水平井钻井用连续压力脉动减阻防卡工具研究

信石玉，高文金，类 歆，余长柏

（1.中石化石油工程机械有限公司研究院，武汉430223；2.中石化石油机械装备重点实验室，武汉430223）①

水平井钻井用连续压力脉动减阻防卡工具研究

信石玉1，2，高文金1，2，类 歆1，2，余长柏1，2

（1.中石化石油工程机械有限公司研究院，武汉430223；2.中石化石油机械装备重点实验室，武汉430223）①

在页岩气开发中采用水平井、大位移井和多分支井技术，钻井和完井过程中经常出现钻压传递、泥浆马达滑动钻进、钻柱与完井管柱下入困难等问题。连续压力脉动减阻防卡工具利用泥浆循环压力作为动力，采用螺杆结构有效进行压力能与机械能转化，打破静态摩擦状态并消除扭转振动，减少钻具拖压和卡钻现象、提高对工具面的控制能力，增加钻速和钻头寿命。采用理论模拟与室内试验结合的方式验证工具的性能。介绍了连续压力脉动减阻防卡工具的结构、工作原理和应用效果，并提出了使用建议。

页岩气；水平井；减阻防卡；工具

经过2013年的大力推进，目前国内页岩气开发情况势头良好，增强了相关企业的开发信心。需要注意的是，目前的开发成本依旧居高不下，部分开发装备、技术急需国产化以降低成本。在水平井和大位移井中，轴向钻压传递是重要问题。因为这些井的位垂比较大，当位垂比达到约4时，轴向钻压向下传递开始变得困难。随着钻进深度增加，位垂比越来越大，将出现过大的摩阻和钻柱屈曲。一旦垂直井段或小角度斜井段中的钻压不足以推动大段斜井或水平井眼中的钻柱，会导致钻柱发生自锁，使得泥浆马达滑动钻进、钻柱与完井管柱的下入、钻进期间为钻头传递钻压都将变得异常困难。并且，在高摩阻情况下波动的W O B会导致钻头的瞬间无规律冲击，降低其寿命［1］。中石化在四川有很多深直井和超深直井，在胜利油田不仅存在海上开发，而且存在海油陆采的工艺，陆上还有数量可观的非常规油气井，随着钻井技术的不断进步与勘探开发难度的持续增加，复杂井的数量越来越多，高摩阻问题也会变得越来越突出。因此，实现有效的钻压传递、减少滑动钻进期间的钻具拖压现象、减少马达制动现象、提高对工具面的控制能力，并最终实现提速增效具有十分重要的意义［2-3］。

针对该情况，国外使用连续压力脉动减阻防卡工具来解决此类问题，最初应用于滑动钻进，2003年开始用于连续管作业，在美国阿拉斯加14-17 A、15-38等6口井上进行了成功的应用，取得了很好的效果。此后，该工具又先后成功应用于直井、马达导向钻井、旋转导向钻井、大位移井、页岩气储层钻井等，有效地解决了钻进过程中的蹩卡、粘滞问题［4-5］。

1 结构及工作原理

连续压力脉动减阻防卡工具由动力激发部分、阀总成和振动发生部分3个部件组成，如图1～2。动力激发部分是1个容积式马达，钢制转子与橡胶定子采用1：2头配置（常规螺杆泵动力工具是多瓣式），这种配置较常规多头配置提供了更大的腔室容积，从而可获得更高的旋转速度。该部分并不需要产生转矩，因此承压小，不易失效。阀总成位于动力激发部分下端，由1个振荡阀总成和一个固定阀总成组成，振荡阀总成连接在容积式马达转子下端，固定阀总成固定安装在工具下接头顶端。

图1 动力激发部分和阀总成

图2 振动发生部分

因为容积式马达是1∶2头的配置，当转子旋转时，振荡阀总成以近似直线的运动轨迹前后扫动，振荡阀总成的运动导致流过固定阀总成的钻井液形成周期性阻碍，总的过流面积从最大变化到最小，从而在钻柱中产生预期的压力脉冲，脉冲频率与流率成比例关系，数值是12～19 H z，具体数值取决于工具的尺寸和泵排量，如图3所示。相同排量条件下，规格尺寸越小，过流面积越小，流速越高，振动频率越高；而在相同频率下，大尺寸的工具需要增加其排量，才能达到目的［6-8］。振动发生部分通常位于动力激发部分上端，将压力脉冲转化成机械运动。振动发生部分有1个靠弹簧承托的心轴，心轴在钻杆内部压力和环空压力之间实现密封，当内压作用在内部的密封区域时，推动芯轴扩张；当压力减小，弹簧将芯轴推回初始位置，由此心轴完成1次上下振动。振动发生部分的工作冲程一般为3.18～9.53 m m（1／8～3／8英寸），轴向振动始终保持钻柱处于连续脉动状态，从而达到降低钻柱与井眼静摩擦、改善钻压传递和减少转矩波动的目的。

图3 连续压力脉动减阻防卡工具流率与频率的关系

2 应用实例

2.1 国内应用情况

川庆钻探长庆钻井总公司承钻的长庆油田储气库大尺寸四开水平井（榆37-2 H井），完钻井深5 044 m。在水平段钻进过程中，未使用连续压力脉动减阻防卡工具时，进尺52 m，纯钻时间为21.8 h，平均机械钻速为2.38 m／h。滑动进尺11 m，滑动时间为7.83 h，滑动钻速为1.4 m／h，拖压现象严重，工具面很难控制，导致其机械钻速较低；使用连续压力脉动减阻防卡工具后，机械钻速立即有明显提高。其总进尺88 m，纯钻时间为28 h，平均机械钻速为3.14 m／h。滑动进尺11 m，滑动时间为2.8 h，滑动钻速为3.93 m／h。两趟钻钻进过程中均使用同一型号牙轮钻头。使用该技术工具后，平均机械钻速提高32%，滑动钻速提高181%，有效改进工具面控制及钻压传递效果。

樊庄区块3号煤层采用多分支水平井钻井技术开发煤层气。煤层气多分支水平井存在安全钻进及储层保护、井眼轨道控制、井下复杂事故处理等技术难点。通过2口井现场实施情况表明，在煤层的水平段及分支段钻进过程中，采用近平衡钻井，保持井眼轨迹沿煤层中上部靠近煤层顶板位置钻进，使用连续压力脉动减阻防卡工具，有效降低了井下摩阻，避免钻柱的螺旋屈曲，获得了高质量井眼［9］。

通过以上应用实例可见，连续压力脉动减阻防卡工具可实现以下目标：增加R O P；减少卡／滑；控制转矩波动；减少马达制动；减少摆工具面时间；降低压差卡钻风险；通过增强对工具面的控制能力，改善导向性能；减少钻杆屈曲；降低地面钻压需求；通过控制狗腿严重度，改善井眼轨迹；通过改善钻压传递的平稳性，延长钻头寿命；提高水平井段延伸能力。

2.2 美国页岩气钻井应用

美国的页岩层大多属于坚硬研磨性夹层，钻进过程中会导致钻具的严重振动、形成弯曲井眼、定向与水平井段摩阻很高等问题。在H aynesville页岩直井段钻进作业期间经历了大范围的振动，这些过度振动造成了各种不同钻柱组件的损坏、过低的R O P（钻机时间的损失导致钻井成本升高）、钻头寿命短造成的起下钻次数增多以及更换设备等。对一套井下马达驱动的固定翼钻头钻具组合，以4.69 m／h的平均机械钻速钻进了457.81 m长的井段，之后由于摩阻太高，R O P逐渐减低到3.66 m／h，被迫起钻，然后将一只连续压力脉动减阻防卡工具接到了B H A中，极大地降低了摩擦阻力，采用同样的钻头、同样的马达，得以继续钻进到639.47 m，钻到了中期完井深度，平均机械钻速为5.67 m／h，如图4。进尺提高了28%，R O P提高了40%。

图4 连续压力脉动减阻防卡工具在H aynesville地层水平井段中的应用效果

2.3 定向造斜段与水平段（马达导向）应用

在阿曼的1口井，常规滑动（不带连续压力脉动减阻防卡工具）钻进一直坚持到2 850 m，最终的1.2 h内发生了多次泵压波动和悬重（大钩载荷）波动，这些波动影响到了工具面的控制，马达导向以滑动钻进模式无法继续进行，起出后将连续压力脉动减阻防卡工具接到了距钻头大约250 m的位置，调好方位后，从2 929 m开始实行滑动钻进，定向司钻顺利完成了后续的滑动钻进，而且钻压平稳、泵压恒定，机械钻速随钻压增大而提高。

2.4 直井（传统旋转钻井）应用

在阿曼的1口井，212.73 m m（83/8英寸）和311.15 m m（121/4英寸）直井段钻压传递困难，钻进受阻。在这些层段的旋转钻柱组合中加入连续压力脉动减阻防卡工具，其产生的轴向振动能够辅助整个钻柱顺利通过潜在的挂卡点，钻压传递得到了明显改善，由此卡滑现象减少，延长了钻头寿命，钻压更加平稳。从实际使用效果来看，212.73 m m（83/88英寸）井眼中机械钻速比邻井提高了60%，311.15 m m（121/4英寸）井段钻头寿命增加、起下钻换钻头趟次减少、钻进天数减少、机械钻速达到了某些邻井的2倍，如图5所示。未用连续压力脉动减阻防卡工具的4口邻井平均机械钻速普遍低于使用该工具的试验井，并且，该工具提高了钻头使用效率；A、B、C、D 4口邻井均使用了2只以上的钻头，完钻井深最深达1 723 m，而使用连续压力脉动减阻防卡工具的E井，采用单只P D C钻头即可完成1 742 m钻井深度，平均机械钻速是A井的2倍。

图5 连续压力脉动减阻防卡工具在不同井的应用效果

除了以上应用外，分析某井区域的19次钻井作业：其中8次有连续压力脉动减阻防卡工具，11次没有连续压力脉动减阻防卡工具。所有的钻井作业都在相同的地层中，使用相同的P D C钻头进行，并且被放置在离钻头22 m（75 ft）之内，效果对比如图6。没有连续压力脉动减阻防卡工具的平均效果——钻速6.8 m／h（22.5 ft／h），钻进深度330 m（1 076 ft）；有连续压力脉动减阻防卡工具的平均效果——钻速9.1 m／h（30.0 ft／h），钻进深度387 m（1 272 ft），连续压力脉动减阻防卡工具提升了钻速33%，提升了每个钻头进尺数18%。

图6 相同情况下使用连续压力脉动减阻防卡工具对机械钻速的提升

3 性能影响参数

连续压力脉动减阻防卡工具的良好使用需要在满足各项操作参数的前提下，并在使用前后了解作业工况，及时调整以发挥该工具的性能。

作业前应明确钻井液流量应在工具适用范围内，才能更好地产生振动效果。钻井液流体直接作用在动力部分，因此需要了解钻井液品牌及其制造商、类型和成分、氯化物浓度、p H值、油水比、流体和添加剂的材料安全数据表、井底工作温度等信息；阀片的选型需要与流体特性配合，并通过水力分析帮助优化工具组合方案，获得作业参数表；井下的高温会导致橡胶膨胀，转子需要在高温环境下安装，并且要为泥浆预留膨胀余量；理论上该工具适合各种M W D系统，但在使用之前应了解M W D系统的相关使用注意事项，避免影响M W D的工作频率。

作业过程中，在高扭曲度的井，或者重力粘阻确定会发生的地方，在钻井工具串上方使用连续压力脉动减阻防卡工具会有良好效果；有时出现信号减弱或者消失的情况时，连续压力脉动减阻防卡工具还将持续工作，只有在伴随较大的压力变化时，才需要查验问题。信号消失可能是由于谐振或衰减。若是谐振原因，信号会随后恢复；若是衰减原因，信号将随着深度增加进一步减弱；M W D软硬件设置本身也会影响示波器的显示，比较信号时需查验轴心序谱和单位、谐振、过滤器等；强酸或强碱性流体不建议使用；无论何种工况下使用，要保持流体的循环减小对动力部分橡胶的损害。

混气液情形下，由于气体的可压缩性，连续压力脉动减阻防卡工具会降低效率。在液体含量较少的情况下要注意动力部分及其组件的损坏。一般钻井液液体含量超过75%的不会导致问题。润滑剂需要与水完全混合并注入到钻井液中，注入体积流量不小于钻井液的5%，可减小摩擦阻力，进而延长所有部件的寿命。随着颗粒物含量的增加，橡胶件和其他组件的腐蚀情况将会加剧，因此颗粒物含量需要控制在2%之内。连续压力脉动减阻防卡工具的动力部分没有动力输出，因此不能像动力钻具那样使用W O B降速。

4 经济效益

以Barnett Shale地区Tarrant郡一家石油公司在同一个井台上钻的井为例，其中2口井造斜段的B H A中用了连续压力脉动减阻防卡工具，另外的3口井没用该工具。此后，在该井台上又钻了3口井，这3口井“从上到下”（除了表层井段以外）都使用了连续压力脉动减阻防卡工具。对上述每口井的钻井时间和成本进行了分析评价，结果表明，使用连续压力脉动减阻防卡工具的井与不用该工具的井相比，定向造斜段的机械钻速提高了19%，每英尺钻井成本下降17%，相当于每口井节约了＄22 500元。“从上到下”使用连续压力脉动减阻防卡工具的井与那些不用该工具的井相比，R O P增加了65%，成本节约了58%，相当于每口井节约了＄71 350元，3口井累计节约了＄214 000元，经济效益非常明显［5］。

5 结论

1） 连续压力脉动减阻防卡工具使B H A产生温和的低频低幅振动，这种非常微弱的但是连续的轴向振动打破了静态摩擦并且消除了扭转振动，其产生的结果是消除了钻柱弯曲堆积，使钻压更好地转移到钻头，因而增加了钻速和钻头寿命。

2） 在理论上，该工具可以安装在钻井工具串的任何位置，但其发挥最大效力的关键在于其安装位置和钻井参数优化。现场应用配套技术能够使其能量集中作用在事故易发点。当连接在钻杆上时，需要使用振动发生部分；如果连接在连续管上，则不需要振动发生部分，因为连续管会随着压力波动产生收缩和扩张振动，实现降阻功能。

3） 在使用过程中，该工具发生的损坏通常由过量横向振动导致振动发生部分弹簧断裂，在钻遇脆裂、坚硬地层会发生过量横向振动，钻探面的不均匀使得钻头在旋转过程中发生弹跳，冲击力反向传递至钻井工具串，并被连续压力脉动减阻防卡工具吸收。因此使用该工具能吸收额外振动，减小钻头齿端硬质合金破损风险从而延长钻头寿命，并避免钻机及工具串承受过量载荷，发生损坏。

4） 该工具适用于钻页岩气的水平井、定向井、大位移井、多分支井和套管开窗侧钻井，而且同样适用于深直井和超深直井。不仅对滑动钻进有效，而且对旋转钻进同样有效；不仅适合于马达导向，而且也适合于旋转导向；不仅适合于常规钻井，而且也适合于连续管作业。

5） 不同地层条件下，使用该工具时的钻具组合、振动频率和振幅控制需要大量理论和实验研究，目前还不完善，将会在后续工作中完成。振动工具的工作频率应避开钻具固有振动频率，避免引发共振。

［1］ 牛洪波，陈建隆，隋小兵.浅层大位移水平井钻井关键技术分析［J］.天然气工业，2012（2）：71-74.

［2］ 赵建国，李黔，尹虎.满足页岩气水平井固井质量的套管扶正器研究［J］.石油矿场机械，2013，42（10）：22-24.

［3］ 吕选鹏，周承富，陈辉，等.连续油管技术在页岩气勘探开发中应用前景［J］.石油矿场机械，2013，42（2）：67-70.

［4］ Franklin Baez，Steve Barton.Delivering Performance in ShaleGasPlays：InnovativeTechnologySolutions［C］／／SP E／IA D C 140320，presented at the 2011 SP E／IA D C Drilling Conference and Exhibition in A msterdam，2011：1-3.

［5］ Steve Barton，Franklin Baez，Aref Alali.Drilling Performance Im provements in Gas Shale Plays using a Novel Drilling A gitator Device［C］／／SP E 144416，presented at the 2011 SP E North A merican U nconventional Gas Conference and Exhibition in Texas，2011：14-16.

［6］ National Oilwell Varco.Drilling A gitator Tool H andbook［K］.2010.

［7］ National Oilwell Varco.Shock Tools O peration M anual［K］.2002.

［8］ Barton S，Lockley R，Stroud D，et al.Coupl ing of Downhole Dynamics Recorder Enhances System-M atched Approach to Dri ll-Bit Design and Appl ication With a Specific Rotary-Steerable System［C］／／SPE 102182，presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition held in San Antonio，T X，2006：24-27.

［9］ 董建辉，王先国，乔磊，等.煤层气多分支水平井钻井技术在樊庄区块的应用［J］.煤田地质与勘探，2008，36（4），21-24.

Study on Continuous Pressure Pulsation Tool for Friction Reduction Stuck Prevention in Horizontal W ell Drilling

XIN Shi-yu1，2，G A O W en-jin1，2，L EI Xin1，2，Y U Chang-bo1，2
（1．Research Institute，SI N O P E C Oilfield Equip ment Corporation，W uhan430223，China；2．SI N O P E C Key Laboratory of Petroleu m M achinery Equip ment，W uhan430223，China）

T he sound m o mentu m of shale gas develop ment makes increasing nu m bers of horizontal wells，extended reach wells，and m ultilateral wells，w hich have great difficulty in passing dow n axial pressure，sliding and pushing m ud m otor，and drilling.A continuous pressure pulsation tool was developed，and the effects by theory sim ulation and laboratory tests were verified.T he continuous pressure pulsation tool powered by m ud pressure transfers pressure to mechanical energy with screw structure，and achieves sustainable pulsation of tool body to break the static friction and eliminates the torsional vibration.T he tool can reduce drag pressure and sticking of drill string，im prove the control of drilling bit and increase the drilling rate and the bit life.The structure and appl ication effect of the toolis discussed，and suggestions of field appl ication are provided.

shale gas；horizontal well；friction reduction；tool

T E921.203

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.08.023

1001-3482（2014）08-0098-05

2014-02-28

中石化先导项目“水力振荡器工具先导试验”（JPJ11003）

信石玉（1983-），男，山东人，2009年毕业于上海理工大学，从事石油机械装备科研工作，E-mail：xinshiyu42900＠163.co m。