振動減阻工具的研制與現(xiàn)場試驗*

穆總結 李根生 臧傳貞 馬軍

(1.中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室 2. 中國石油大學(北京)克拉瑪依校區(qū)油氣資源與探測國家重點實驗室 3. 中國石油新疆油田分公司 4.中國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發(fā)和降本增效的重要技術手段[1-3]。隨著非常規(guī)油氣資源開發(fā)的不斷深入，水平井已成為開發(fā)頁巖油氣的主要井型，水平井段也在不斷延伸。如我國已在西南油氣田和新疆油田等非常規(guī)油氣開發(fā)過程中鉆成了3 000 m及以上水平段[4-6]，且水平段長度還在延伸。在長水平井鉆井過程中，如何提高機械鉆速已成為業(yè)內(nèi)人士亟待解決的關鍵技術問題。

在水平井鉆井過程中，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，導致鉆壓無法有效傳遞，即形成托壓現(xiàn)象。特別是在定向造斜段與長水平段鉆進過程中，由于需要對井斜進行調(diào)整而頻繁采用滑動鉆進，托壓現(xiàn)象更為明顯。托壓現(xiàn)象導致機械鉆速降低、井身質(zhì)量難以保證，甚至造成嚴重的井下事故[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因素。為了減少或消除托壓現(xiàn)象，需要頻繁地進行短起下鉆作業(yè)，修復井壁以及防止井下卡鉆風險，嚴重影響鉆井工期，同時導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。為了實現(xiàn)定向造斜段和長水平段鉆井提速技術需求，業(yè)內(nèi)進行了大量的理論與鉆井實踐探索[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+減摩降阻技術已成為實現(xiàn)低成本鉆井提速的重要技術手段。

本文在對水平井鉆井提速技術深入研究的基礎上，結合鉆柱振動沖擊機理，進行了振動減阻技術的研究工作，研制了振動減阻工具。振動減阻工具是減摩降阻技術的重要體現(xiàn)，其通過振動沖擊作用，使鉆柱在井底產(chǎn)生軸向高頻低幅振動作用，將鉆柱與井壁之間的靜摩擦轉換為動摩擦，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，實現(xiàn)鉆井提速。目前，該技術已在新疆瑪湖油田FNHW4084井進行現(xiàn)場試驗，并取得良好的提速效果。本文對振動減阻工具的結構、工作原理與現(xiàn)場試驗結果進行闡述，以期對相關技術的研發(fā)起到一定的借鑒作用。

1 振動減阻工具技術分析

1.1 結構

振動減阻工具由心軸、振動外筒、碟簧組、下外筒、活塞、定子橡膠、轉子、動閥以及下接頭等組成，結構如圖1所示。

1—心軸；2—振動外筒；3—碟簧組；4—下外筒；5—活塞；6—定子橡膠；7—轉子；8—動閥；9—下接頭。

振動外筒與心軸之間通過花鍵組合在一起，確保在鉆井過程中扭矩的有效傳遞，并通過組合密封實現(xiàn)軸向往復運動的有效密封。碟簧組設計在心軸與振動外筒之間，確保往復振動效果。下外筒與振動外筒之間通過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，即通過連接處的端面確保密封效果?；钊O計在心軸與下外筒之間的空腔內(nèi)，并通過組合密封確保往復密封效果。定子橡膠設計在下外筒下方，并通過硫化工藝與下外筒形成一體；定子橡膠為左旋結構設計，其設計思路與螺桿鉆具定子橡膠設計思路一致，即與轉子之間形成容積式密封。轉子與定子之間為容積式馬達設計，頭數(shù)之比為1∶2，確保鉆井流通時驅(qū)動轉子轉動。動閥設計在轉子下方，其與轉子之間的連接形式為過盈配合連接；在動閥上設計有多個可供鉆井液流通的通孔。下接頭設計在下外筒下方，并通過螺紋連接在一起。

1.2 工作原理

心軸與下接頭分別連接上下鉆柱。在鉆井過程中，鉆井液通過心軸內(nèi)孔進入定子橡膠與轉子之間的容積空間，并經(jīng)過轉子下方設計的3個均布斜孔和動閥設計的通孔，最后從下接頭內(nèi)孔流出至下部鉆柱。當鉆井液流通時，流體驅(qū)動轉子產(chǎn)生順時針轉動，轉子轉動過程中將驅(qū)使動閥產(chǎn)生轉動。動閥轉動過程中，其上設計的偏心通孔將與下接頭之間產(chǎn)生周期的往復滑動。

動閥轉動過程中與下接頭產(chǎn)生往復運動，并產(chǎn)生連續(xù)脈沖壓降，如圖2所示。當動閥上設計的通孔轉動至與下接頭處于偏心位置時，此時產(chǎn)生的壓降達到最大值Δp(見圖2a)；轉子在鉆井液的驅(qū)動下繼續(xù)轉動，并驅(qū)使動閥通孔轉動至與下接頭通孔處于同心位置時，此時產(chǎn)生的壓降達到最小值(見圖2b)；隨著轉子的繼續(xù)轉動，并驅(qū)使動閥繼續(xù)轉動至與下接頭通孔處于偏心位置時，再次產(chǎn)生最大的壓降Δp(見圖2c)。動閥與下接頭之間的高低壓轉換是一個連續(xù)過程，此過程將產(chǎn)生一個連續(xù)的脈沖高低壓轉換。

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計的活塞環(huán)形端面處，從而給活塞一個脈沖的作用力，驅(qū)動活塞產(chǎn)生向上的運動，行程為Δs，即產(chǎn)生一次振動沖擊作用(見圖3a)。在活塞向上作用過程中，將壓縮碟簧組做功。當動閥與下接頭處于同心位置時，壓降最小，此時碟簧將恢復預緊狀態(tài)，即驅(qū)動心軸及活塞向下運動至初始狀態(tài)(見圖3b)。此時，完成一個周期的振動沖擊。當脈沖壓降再次達到Δp時，活塞再次上行，并壓縮碟簧做功，驅(qū)動心軸向上運動，再次產(chǎn)生一個沖擊振動作用；當壓降達到最小時，心軸及活塞再次恢復到初始狀態(tài)。由于心軸產(chǎn)生連續(xù)的高頻低幅沖擊作用，該振動沖擊力作用于井底鉆柱，從而將驅(qū)動井底鉆柱高頻振動，使得鉆柱與井壁之間的靜摩擦轉換為動摩擦，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 振動減阻工具往復振動示意圖

2 現(xiàn)場試驗

2.1 試驗井基本情況

圖4 FNHW4084井井身結構圖

該井于2 395.22 m開始進行定向造斜，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。在造斜段進行定向鉆進時，在未使用振動減阻工具井段(2 395.22～2 490.00 m)，鉆柱與井壁之間的摩阻大，托壓現(xiàn)象嚴重，平均機械鉆速僅為1.34 m/h。其中，在2 440.00～2 490.00 m井段，機械鉆速僅為0.47 m/h，嚴重影響鉆井工期。為了有效緩解托壓現(xiàn)象，提高定向造斜段的機械鉆速，開展了振動減阻工具的現(xiàn)場試驗工作。

2.2 試驗井振動減阻工具主要參數(shù)

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

2.3 試驗情況

振動減阻工具于2020年10月15—26日進行現(xiàn)場試驗，工具入井照片如圖5所示。

圖5 振動減阻工具入井照片

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保護接頭+?101.6 mm加重鉆桿3根+?101.6 mm斜坡鉆桿17根+轉換接頭+?127.0 mm振動減阻工具+轉換接頭+?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)場試驗中，鉆壓20～50 kN，轉速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)量分數(shù)0.1%～0.3%，鉆井液排量17～20 L/s，地面泵壓18～20 MPa。

表1 試驗井段機械鉆速數(shù)據(jù)對比

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

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

表2 試驗井段井斜參數(shù)變化

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

圖6 振動減阻工具出井照片

3 振動減阻工具優(yōu)勢分析

(1)技術優(yōu)勢：振動減阻工具通過井底產(chǎn)生高頻低幅振動沖擊作用，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，進而達到提高機械鉆速的目的。

(2)成本優(yōu)勢：振動減阻工具結構設計簡單，易于加工。

(3)使用壽命優(yōu)勢：振動減阻工具軸向振動部分為純金屬結構設計，在加工過程中對于動密封進行特殊表面處理，可保證井底使用壽命；定子及轉子部分為容積式馬達設計，我國已在容積式馬達材料研究以及機械加工方面實現(xiàn)突破，其單趟井底使用壽命可達300 h以上，從而保證了振動減阻工具在井底的使用壽命。

4 結論及建議

(1)振動減阻工具通過井底產(chǎn)生高頻低幅振動，實現(xiàn)井底鉆柱與井壁之間的往復運動，消除或減小鉆柱與井壁之間的摩擦力，從而實現(xiàn)軸向鉆壓的有效傳遞，提高鉆頭破巖效率。現(xiàn)場試驗結果表明，振動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械鉆速。

(2)加強振動減阻技術井底鉆具組合設計研究工作，深入進行振動減阻工具井底安放位置優(yōu)化設計，從而避免因振動沖擊而造成對井底MWD/LWD的信號干擾，即避免對井底儀器產(chǎn)生影響的前提下，可確保振動減阻效果，提高機械鉆速。

(3)建議加強振動減阻技術的研究和現(xiàn)場試驗力度，并結合我國不同區(qū)域油氣田井身結構特點，進行相應尺寸的工具研發(fā)設計，從而為我國油氣田低成本高效開發(fā)做出貢獻。