頁巖氣水平井水力振蕩器降摩減阻工藝研究與應用

李鄭濤

摘要：根據水力振蕩器的工作原理，分析了水力振蕩器的降摩減阻效果，確定了頁巖氣水平井水力振蕩器的安裝位置、最大振蕩力和工作頻率最優參數，現場應用取得了較好效果。

關鍵詞：頁巖氣;水力振蕩器;降摩減阻;水平井

威遠構造頁巖氣儲量豐富，但開發難度大，開發成本高，嚴重制約了油田增產目標，增大了油氣開采成本。目前，頁巖氣一般采用“井工廠”模式，但其鉆井施工作業卻面臨著施工難度大、鉆井成本高等難題。因此，研究頁巖氣水平井關鍵鉆井技術對控制鉆井成本，縮短開發周期具有重要實踐意義。

1 水力振蕩器降摩減阻工藝

1.1 水力振蕩器工作原理

根據水力振蕩器的機械結構主要由3大部分組成（圖1），主要包括：閥門和軸承系統：閥門和軸承系統中含有一對閥門，當鉆井液從動力部分流過來之后，部分能量通過閥門的周期性作用轉換為壓力脈沖;動力部分：其動力部分的核心部件為結構與泥漿馬達相似，核心為一個徑長比為1：2的螺桿，在螺桿下端帶有一個動閥片，與閥門系統一頭的定閥片組成閥門，通過鉆井液驅動螺桿旋轉，使得閥片做周期性旋轉;振蕩短節：由對外密封的心軸和其外圍軸向安裝的彈簧組成，由于動力部分的動閥片和閥門軸承系統的定閥片之間周期性開閉產生的壓力脈沖，帶動心軸上下運動壓縮彈簧，進而使得工具整體作往復運動。

工具上端與動力部分連接的是閥片和軸承系統，主要部件是耐磨套和與下端動力部分連接的定閥片，同時，與定閥片相互接觸的為動力部分螺桿一端連接的動閥片，由于螺桿的轉動，動閥片與定閥片的位置相錯或重合，進而定閥片開口處于周期性開閉狀態而導致閥片上端承受的液壓周期性不斷改變。

1.2 水力振蕩器降摩減阻影響因素分析

1.2.1 振動參數

振動的主要參數應包括振幅和頻率，由于水力振蕩器振動為阻尼振動，因此并不能通過振幅來體現振動特性，而振幅通過最大振蕩力控制。對于水力振蕩器所產生的振蕩力或振蕩脈沖主要由工具的尺寸（對應于開泵面積）、工作壓降（對應于壓力脈沖）和工作頻率決定，而工具產生的最大振蕩力則由壓力脈沖和開泵面積所決定，因此工具的最大振蕩力和工作頻率可能會對降摩減阻的效果產生影響。

1.2.2 安裝位置

水力振蕩器一般使用在水平井段，而降摩減阻效果的差異也可能體現在水力振蕩器在水平段安裝位置和水平段的井斜角的變化上。

1.2.3鉆井參數

鉆井液密度與性能、井眼軌跡、鉆壓等都可能會對水力振蕩器的降摩減阻效果產生影響，然而，由于鉆井工程不是以水力振蕩器為優先級進行設計，因此分析改變鉆井液等參數并不具有實際可操作性。

因此，水力振蕩器降摩減阻有效影響因素包括：水力振蕩器的安裝位置、工具的最大振蕩力和工作頻率。由于近鉆頭處的下部鉆具組合中立柱所受軸向摩擦力較大，整體呈現出降摩減阻效果隨安裝位置的上移而減小的趨勢;整體呈現出降摩減阻效果隨最大振蕩力增大而增大的趨勢;由于工作頻率的增大，造成工具及附近鉆柱速度增大達到摩阻降低的效果，但工作頻率繼續增大時，速度超過動摩擦系數曲線臨界值，則表現為速度增大，摩擦力也相應增大。所以，較大的工作頻率雖然對全井段鉆柱的摩阻降低起到正面影響，但卻對安裝工具附近鉆柱的摩擦力降低起到適得其反的效果，更增添鉆柱發生屈曲的風險。

最終確定出水力振蕩器推薦優化使用方案為：工具尺寸直徑172mm;安裝位置在鉆頭后200m～360m;最大振蕩力為31.8kN、39.14kN;工作頻率為16Hz。

2 水力振蕩器降摩減阻應用

為了充分說明水力振蕩器在威遠地區頁巖氣水平井中的應用效果，本文利用與M1井同平臺的M2井的實鉆數據進行對比分析。M2井為一口三維水平井，與M1屬同一平臺，地層特征、井身剖面、井身結構、鉆具組合及鉆井參數都基本相同，但M2井在水平段施工時未使用水力振蕩器。因此，可利用M1井和M2井水平段的實測井口大鉤載荷進行對比分析。

根據滑動鉆進工況下M1井和M2井水平段實測井口大鉤載荷。M1井的井口大鉤載荷始終大于M2井，說明M1井的水平段摩阻小于M2井，摩阻降低約30.8%，說明水力振蕩器降摩減阻效果良好。通過水力振蕩器在M1井的應用效果可以說明，水力振蕩器能夠有效的減小鉆柱摩阻，消除了定向和水平鉆進中的托壓現象，提高了機械鉆速，降低了鉆井周期，減少了鉆井事故發生的機率，在威遠頁巖氣區具有一定推廣價值。

3 結論

在頁巖氣深、超深水平井鉆井施工中，推薦對通常使用直徑為172mm水力振蕩器采用以下工作參數：安裝位置控制在鉆頭后200m～360m范圍內，振蕩力選擇31.8kN或39.14kN，工作頻率控制在16Hz作業。水力振蕩器能夠有效的減小鉆柱摩阻，提高了機械鉆速。

參考文獻：

[1]聶靖霜.威遠長寧地區頁巖氣水平井鉆井技術研究[D].成都：西南石油大學，2013.

[2]秦富兵.威遠區塊頁巖氣水平井鉆井工藝技術研究[D].成都：西南石油大學，2016.