水力振荡器在川渝地区水平井的应用


摘 要: 川渝地区地质结构复杂,在水平井施工过程中出现严重的托压、粘卡现象,尤其在滑动钻进过程中,无法保证给钻头施加真实、有效的钻压。水力振荡器可以使常规的钻具组合克服定向钻进过程中遇到的常见问题。为此,介绍了水力振荡器的结构及工作原理,并在在长宁 H2 - 1 井、高石 12 井施工过程中应用了水力振荡器。应用效果分析表明,水力振荡器在水平井中把单纯的机械式加压改为机械与液力相结合的加压方式,为钻头提供了有效、真实的钻压,改善井下钻压传递效果,明显降低摩阻,提高机械钻速,缩短钻井周期。
随着我G各大油田开发大斜度井、水平井及水平分支井等复杂结构井的数量越来越多,如何有效地向钻头施加钻压就成为人们普遍关注的问题。川渝地区地质结构复杂,在造斜井段出现严重的托压、粘卡、钻头对工具面控制力差、钻压无法有效且真实地传**钻头等现象,导致滑动钻进机械钻速慢、钻井周期长、钻井成本高,严重制约了该地区气藏的勘探
 
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开发 。水力振荡器能够通过自身产生的纵向振动来提高钻进过程中钻压传递的有效性和减少 BHA 与井眼之间的
 
摩阻,水力振荡器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,从而
[4] 。G内多个油田在浅水
有效提高机械钻速,缩短钻井周期
平井开发中都应用了水力振荡器,例如长庆油田榆 37 - 2H
 
井,川西的马蓬 23 - 3HF 井、新沙 21 - 28H 井,内蒙古苏里格区块苏 36 - 8 - 18H 井等应用效果显著。川渝地区的长宁
 
H2 - 1 井和高石 12 井也开展了水力振荡器现场试验。
 
一、水力振荡器
 
1. 结构及工作原理
 
1. 1 结构
 
水力振荡器 AGT 主要由动力部分、阀门和轴承系统以及配套振荡短节 3 部分结构组成( 图 1) 。由钻杆单根连接成
 
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的刚性管柱使用振荡短节,挠性的管柱则不使用振荡短节
1. 2  工作原理  
 
钻井液经过水力振荡器动力部分带动转子转动,导致动阀片和静阀片的相错和重合,阀门的截面积( **大值和**小值) 发生周期性的变化,使流体流经工具后的压力发生变化而产生压力脉冲。压力脉冲作用到心轴的下端面时,在压力的作用下,心轴向下方移动并且压缩弹簧,当这个压力释放后,心轴在弹簧作用下返回到原来的位置。短节的活塞在压力和弹簧的双重作用下,轴向上往复运动,从而使管柱在自己轴线方向上来回运动,原来的静摩擦阻力就变成了动摩擦阻力。这样,摩擦阻力就大大降低,工具就可以有效的减少因井眼轨迹产生的钻具拖拉现象,保证有效的钻压。
2. 功能及技术优势
 
水力振荡器通过钻井泵将液压能转化为机械能,改变钻进过程中仅靠下部钻具的重力给钻头施加钻压的方式,使钻头或下部钻具与钻柱中的其他部分的连接变为柔性连接,从
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而达到提高滑动机械钻速的目的 ,其作用主要有以下几点:
 
( 1) 改善井下钻压传递效果。改变钻头的加压方式,把单纯的机械式加压改为机械与液力相结合的加压方式,为钻
 
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头提供真实、有效的钻压 。
 
( 2) 减少摩阻,防止托压。水力振荡器在钻进过程中使其上下钻具在井眼中产生纵向的往复运动,使钻具在井下的静摩擦变成动摩擦,大大降低了摩擦阻力,工具可以有效地减少因井眼轨迹而产生的钻具托压现象,保证有效的钻压。
 
( 3) MWD /LWD 工具的兼容性。水力振荡器与 MWD、 LWD 配套使用不会破坏 MWD、LWD 工具和干扰系统信号,增加了水力振荡器的实用性。
( 4) 与各种钻头均配合良好。可同牙轮钻头和 PDC 钻 井,设计井深为 3 864 m,水平段长 1 004 m。高石 12 井是四
头一起使用,对钻头牙齿或轴承无冲击损坏,延长了 PDC 钻 川盆地乐山—龙女寺古隆起高石梯潜伏构造震顶构造东段
头使用寿命。       的一口中深水平井,设计井深为 6 369 m,水平段长 1 000 m。
( 5) 加强定向钻进,提高机械钻速。防止钻具重量叠加 1. 长宁 H2 - 1 井应用情况
在钻具的一点或者一段,从而更好的控制工具面。配合 PDC   长宁 H2 - 1 井在井深 2 185. 6 m 下入水力振荡器进行
钻头提高定向能力,使 PDC 钻头滑动钻进更加容易,显著提 稳斜扭方位钻进,钻** 2
高定向钻进和转盘钻进速度。       17. 29°,其中累计定向钻进进尺为 166. 05
  二、现场应用     90. 64 h,定向平均钻速为 1. 832
        同井场 3 口未使用水力振荡器的邻井进行对比分析,结果
           
长宁 H2 - 1 井是长宁 H2 井组的一口页岩气三维水平 见表 1。
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钻具组合:  241. 3 mm PDC × 0. 30 m +  197 mm 1. 5°弯
 
螺杆( 237 mm 扶正块) × 8. 06 m + 回压凡尔 × 0. 47m + 定向接头 × 1. 00 m +  165. 1 mm 无磁钻铤 1 根 × 8. 95 m + 411 × 411 双公接头 × 0. 49 m + 431 × 410 接头 × 1. 1 m + 430 × 410  178 mm 液力冲击器 × 1. 23 m + 8 柱  127 mm 加重钻杆 ×
 
225. 56 m +  127 mm DS 钻杆。
 
钻井参数为: 钻压 60 ~ 90 kN,转速 35 r /min,排量 28 ~
 
30 L /s,泵压 22 ~ 23 MPa,钻井液密度 1. 75 ~ 1. 99 g /cm3 。
 
根据水力振荡器在长宁 H2 - 1 井现场试验效果可以得
 
出: ①配合使用  178 mm 水力振荡器后,钻具发生周期性震荡,对解决托压有一定作用,但定向时工具面易大范围摆动,

需经常上提钻具调整工具面,综合平均机械钻速与邻井平均水平相当; ②长宁 H2 - 1 井从 2 185. 6 m 使用水力振荡器进行扭方位钻进,钻**井深 2 351. 12 m,钻井时间为 6. 7 d,相对于邻井同层位的平均水平,定向造斜周期缩短了 1. 06 d,
 
缩短率为 13. 6% 。2. 高石 12 井应用情况
 
高石 12 井使用水力振荡器从井深 4 675. 56 m 钻**
 
4 965. 4 m,井斜从 11. 2° 增** 49°。其中累计定向钻进进尺
 
为 289. 84 m,纯钻时间为 243. 5 h,定向平均钻速为 1. 19 m / h。高石 12 井与邻井机械钻速和定向钻井周期对比见表 2。

钻具组合:  215. 9 mm PDC × 0. 35 m +  172 mm 1. 25° 向时工具面稳定,调整工具面时间大幅减少; ②通过调整钻
螺杆 × 8. 1 m + 回压凡尔 × 0. 44 m +  165 mm 无磁钻铤 × 具组合和钻井参数,高石 12 井机械钻速达到 1. 19 m /h,相对
9. 27 m +  172 mm 无磁悬挂 × 0. 96 m +  127 mm 加重钻杆 1 于邻井施工平均水平,机械钻速提高了 34. 5% ; ③高石 12 井
柱 × 27. 82 m +  168 mm 双公短节 × 0. 77 m +  168 mm 配合 从 4 675. 56 m 使用水力振荡器进行增斜钻进,钻**井深
接头 × 1. 09 m +  178 mm 水力振荡器 × 1. 24 m +  127 mm 4 965. 4 m,钻井时间为 17. 4 d,相对于邻井同层位的平均水
加重钻杆 11 2 /3 柱 × 298. 1 m +  127 mm 钻杆。 平,定向造斜周期缩短了 7. 175 d,缩短率为 29. 2% 。
钻井参数为: 钻压 40 ~ 100 kN,转速 30 r /min,排量 21 ~ 三、认识与建议
22 L /s,泵压 21 ~ 23 MPa,钻井液密度 2. 3 g /cm3 。  
   
根据现场试验效果可以得出: ①在  178 mm 水力振荡 ( 1) 在川渝地区长宁 H2 - 1 井和高石 12 井应用水力振
器的作用下,钻具发生周期性震荡,基本消除了托压现象,定 荡器进行定向施工,有效降低了定向钻井段 ( 下转第 116 页)

加了技术套管的深度和抗内压强度; ②完善了陆相井的井控
装置配套,安装了双节流管汇,提升了硬件水平; ③增加了陆
相井的钻井液、堵漏材料储备及现场快速配浆的能力; ④通
过总结、研究,形成了一整套适合元坝地区的堵漏、承压技
术; ⑤通过安装液面监测装置,随时可以掌握地层的漏失情
况; ⑥通过与院校相结合,对压井气液两相流流型判别及力
学模型研究,建立压井过程气液两相流流动计算模型,为压
井过程中施工参数的计算提供依据。结合司钻法、工程师
法,完善了压井过程计算的流程。通过这些技术的应用,确
保了元坝陆相井井控安全。  
  三、结论  
     
( 1) 优化后的井身结构延长了气体钻井井段,提高了大
尺寸井眼机械钻速,同时技术套管的下深增加,封隔了更多
的复杂层位,有效降低了处理复杂情况的时间,并且避免了
 
小井眼、小钻具施工,使得应对异常情况的能力大大增强,为
 
新技术的顺利实施创造了条件。  
   
( 2) 空气钻转浆方式以及干法固井的逐步完善成熟,大
 
大缩短了中完时间,降低了钻井成本。  
   
( 3) 扭力发生器在沙溪庙**自流井地层应用,提速效果
 
明显,也有较好的综合效益,可以继续推广应用。  
     
( 4) 涡轮钻具配合孕镶金刚石钻头使用寿命长,在高强
度 高研磨性的自流井 须家河地层应用,能较大幅度提高机
 
械钻速和行程钻速,为深井、硬地层、大尺寸井眼提高机械钻
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速提供了一套全新的工艺。G产孕镶钻头已逐步发展推广
起来。          
( 5) 通过对元坝地区固井难点分析,形成了一整套适合
元坝地区固井技术方案,提高了固井质量。
( 6) 井控安全是陆相地层提速的前提,通过完善井控工
艺、提高井控配套标准等,做到井控安全,为提速提供保障。
( 7) 中石化元坝提速活动开展以来,元坝地区钻井速度
逐步提高,突破了一个又一个提速“瓶颈”,取得了很大的成
绩,但是仍需要进一步提升。下一步要继续集成各项技术,
继续攻关提速“瓶颈”,形成并不断完善元坝地区陆相地层优
快钻井配套技术,必将能够提高元坝陆相地层的钻井速度,
推进元坝气田的开发建设进程。