水力振荡器在焦石坝页岩气井中的应用

孙　凯

(中石化中原石油工程有限公司 钻井一公司，河南 濮阳 457001)*



水力振荡器在焦石坝页岩气井中的应用

孙凯

(中石化中原石油工程有限公司 钻井一公司，河南 濮阳 457001)*

摘要：涪陵焦石坝区块页岩气资源丰富，是中国第一个页岩气产能建设示范区，而三维定向井是开发页岩气的重要手段。针对焦石坝区块地质条件复杂的客观情况，在二开钻进中使用水力振荡器，降低井下模阻，提高机械钻速，成功解决了三维井托压严重、扭方位工作量大等技术难题，从而加快了礁石坝页岩气产能建设的步伐。

关键词：页岩气；水力振荡器；三维定向；钻井

由于涪陵焦石坝页岩气井二开钻进地层较多，其中，龙马溪组上部浊积砂岩层可钻性差，研磨性强，砂岩与泥岩交错，软硬交替频繁，龙马溪组浊积砂研磨性强，部分井钻遇黄铜矿，钻头损耗严重。除此之外，还存在地层自然增斜显著、稳斜段轨迹控制难、扭方位工作量大，井下摩阻大、托压明显，定向速度慢等复杂地质情况。针对焦石坝区块地质条件复杂的客观情况，在二开钻进中使用水力振荡器，成功解决了三维井托压严重、扭方位工作量大等难题，明显提高了机械钻速，缩短了钻井周期，节约了钻井成本[1-5]。

1水力振荡器工作原理

水力振荡器由产生压力波动脉冲工具(动力部分、阀片及轴承系统)和激励工具(振荡短节)2部分组成，如图1所示。

水力振荡器是以钻井液作为动力源，将液体能量转变为机械能，通过万向轴总成传递给流量阀总成的动阀片，使动阀片和定阀片的流通孔相互交错，导致其过流面积发生变化，每一个微小变化都会在阀轴总成处产生一个相应的连续变化的水击增压或降压波[6-9]。

工具的动力部分由一个2∶1的马达组成，马达转子的下端固定一个阀片，因此，流体通过动力部分时，驱动心轴转动，由于螺杆的特性，末端在一个平面上往复运动(即为动阀片)。与动力部分连接的是阀门和轴承系统，主要部件是耐磨套和一个固定的阀片(定阀片)，动阀片和定阀片紧密配合，随着转子的转动，带动两个阀片相错和重合，从而导致上游的压力变化，周期性相对运动造成流体流经工具的截面积(最大值和最小值)周期性的变化，如图2所示。

图1　水力振荡器结构示意

图2　水力振荡器压力脉冲变化示意

水力振荡器动力部分产生压力脉冲，使上游压力周期性的变化作用在振荡短节(弹簧短节)上，就形成振荡短节不断地压内在的弹簧，形成振动，如图3所示。

图3　振荡短节结构

通过振荡短节流体的压力周期性的变化，作用在短节内的弹簧，由于压力或大或小，短节的活塞就在压力和弹簧的双重作用下，轴向往复运动，带动与工具连接的其他钻具在轴向上的往复运动。由于弹簧的压缩消耗能量，所以当能量释放时，75%的作用力向下，指向钻头，其余25%指向钻头的背向。

水力振荡器使与自身相连接的上下钻具在井眼产生纵向的往复运动，钻具在井底暂时的静摩擦变成动摩擦，摩擦阻力大大降低，有效地减少因井眼轨迹而产生的钻具脱压现象，保证有效的钻压。

2水力振荡器的功能

水力振荡器可通过自身产生的纵向振动提高钻进过程中钻压传递的有效性及减少钻具组合与井眼之间的摩阻(将静态摩阻转变为动态摩阻)，可以在所有的钻进模式中，特别是在有螺杆的定向钻进过程中改善钻压的传递，减少扭转振动，提高钻进机械效率[10-13]。

1)有效地传递钻压。通过水力振荡器的高频振动，改变了只靠钻具自身重力的加压方式，钻具在振动的同时产生向前的冲击力，使钻压能更有效地施加到钻头上，防止托压。

2)防止粘卡。水力振荡器在工作时带动井下钻具保持振动，减小钻具粘卡的几率。

3)减小摩阻，提高机械钻速和工具面的控制。水力振荡器在井下带动钻具振动时，将钻具与井壁间的静摩擦力变为动摩擦力，可减小75%～80%摩阻，提高机械钻速。

4)保护钻头。水力振荡器产生的振动是温和的振动，不会对钻头或其它钻具产生破坏(振幅3.175～9.525 mm，振动加速度<3g)。在水平井钻进时，由于钻具的轴向振动，钻压较为缓慢地施加到钻头上，减小了钻头与井底的冲击，延长钻头使用寿命。

3在焦石坝页岩气中的应用

3.1钻具组合及水力振荡器安装位置优选

3.1.1钻具组合优化原则

1)为了减轻定向脱压，简化钻具组合结构，用加重钻杆代替钻铤。

2)螺杆扶正器采用三瓣式偏心扶正器，下扶正器直径304～306 mm，解决定向托压难题。

3)当水力振荡器用于比较弯曲的井眼或重力集中效应发生在离井底较远井段时，将工具组合在上部钻杆中能最大限度发挥其功能。

焦页XX井优选使用钻具组合：ø311.15 mmPDC+ø216 mm 1.25°螺杆+631×410接头+单流阀+ø127 mmNHWDP×1根+随钻配合接头+LWD悬挂短节+631×410接头+ø127 mmHWDP×17根+ø203 mm水力振荡器+ø127 mmHWDP×16根+ø127 mmDP。

3.1.2钻头选择

焦页XX井上趟钻使用的Smith MDI616LBPX PDC钻头，虽保径齿轻微磨损，但仍可使用，因此，钻头仍选择MDI616LBPX钻头。

3.2钻井参数优选

3.1.1试验井段

焦页XX井二开钻进至2 100 m左右，井斜达24°左右，裸眼段长1 350 m，斜井段350 m，定向脱压，复合钻时5～8 min/m，定向钻时25～35 min/m，继续钻进至2 190 m，脱压严重，起钻换钻具组合，试验性使用水力振荡器。

试验井段：2 190～2 608 m，总进尺418 m，井斜从29.20°增加至53.20°，方位由211.30°扭至201.00°。

3.1.2试验水力振荡器规格(如表1)

表1　焦页XX井二开试验水力振荡器规格及技术范围

3.1.3钻井参数

钻压80～120 kN，转盘钻速40～60 r/min，排量50 L/s，泵压22～25 MPa。

3.1.4钻井液性能

密度1.27～1.29 g/cm3，黏度48～52 s，初/终切3/6 Pa，失水3～5 ml，泥饼0.5 mm。

3.3试验效果分析(如图4)

从图4可见，焦页XX井二开钻进至2 190 m，在定向脱压情况下，使用水力振荡器，可以提高定向滑动钻进机械钻速，机械钻速相对提高78.67%。2014年在焦石坝工区9口井定向钻具组合中加入水力振荡器，成功解决定向“托压”技术难题，基本上无“托压”现象，提高了定向滑动钻速，定向滑动与双驱钻进钻速基本相当，缩短了定向周期。9口使用水力振荡器井定向周期34.04 d，比其它24口未使用水力振荡器井36.26 d缩短了2.22 d(6.12%)。

图4　焦页XX井二开水力振荡器试验结果对比

4结论

1)通过在焦页XX井二开定向段试验性应用水力振荡器，在定向滑动脱压情况下，使用水力振荡器可适当缓解定向脱压难题，提高定向滑动机械钻速。

2)试验性应用水力振荡器，表明水力振荡器振动的频率和通过工具的流量是线性关系。

3)二开定向段下部，井斜40°左右，裸眼段长，扭方位大，定向托压严重，使用水力振荡器，利用钻井液通过水力振荡器内的偏心轴，产生振动，带动钻具振动时，将钻具与井壁间的静摩擦力变为动摩擦力，减小75%～80%摩阻。

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Application of Hydraulic Oscillator in Jiaoshiba Shale Gas Well

SUN Kai

(No.1DrillingCompany，ZhongyuanPetroleumEngineeringCo.，Ltd.Puyang457001China)

Abstract：Fuling Jiaoshiba shale gas well is China first shale gas production demonstration area for its rich shale gas in resources，and three-dimensional directional well is an important means of development of shale gas.Aiming at its complex geological conditions of Jiaoshiba blocks and hydraulic oscillator was used to reduce downhole mold resistance and improve ROP，which successfully resolved high three-dimensional backing pressure and large twist azimuth.Thus the production of Jiaoshiba shale gas construction is sped up in the pace for the early realization of domestic shale gas commercialization foundation.

Keywords：shale gas；hydraulic oscillator；three-dimensional；well drilling

中图分类号：TE921.1

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.04.021

作者简介：孙凯(1984-)，男，河南南阳人，工程师，硕士，现从事水平井、多分支井钻井方面的研究工作，E-mail：sinopecsun@163.com。

收稿日期：2015-09-16

文章编号：1001-3482(2016)04-0082-03