米，進(jìn)尺：872米。

地層：東營～沙一。

巖性：紫紅色泥巖與淺灰色細(xì)砂巖互層，灰色泥巖與淺灰色細(xì)沙巖互層。

純鉆時(shí)間：56.7小時(shí)。平均機(jī)械鉆速15.38米/小時(shí)。

水力脈沖發(fā)生器井下工作正常，起出后檢查外觀完好，葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，無阻卡現(xiàn)象，葉輪本體完好。鉆頭起出后胎體、齒廓完好，新度98%，可重新入井使用。

由與相鄰區(qū)塊使用效果對比表可以看出，在使用的鉆頭、地層、井段、鉆井參數(shù)基本相近的情況下，本井與西47-16井相比，機(jī)械鉆速提高9.81米/小時(shí)，提速176.1%。

4水力脈沖發(fā)生器在雁翎區(qū)塊復(fù)合鉆進(jìn)方式下的應(yīng)用情況

4.1雁翎區(qū)塊的定向井上直井段鉆進(jìn)中使用水力脈沖發(fā)生器進(jìn)行高壓脈沖射流鉆井

鉆具組合：Φ215.9mmPDC鉆頭+178mm水力脈沖發(fā)生器+411×431配合接頭+172mm1°單彎螺桿+回壓凡爾+Φ165mm無磁鉆鋌×1根+Φ214mm扶正器+Φ165mm螺旋鉆鋌×5～8根+Φ127mm加重鉆桿×9～12根+159mm隨鉆震擊器+Φ127mm加重鉆桿×6根+Φ127mm鉆桿。

鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓：30-50KN;轉(zhuǎn)速：50rpm/min+DN;排量：35-31l/s，泵壓12-18Mpa。鉆井液密度：1.05-1.15g/cm3，粘度：20-40秒。

機(jī)械鉆速與同區(qū)塊同樣復(fù)合鉆進(jìn)方式和相近鉆井參數(shù)施工的雁63-13X井相近的上直井段比較有較大幅度提高。

由雁翎區(qū)塊上直井段使用效果對比表可以看出，在使用的鉆頭、地層、井段、鉆井參數(shù)基本相近的情況下，在雁翎區(qū)7口定向井的上直井段使用水力脈沖發(fā)生器與未使用水力脈沖發(fā)生器的雁63-13X井相比，機(jī)械鉆速提高幅度在29.41%～100.61%之間，7口井共節(jié)約鉆井周期3.98天;平均每口井節(jié)約鉆井周期0.57天，取得了明顯的提速效果。

4.2在雁翎區(qū)塊施工的3口直井施工中鉆進(jìn)中使用水力脈沖發(fā)生器進(jìn)行高壓脈沖空化射流鉆井

鉆具組合：Φ215.9mmPDC鉆頭+178mm水力脈沖發(fā)生器+411×431配合接頭+172mm1°單彎螺桿+回壓凡爾+Φ165mm無磁鉆鋌×1根+Φ214mm扶正器+Φ165mm螺旋鉆鋌×5～8根+Φ127mm加重鉆桿×9～12根+159mm隨鉆震擊器+Φ127mm加重鉆桿×6根+Φ127mm鉆桿。

鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓：30-60KN;轉(zhuǎn)速：50rpm/min+DN;排量：35-31l/s，泵壓12-18Mpa。鉆井液密度：1.05-1.23g/cm3，粘度：20-55秒。

鉆機(jī)月速與同區(qū)塊同樣復(fù)合鉆進(jìn)方式和相近鉆井參數(shù)施工的雁63-95井比較有較大幅度提高。

由雁翎區(qū)塊上直井段使用效果對比表可以看出，在使用的鉆頭、地層、井段、鉆井參數(shù)基本相近的情況下，在雁翎區(qū)3口直井使用水力脈沖發(fā)生器與未使用水利脈沖發(fā)生器的雁63-95井相比，鉆機(jī)月速提高幅度在42.32%～88.35%之間，3口井按鉆機(jī)月速相比共節(jié)約鉆井周期19.61天;平均每口井節(jié)約鉆井周期6.54天，提速效果明顯。

5應(yīng)用情況及經(jīng)濟(jì)效益

從水力脈沖發(fā)生器在不同地層復(fù)合鉆進(jìn)方式下的使用情況可以看出，在冀中區(qū)塊所鉆4口井在二開上直井段軟地層使用水力脈沖發(fā)生器后提速效果明顯，平均機(jī)械鉆速72.13米/小時(shí)，平均提速幅度達(dá)到62.4%，共計(jì)創(chuàng)效9.81萬元。

在冀中區(qū)塊所鉆2口井在中硬地層使用水力脈沖發(fā)生器后平均機(jī)械鉆速44.22米/小時(shí)，平均提速幅度達(dá)到121.44%，共計(jì)創(chuàng)效20.09萬元。

在冀中區(qū)塊硬地層使用水力脈沖發(fā)生器后平均機(jī)械鉆速2.37米/小時(shí)，提速幅度達(dá)到60.14%，共計(jì)創(chuàng)效5.68萬元。

上述6口井使用水力脈沖發(fā)生器后平均機(jī)械鉆速總體提升81.33%，共創(chuàng)效35.58萬元。通過在不同地層的使用情況來分析，在軟地層和中硬地層中使用水力脈沖發(fā)生器提速增效效果顯著，水力脈沖發(fā)生器在冀中地區(qū)復(fù)合鉆進(jìn)條件下具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

6結(jié)論

（1）水力脈沖發(fā)生器通過壓力脈動(dòng)，改變井底流場，減少壓持效應(yīng)，提高了井底清洗效果，達(dá)到了提高機(jī)械鉆速的目的。

（2）水力脈沖器不影響直螺桿的應(yīng)用，但在定向井段施工過程中，對定向井儀器的電脈沖信號產(chǎn)生影響。

（3）水力脈沖發(fā)生器在冀中地區(qū)不同地層（軟、中硬、硬等地層）都有提速效果，尤其在軟及中硬地層提速效果更為顯著。

（4）水力脈沖發(fā)生器使用壽命長，可達(dá)500小時(shí)，可多次重復(fù)下井使用。

（5）水力脈沖發(fā)生器壓降在1.5-2MPa，在水力參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮。

參考文獻(xiàn)

[1]周波，李建業(yè).水力脈沖發(fā)生器在冀中地區(qū)的試驗(yàn)應(yīng)用[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量.2019（10）：113-114.