水力脉冲空化射流技术首次在煤层气井中的试验研究

2012-09-15李根生史怀忠辛建华

特种油气藏 2012年5期

关键词：机械钻速井段空化

王伟，李根生，史怀忠，辛建华

(1.油气资源与探测国家重点实验室中国石油大学，北京 102249; 2.中石化集团公司华东石油局，江苏南京 212003)

水力脉冲空化射流技术首次在煤层气井中的试验研究

王伟1，李根生1，史怀忠1，辛建华2

(1.油气资源与探测国家重点实验室中国石油大学，北京 102249; 2.中石化集团公司华东石油局，江苏南京 212003)

为了提高煤层气井中的机械钻速，缩短钻井周期，节约钻井成本，根据水力脉冲空化射流提高钻速原理，通过改善井底流场，降低岩石的破碎强度，减小压持效应，从而提高机械钻速。水力脉冲空化射流技术在织4井进行了现场试验。结果表明:该技术在试验过程中不需要改变原钻具组合，对钻头和钻井施工参数没有特殊要求，可有效应用于煤层气井;在地层相同，钻具组合与钻井参数相近的前提下，与邻井相近井段对比，该技术机械钻速平均提高100.7%。

水力脉冲;空化射流;煤层气井;机械钻速;现场试验

引言

伴随着常规天然气的开发难度逐步增大，非常规天然气近年来已成为国内外勘探开发热点之一。煤层气是一种煤层自生自储的非常规天然气，资源潜力巨大，经济效益显著。煤层与一般油、气储集层地质特征不同:煤的机械强度低，难以支撑上覆地层的压力，易于垮塌、破碎;钻开后的煤层，浸泡时间越长，煤层吸水垮塌越严重;煤岩微孔隙、微裂缝、节理相当发育，且地层孔隙压力低，容易发生漏失，钻开后漏失量大;煤液呈酸性，而钻井液呈碱性，容易造成酸碱中和产生金属盐，堵塞煤层气通道［1－3］。因此，提高在煤层气井钻井施工的机械钻速，缩短钻井周期已成为亟待解决的问题。水力脉冲空化射流钻井是利用特定的工具使钻井管柱中的连续流转变为脉冲空化射流，从而改善井底流场的压力状况，改变井底岩石的受力状态，进而提高机械钻速的1种钻井新工艺，现已在国内外多个油田进行了现场试验［4－5］。本文重点分析水力脉冲空化射流钻井技术在煤层气井中的应用情况。

1 水力脉冲空化射流发生器结构与工作原理

水力脉冲空化射流发生器主要由接头、弹性挡圈、导流体、叶轮总成、自激振荡腔室、本体等组成，见图1。

图1 水力脉冲空化射流发生器结构示意图

导流体位于叶轮总成上部，主要结构为斜坡流道，用于改变钻井液流动的方向和速度，对叶轮叶片施加连续的切向力，促使叶轮高速旋转。叶轮在高速转动的过程中，连续改变钻井液通过的流道面积，改变钻井液流速和压力，产生脉冲扰动。

脉冲扰动作为入口有源脉冲信号进入工具最底部的自激振荡腔室，自激振荡腔室为一风琴管自振空化喷嘴，对水力脉冲信号进行放大并产生流体谐振，当其通过振荡腔室的出口收缩截面进入谐振喷嘴时，产生压力波动，这种压力波动又反射回谐振腔形成反馈压力振荡，当压力波动的频率与谐振腔的频率相一致时，反馈压力振荡得以放大，从而在谐振腔内产生流体声谐共振，在流体出口段产生强烈脉动涡环流，以波动压力的方式冲击井底，改善井底流场，使进入钻头的常规连续流动调成脉动空化流动，提高机械钻速［6－7］。

2 水力脉冲空化射流提高钻速机理

钻井过程中水力脉冲空化射流发生器安装于钻头和钻铤之间，耦合流体的扰动和自振空化效应使进入钻头的常规连续液流调制成振动脉冲液流，在钻头喷嘴出口形成脉冲空化射流，从而产生3种效应。

(1)水力脉冲。改善井底流场，提高井底净化和清岩效率，减少压持和重复破碎。

(2)空化冲蚀。在井底岩石表面产生局部坑蚀，辅助破岩，提高破岩效率。

(3)瞬时负压。井底瞬时负压脉冲，局部瞬时欠平衡。

一方面可以改善井底流场，改变岩石受力状态，提高射流清岩和破岩能力;另一方面由于水力脉冲空化射流发生器产生压力脉动，可在钻头附近形成低压区，能减少环空液柱压力对井底岩石的压持效应，其机理相当于欠平衡钻井，可大幅提高钻井速度，但该方法得到的低压区仅局限在井底钻头附近区域，整个环空仍为平衡或过平衡压力，比欠平衡钻井方法能更好地保证井壁稳定性［8－9］。

3 织4井现场试验

3.1 试验井概况

织4井为1口煤层气井，设计为直井，井深为576 m，进入上二叠统峨眉山玄武岩组10 m完钻，地理位置为贵州省织金县少普乡白泥坝村西南200 m，构造位置为岩脚向斜珠藏次向斜北西翼。该地区地层普遍渗透率低、地应力分布不均、普遍欠压，导致钻井过程中机械钻速较慢。织4井试验井段地层主要是长兴组和龙潭组，岩性以灰色石灰岩和钙质胶结砂岩为主，地层较软，在此使用水力脉冲空化射流钻井技术可更为有效地利用其水力脉冲破岩效应以提高机械钻速，节约钻井成本。

3.2 试验井段钻具组合

水力脉冲空化射流钻井技术在织4井现场试验的钻具组合为:ø215.9 mmPDC钻头+ø178 mm水力脉冲空化射流发生器+ø177.8 mm无磁钻铤×1根+ø177.8 mm钻铤×1根+ø215 mm螺旋稳定器+ø177.8 mm钻铤×1根+ø215 mm螺旋稳定器×1根+ø177.8 mm钻铤×1根+ø165 mm钻铤×8根+ø127 mm钻杆。

在试验过程中，除在钻头上部加接水力脉冲空化射流发生器外，没有额外改变原钻具组合，因此水力脉冲空化射流钻井对钻具组合没有特殊要求，适应性很好。

3.3 现场试验施工过程

(1)下钻前对水力脉冲空化射流发生器进行严格的检查和试冲，同时按要求连接好。

(2)水力脉冲空化射流发生器在井内工作时，开动除砂、除泥器。

(3)钻井参数。水力脉冲空化射流钻井对钻井参数无特殊要求，具体施工参数为:钻压为20～60 kN，转速为70～80 r/min，排量为10～12 L/s，泵压为1.0～2.9 MPa，钻井液密度为1.02～1.09 g/cm3，钻井液黏度为40～50 s。试验中没有因为安装水力脉冲空化射流发生器而刻意调整施工参数。

(4)水力脉冲空化射流发生器工作过程中会产生压耗，约为1.5 MPa，钻进中泵压较旋转钻进高1～2 MPa属正常范围。

(5)钻进过程中，观察前后返出的岩屑，可以看出，使用水力脉冲空化射流发生器后，返出的岩屑颗粒较大，对比之前返出岩屑可知，使用该工具可有效防止岩屑重复破碎。

3.4 水力脉冲空化射流发生器寿命分析

水力脉冲空化射流发生器内部芯子为硬质合金烧结而成，耐冲蚀能力强。在试验中，织4井采用单只水力脉冲空化发生器使用时间为118.42 h，工具取出后，本体无任何损坏，内部芯子无明显冲蚀，叶轮可以正常转动。由此表明，水力脉冲空化射流发生器可以满足钻井现场的需要。

3.5 试验结果分析

水力脉冲空化射流钻井在织4井共进行4井次现场试验，井深分别为196.00～223.16、228.65～280.55、287.36～302.49、319.50～432.00 m，总进尺为206.69 m，纯钻时间为32.75 h，平均机械钻速为6.3 m/h。

与本井邻近的井有织1井和织2井，这2口井均为参数井，取这2口井相近井段的数据同织4井进行对比，织4井的平均机械钻速相对于织1井和织2井分别提高21.9和187.7个百分点，具体数据见表1。将织4井试验井段的钻时与织1井相同井段的钻时进行对比，结果见图2。可以看出，织1井试验井段的钻时曲线位于织4井的钻时曲线下方，可更加直观、客观的表明水力脉冲空化射流技术在煤层气井应用的效果。