水力脈沖空化射流技術首次在煤層氣井中的試驗研究

2012-09-15 01:04:30李根生史懷忠辛建華

特種油氣藏 2012年5期

王偉，李根生，史懷忠，辛建華

(1.油氣資源與探測國家重點實驗室中國石油大學，北京 102249; 2.中石化集團公司華東石油局，江蘇南京 212003)

王偉1，李根生1，史懷忠1，辛建華2

(1.油氣資源與探測國家重點實驗室中國石油大學，北京 102249; 2.中石化集團公司華東石油局，江蘇南京 212003)

為了提高煤層氣井中的機械鉆速，縮短鉆井周期，節(jié)約鉆井成本，根據水力脈沖空化射流提高鉆速原理，通過改善井底流場，降低巖石的破碎強度，減小壓持效應，從而提高機械鉆速。水力脈沖空化射流技術在織4井進行了現(xiàn)場試驗。結果表明:該技術在試驗過程中不需要改變原鉆具組合，對鉆頭和鉆井施工參數(shù)沒有特殊要求，可有效應用于煤層氣井;在地層相同，鉆具組合與鉆井參數(shù)相近的前提下，與鄰井相近井段對比，該技術機械鉆速平均提高100.7%。

水力脈沖;空化射流;煤層氣井;機械鉆速;現(xiàn)場試驗

引言

伴隨著常規(guī)天然氣的開發(fā)難度逐步增大，非常規(guī)天然氣近年來已成為國內外勘探開發(fā)熱點之一。煤層氣是一種煤層自生自儲的非常規(guī)天然氣，資源潛力巨大，經濟效益顯著。煤層與一般油、氣儲集層地質特征不同:煤的機械強度低，難以支撐上覆地層的壓力，易于垮塌、破碎;鉆開后的煤層，浸泡時間越長，煤層吸水垮塌越嚴重;煤巖微孔隙、微裂縫、節(jié)理相當發(fā)育，且地層孔隙壓力低，容易發(fā)生漏失，鉆開后漏失量大;煤液呈酸性，而鉆井液呈堿性，容易造成酸堿中和產生金屬鹽，堵塞煤層氣通道［1－3］。因此，提高在煤層氣井鉆井施工的機械鉆速，縮短鉆井周期已成為亟待解決的問題。水力脈沖空化射流鉆井是利用特定的工具使鉆井管柱中的連續(xù)流轉變?yōu)槊}沖空化射流，從而改善井底流場的壓力狀況，改變井底巖石的受力狀態(tài)，進而提高機械鉆速的1種鉆井新工藝，現(xiàn)已在國內外多個油田進行了現(xiàn)場試驗［4－5］。本文重點分析水力脈沖空化射流鉆井技術在煤層氣井中的應用情況。

1 水力脈沖空化射流發(fā)生器結構與工作原理

水力脈沖空化射流發(fā)生器主要由接頭、彈性擋圈、導流體、葉輪總成、自激振蕩腔室、本體等組成，見圖1。

圖1 水力脈沖空化射流發(fā)生器結構示意圖

導流體位于葉輪總成上部，主要結構為斜坡流道，用于改變鉆井液流動的方向和速度，對葉輪葉片施加連續(xù)的切向力，促使葉輪高速旋轉。葉輪在高速轉動的過程中，連續(xù)改變鉆井液通過的流道面積，改變鉆井液流速和壓力，產生脈沖擾動。

脈沖擾動作為入口有源脈沖信號進入工具最底部的自激振蕩腔室，自激振蕩腔室為一風琴管自振空化噴嘴，對水力脈沖信號進行放大并產生流體諧振，當其通過振蕩腔室的出口收縮截面進入諧振噴嘴時，產生壓力波動，這種壓力波動又反射回諧振腔形成反饋壓力振蕩，當壓力波動的頻率與諧振腔的頻率相一致時，反饋壓力振蕩得以放大，從而在諧振腔內產生流體聲諧共振，在流體出口段產生強烈脈動渦環(huán)流，以波動壓力的方式沖擊井底，改善井底流場，使進入鉆頭的常規(guī)連續(xù)流動調成脈動空化流動，提高機械鉆速［6－7］。

2 水力脈沖空化射流提高鉆速機理

鉆井過程中水力脈沖空化射流發(fā)生器安裝于鉆頭和鉆鋌之間，耦合流體的擾動和自振空化效應使進入鉆頭的常規(guī)連續(xù)液流調制成振動脈沖液流，在鉆頭噴嘴出口形成脈沖空化射流，從而產生3種效應。

(1)水力脈沖。改善井底流場，提高井底凈化和清巖效率，減少壓持和重復破碎。

(2)空化沖蝕。在井底巖石表面產生局部坑蝕，輔助破巖，提高破巖效率。

(3)瞬時負壓。井底瞬時負壓脈沖，局部瞬時欠平衡。

一方面可以改善井底流場，改變巖石受力狀態(tài)，提高射流清巖和破巖能力;另一方面由于水力脈沖空化射流發(fā)生器產生壓力脈動，可在鉆頭附近形成低壓區(qū)，能減少環(huán)空液柱壓力對井底巖石的壓持效應，其機理相當于欠平衡鉆井，可大幅提高鉆井速度，但該方法得到的低壓區(qū)僅局限在井底鉆頭附近區(qū)域，整個環(huán)空仍為平衡或過平衡壓力，比欠平衡鉆井方法能更好地保證井壁穩(wěn)定性［8－9］。

3 織4井現(xiàn)場試驗

3.1 試驗井概況

織4井為1口煤層氣井，設計為直井，井深為576 m，進入上二疊統(tǒng)峨眉山玄武巖組10 m完鉆，地理位置為貴州省織金縣少普鄉(xiāng)白泥壩村西南200 m，構造位置為巖腳向斜珠藏次向斜北西翼。該地區(qū)地層普遍滲透率低、地應力分布不均、普遍欠壓，導致鉆井過程中機械鉆速較慢。織4井試驗井段地層主要是長興組和龍?zhí)督M，巖性以灰色石灰?guī)r和鈣質膠結砂巖為主，地層較軟，在此使用水力脈沖空化射流鉆井技術可更為有效地利用其水力脈沖破巖效應以提高機械鉆速，節(jié)約鉆井成本。

3.2 試驗井段鉆具組合

水力脈沖空化射流鉆井技術在織4井現(xiàn)場試驗的鉆具組合為:?215.9 mmPDC鉆頭+?178 mm水力脈沖空化射流發(fā)生器+?177.8 mm無磁鉆鋌×1根+?177.8 mm鉆鋌×1根+?215 mm螺旋穩(wěn)定器+?177.8 mm鉆鋌×1根+?215 mm螺旋穩(wěn)定器×1根+?177.8 mm鉆鋌×1根+?165 mm鉆鋌×8根+?127 mm鉆桿。

在試驗過程中，除在鉆頭上部加接水力脈沖空化射流發(fā)生器外，沒有額外改變原鉆具組合，因此水力脈沖空化射流鉆井對鉆具組合沒有特殊要求，適應性很好。

3.3 現(xiàn)場試驗施工過程

(1)下鉆前對水力脈沖空化射流發(fā)生器進行嚴格的檢查和試沖，同時按要求連接好。

(2)水力脈沖空化射流發(fā)生器在井內工作時，開動除砂、除泥器。

(3)鉆井參數(shù)。水力脈沖空化射流鉆井對鉆井參數(shù)無特殊要求，具體施工參數(shù)為:鉆壓為20～60 kN，轉速為70～80 r/min，排量為10～12 L/s，泵壓為1.0～2.9 MPa，鉆井液密度為1.02～1.09 g/cm3，鉆井液黏度為40～50 s。試驗中沒有因為安裝水力脈沖空化射流發(fā)生器而刻意調整施工參數(shù)。

(4)水力脈沖空化射流發(fā)生器工作過程中會產生壓耗，約為1.5 MPa，鉆進中泵壓較旋轉鉆進高1～2 MPa屬正常范圍。

(5)鉆進過程中，觀察前后返出的巖屑，可以看出，使用水力脈沖空化射流發(fā)生器后，返出的巖屑顆粒較大，對比之前返出巖屑可知，使用該工具可有效防止巖屑重復破碎。

3.4 水力脈沖空化射流發(fā)生器壽命分析

水力脈沖空化射流發(fā)生器內部芯子為硬質合金燒結而成，耐沖蝕能力強。在試驗中，織4井采用單只水力脈沖空化發(fā)生器使用時間為118.42 h，工具取出后，本體無任何損壞，內部芯子無明顯沖蝕，葉輪可以正常轉動。由此表明，水力脈沖空化射流發(fā)生器可以滿足鉆井現(xiàn)場的需要。

3.5 試驗結果分析

水力脈沖空化射流鉆井在織4井共進行4井次現(xiàn)場試驗，井深分別為196.00～223.16、228.65～280.55、287.36～302.49、319.50～432.00 m，總進尺為206.69 m，純鉆時間為32.75 h，平均機械鉆速為6.3 m/h。

與本井鄰近的井有織1井和織2井，這2口井均為參數(shù)井，取這2口井相近井段的數(shù)據同織4井進行對比，織4井的平均機械鉆速相對于織1井和織2井分別提高21.9和187.7個百分點，具體數(shù)據見表1。將織4井試驗井段的鉆時與織1井相同井段的鉆時進行對比，結果見圖2。可以看出，織1井試驗井段的鉆時曲線位于織4井的鉆時曲線下方，可更加直觀、客觀的表明水力脈沖空化射流技術在煤層氣井應用的效果。