歐陽(yáng)勇 周文軍 徐自強(qiáng) 黃占盈

（1.長(zhǎng)慶油田油氣工藝研究院，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710018）

長(zhǎng)慶蘇里格西區(qū)致密氣藏延長(zhǎng)組、劉家溝組和太原組地層巖石可鉆性大部分在5.5 左右，屬中硬地層，其地層可鉆性相對(duì)較差，機(jī)械鉆速較低［1-2］。嚴(yán)重制約了蘇西區(qū)塊的整體開(kāi)發(fā)進(jìn)展，使鉆井成本大大超出投資計(jì)劃。因此，尋找新的、高效的破巖技術(shù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)蘇里格氣田的規(guī)模有效開(kāi)發(fā)、配套形成致密氣藏低成本主體開(kāi)發(fā)技術(shù)具有重要意義。

高壓噴射鉆井技術(shù)自問(wèn)世以來(lái)，在提高鉆頭進(jìn)尺和機(jī)械鉆速等方面，都取得了突破性進(jìn)展，到目前為止，該項(xiàng)技術(shù)已由地面增壓發(fā)展為井下增壓，由連續(xù)射流發(fā)展為空化射流，更加有利于破碎巖石和表面清洗，為高效快速鉆井開(kāi)辟了廣闊的前景［3-7］。然而，長(zhǎng)期以來(lái)該技術(shù)與配套工具技術(shù)服務(wù)費(fèi)用高昂，不利于長(zhǎng)慶油氣田的低成本開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略。為提高鉆井速度，降低施工成本，形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)，2011年長(zhǎng)慶油田油氣工藝研究院聯(lián)合中國(guó)石油集團(tuán)公司鉆井院研制出適用于蘇里格西區(qū)致密氣藏的頻率可調(diào)式脈沖鉆井提速工具，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用2 口井，有效提高機(jī)械鉆速20%以上。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

頻率可調(diào)式脈沖鉆井提速工具由外殼體、渦輪動(dòng)力系統(tǒng)、脈沖調(diào)制系統(tǒng)、諧振脈沖系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。外殼體外形為圓柱體，內(nèi)有階梯狀通 孔。外殼體上部螺紋用于工具與上部鉆井管柱連接，下部螺紋直接與鉆頭相連；渦輪動(dòng)力系統(tǒng)包括軸承、上固定孔板、導(dǎo)流葉片、配合筒、下固定孔板、中心軸；脈沖調(diào)制系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)動(dòng)密封塊、偏心軸、周期導(dǎo)流板；諧振脈沖系統(tǒng)主要包括諧振脈沖腔，其外形為圓柱體，中心有階梯通孔，孔為圓形，直徑逐漸減小。

圖1 頻率可調(diào)式脈沖提速工具結(jié)構(gòu)

1.2 設(shè)計(jì)原理

工具將機(jī)械強(qiáng)制脈沖與自激振蕩脈沖相結(jié)合，將常規(guī)連續(xù)的鉆井液流動(dòng)轉(zhuǎn)換成脈沖流動(dòng)。脈沖流動(dòng)能有效提高鉆頭破巖能力，同時(shí)避免巖屑重復(fù)破碎，并可使井底產(chǎn)生周期性負(fù)壓，從而提高鉆頭破巖效率［8］。

工作時(shí)，鉆井液通過(guò)工具渦輪動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)沖擊渦輪葉片，導(dǎo)流葉片改變了鉆井液的流動(dòng)方向，同時(shí)導(dǎo)流葉片在流體沖擊作用下帶動(dòng)渦輪中心軸旋轉(zhuǎn)，中心軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)密封塊旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)密封塊與脈沖調(diào)制系統(tǒng)的靜閥板流動(dòng)重合時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)密封塊與流道孔間配合形成密封，此時(shí)鉆井液的流動(dòng)通道被完全切斷，導(dǎo)致壓力瞬時(shí)升高，隨著旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)密封塊與流動(dòng)孔間的密封消失，鉆井液能通過(guò)流道通孔繼續(xù)向下流動(dòng)，使壓力降低，如圖2 所示，轉(zhuǎn)動(dòng)密封塊與靜閥板流通孔間形成周期性密封，這種周期性的密封使原本連續(xù)流動(dòng)鉆井液變成周期性的脈沖流體。該流體流經(jīng)諧振脈沖腔時(shí)，脈沖射流的脈沖幅值進(jìn)一步放大，射流沖擊力進(jìn)一步增強(qiáng)［9-10］。

圖2 靜閥與動(dòng)閥

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

總長(zhǎng)度：810 mm；外徑：?177.8 mm；扣型：NC46（4A10）×?114.3 mm；重量：93 kg；井下工作時(shí)間：＞100 h；工具壓降：1.5～2.5 MPa；壓力脈沖：2～4 MPa；井眼直徑：?215.9 mm。

2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

針對(duì)研制的頻率可調(diào)式脈沖鉆井提速工具進(jìn)行了低頻、中頻和高頻3 種頻率室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備相似模擬測(cè)定工具的脈沖頻率和脈沖幅值，如圖3 所示。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)集成在一個(gè)控制電腦上，通過(guò)測(cè)量工具上部安裝傳感器的壓力，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取傳感器的數(shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)處理獲取鉆井液流動(dòng)的脈沖頻率和脈沖幅值。

圖3 頻率可調(diào)式脈沖鉆井提速工具室內(nèi)實(shí)驗(yàn)示意圖

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同脈沖頻率的工具隨流量變化趨勢(shì)基本相同，即隨著鉆井液流量增加，頻率逐漸升高。從頻率變化趨勢(shì)可看出，在流量增加初始階段，脈沖頻率急劇增加，隨后流量進(jìn)一步增加，頻率增加趨勢(shì)變緩；不同脈沖頻率的工具脈沖幅值隨流量變化趨勢(shì)也基本相同，隨著流量的增加，脈沖幅值增加；在相同的流量情況下，低頻率工具的脈沖幅值最大，高頻工具的脈沖幅值最小，中頻工具的脈沖幅值居中，如圖4 所示。

圖4 鉆井液流量對(duì)工具頻率的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研制的頻率可調(diào)式脈沖鉆井提速工具在鉆井液以一定的流量通過(guò)時(shí)，能夠?qū)⑦B續(xù)流動(dòng)改變?yōu)榫哂幸欢l率和幅值的脈沖流動(dòng)，使其在井底產(chǎn)生高速水力脈沖射流、局部負(fù)壓效應(yīng)，從而更好地改善井底流場(chǎng)、提高井底凈化能力和輔助破巖，達(dá)到提高機(jī)械鉆速的效果，滿足現(xiàn)場(chǎng)提速工作要求。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2011 年11 月，研制的頻率可調(diào)式脈沖鉆井提速工具在蘇里格西區(qū)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用2 井次，蘇120X-3A-9B 井平均提高機(jī)械鉆速22.1%，蘇AX-21B-5C 井平均提高機(jī)械鉆速21.6%。以蘇120X-3A-9B 井為例，該井位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂托克前旗，設(shè)計(jì)為直井，井深3 798 m，根據(jù)鄰井資料顯示，該區(qū)塊井深2 950～3 500 m 地層存在泥巖與砂礫巖互層，地層研磨性強(qiáng)，巖石可鉆性差，機(jī)械鉆速較慢，因此選擇在此層位下入提速工具。工具入井106 h，純鉆84.8 h，試驗(yàn)井段2 925～3 411 m，累計(jì)進(jìn)尺486 m，平均機(jī)械鉆速為5.73 m/h。起鉆后工具表面無(wú)明顯損傷，內(nèi)部結(jié)構(gòu)完好。

鉆井組合：?215.9 mmPDC+?177.8 mm 頻率可調(diào)式脈沖鉆井提速工具+4A11×410SUB+?177.8 mmNMDC×1+?177.8 mmDC×1+?213 mmSTAB× 1+?177.8 mmDC×13+?127 mmDP。

鉆井參數(shù)：鉆壓120 kN，轉(zhuǎn)速40 r/min，排量32 L/s，立壓14 MPa。

鉆井液性能：密度1.05 g/m3，漏斗黏度45 s，塑性黏度11 mPa·s，失水10 mL，濾餅厚度0.5 mm，pH值9，含砂0.3%。

取該區(qū)塊距離蘇120X-3A-9B 井最近的2 口井蘇120X-3E-6F 井與蘇120X-9C-8D 井資料做對(duì)比，兩井在同一地層平均機(jī)械鉆速分別為4.72 m/h、4.67 m/h，使用頻率可調(diào)式脈沖提速工具平均機(jī)械鉆速相比兩井分別提高了21.4%、22.7%。

4 結(jié)論與建議

（1）研制出了適合蘇里格西區(qū)中深井下部較硬地層?215.9 mm 井眼的頻率可調(diào)式脈沖鉆井提速工具。

（2）頻率可調(diào)式脈沖鉆井提速工具能有效提高機(jī)械鉆速，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用2 井次，與同區(qū)塊、同地層相比，平均機(jī)械鉆速提高20%以上。

（3）頻率可調(diào)式脈沖鉆井提速工具現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用平均入井時(shí)間大于100 h，起出后工具新度80%，說(shuō)明工具能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求。

（4）配合提速工具使用的PDC 鉆頭復(fù)合片磨損均勻，均屬于正常磨損，無(wú)崩齒、掉齒現(xiàn)象，說(shuō)明該工具產(chǎn)生的水力脈沖振動(dòng)不會(huì)對(duì)鉆頭造成傷害。

（5）進(jìn)一步優(yōu)化提速工具工作參數(shù)，獲得更佳提速效果，并在二開(kāi)不適用螺桿井段推廣試驗(yàn)頻率可調(diào)式脈沖鉆井提速工具。

［1］ 冉新權(quán)，李安琪. 蘇里格氣田開(kāi)發(fā)論［M］. 北京：石油工業(yè)出版社，2008：1-14.

［2］ 何光懷，李進(jìn)步，王繼平，等. 蘇里格氣田開(kāi)發(fā)技術(shù)新進(jìn)展及展望［J］.天然氣工業(yè)，2011，31（2）： 12-13.

［3］ 王學(xué)杰，李根生，康延軍，等. 利用水力脈沖空化射流復(fù)合鉆井技術(shù)提高鉆速［J］.石油學(xué)報(bào)，2009， 30（1）：117-120.

［4］ DAVE Elliott. Evaluation of results from one company' s global use of underbalanced drilling for tight gas exploration and appraisal reservoir characterization［R］. SPE 156897, 2012.

［5］ 史懷忠，李根生，王學(xué)杰，等. 水力脈沖空化射流欠平衡鉆井提高鉆速技術(shù)［J］.石油勘探與開(kāi)發(fā)，2010，37（1）： 111-115.

［6］ 付加勝，李根生，史懷忠，等.水力脈沖空化射流鉆井技術(shù)適應(yīng)性分析［J］.石油鉆采工藝，2012，34（5）： 10-14.

［7］ 李根生，史懷忠，沈忠厚，等.水力脈沖空化射流鉆井機(jī)理與試驗(yàn)［J］.石油勘探與開(kāi)發(fā)，2008， 35（2）： 239-243.

［8］ 倪紅堅(jiān)，韓來(lái)聚，許俊良. 鉆頭腔內(nèi)轉(zhuǎn)子調(diào)制式脈沖鉆井工具［J］. 鉆采工藝，2006，29（2）：62-66.

［9］ 薛亮，汪志明，李幫民. 射流式井下增壓器數(shù)值試驗(yàn)研究［J］. 石油鉆探技術(shù)，2010，38（6）： 79-84.

［10］ 呂曉平，安朝明，胡水艷，等. 自激諧振脈沖射流在玉門鴨945 井的應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2009，31（4）： 45-47.