水力振蕩器+大功率螺桿在吉木薩爾的應用及分析

吳德勝，黃 瑞，張 楠，王巧靈，趙 愷

（1.新疆油田分公司工程技術研究院，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國石油大學（北京）克拉瑪依校區石油學院，新疆 克拉瑪依 834000）

吉木薩爾凹陷蘆草溝組埋藏深度為3000～4500m，厚度為100～320m，面積約為1300 km2，其頁巖油井控儲量達到11.30×108t，技術可采儲量為1.10×108t，資源潛力巨大［1］。蘆草溝組地層巖性主要為白云質砂巖、白云巖，地層膠結致密，可鉆性級值6～7級，研磨性4～6級，研磨性強，可鉆性差，機械鉆速低，鉆井周期長。目前，國內非常規油氣藏水平井多采用旋轉導向工具作為提速工具，但存在數量有限、價格昂貴的問題。為落實油田建產計劃，需優選一種可替代旋轉導向工具的低成本提速鉆具組合［2］。

1 水力振蕩器+大功率螺桿鉆具組合

1.1 水力振蕩器

1）水力振蕩器結構及工作原理。水力振蕩器包括脈沖發生器及軸向推進器兩部分。脈沖發生器包含驅動馬達總成及脈沖閥總成，分別含有旁通閥、螺桿及偏心凸輪、動閥體、定閥體五大配件；軸向推進器則由上接頭、振動體、脈沖活塞、防掉接頭、碟簧激振機構和外殼體六部分組成［3］。

在鉆井液作用下，工具產生徑向振動和軸向推力，使靜摩擦轉變為動摩擦，并產生高頻低幅振動，從而實現降低摩阻，解決托壓問題，提高機械鉆速。

2）水力振蕩器使用性能。水力振蕩器能有效地降低摩阻、提高機械鉆速的作用，已在國內外得到廣泛地現場驗證。Al-Buali M等對科威特地區水平段鉆進使用水力振蕩器分析得到，使用該工具水平段最大可鉆進長度比不使用時長500多米，摩擦系數減小26%左右。張茂林等對吉木薩爾地區采用水力振蕩器進行水平段鉆進的情況進行分析，發現使用該工具時滑動鉆進機械鉆速提高48.16%，復合鉆進機械鉆速提高15.28%。

1.2 大功率螺桿

螺桿鉆具主要由旁通閥總成、馬達總成、萬向軸總成及傳動軸總成四個部件組成。該鉆具工作時，鉆井液攜帶水力能經螺桿轉動轉換為鉆頭輸出的機械能。鉆井過程中，鉆頭轉速及鉆壓與機械鉆速正相關，提高機械鉆速需提高鉆頭轉速與鉆壓。基于此思想，吉木薩爾頁巖油區塊引進一種大功率螺桿，其采用新型高性能橡膠配方，使用納米材料補強橡膠性能，提高螺桿輸出功率，其室內對比實驗結果如表1所示。

表1 普通橡膠螺桿和大功率橡膠螺桿的性能參數

由表1可看出，該大功率螺桿馬達承壓能力更高、轉動損失更小、承壓能力更高，同時大壓差時轉速比普通橡膠的高，輸出功率高。

2 現場應用及效果分析

2.1 現場應用統計分析

目前，吉木薩爾地區水平段鉆進已使用普通螺桿、大功率螺桿、國產水力振蕩器結合大功率螺桿及旋轉導向工具作為井下動力鉆具，對各類工具使用效果進行統計，結果見圖1。

圖1 使用不同工具時的機械鉆速

由圖1可知，淺層二開水平井水平段使用大功率螺桿結合水力振蕩器時，平均機速達到8m／h，相對于僅采用大功率螺桿提速100%，略低于旋轉導向工具的平均機速8.6m／h；深層三開水平井水平段使用大功率螺桿結合水力振蕩器時，其平均機速為5.5m／h，分別提速14.6%、96.4%，旋轉導向工具仍具有最好的提速效果，平均機速為8m／h。結果顯示，淺層二開水平井中水平段采用大功率螺桿結合水力振蕩器基本能替換旋轉導向工具，鉆進效果遠好于僅采用大功率螺桿或普通螺桿；深層三開水平井中水平段采用大功率螺桿結合水力振蕩器時，鉆進效果同樣遠優于僅采用大功率螺桿或普通螺桿，但低于旋轉導向工具。

2.2 典型井例分析

1）單井水平段不同工具使用實際效果分析——以J10028_H井為例。

J10028_H井鉆至3595m后，開始水平段鉆進，至5550m完鉆。水平段鉆進過程中，前后分別采用了大功率螺桿鉆具、旋轉導向工具及水力振蕩器結合大功率螺桿鉆具組合進行提速，該井水平段瞬時機速見圖2。

圖2 J10028_H井水平段瞬時機速

由圖2可看出，水力振蕩器結合大功率螺桿作為井下動力工具提速效果較好，相對于僅采用大功率螺桿鉆具，鉆速提高了126.4%；相對于旋轉導向工具，鉆速提高了20.6%。在J10028_H井水平段鉆進階段，大功率螺桿結合水力振蕩器作為井下動力工具，提速效果最好。

2）典型井——JHW01022井水平段水力振蕩器+大螺桿鉆具組合實際使用效果分析。

JHW01022井同樣為該區二開水平井，水平段采用水力振蕩器+大功率螺桿提速組合鉆進。該井水平段一趟鉆完鉆，鉆進過程順利，實際進尺1646m，平均機速高達9.6m／h。相關鉆井參數：鉆壓上限提高至120kN，排量為28～32L／s，泵壓為21～26MPa，轉盤轉速上限提高至80r／min，鉆頭仍為該區應用效果較好的KS1652DGRX。該井的鉆具組合：Φ215.9mmPDC鉆頭 +Φ172mm單彎螺桿（1.25°， Φ212mm 扶 正 器 ）+LWD+MWD+Φ127mm無磁承壓鉆桿（1根）+Φ127mm加重鉆桿（3根）+隨鉆震擊器+Φ127mm加重鉆桿（3根）+Φ127mm斜坡鉆桿（18根）+水力振蕩器+Φ127mm斜坡鉆桿（180根）+Φ127mm加重鉆桿（27根）+Φ127mm鉆桿。該井水平段實現“一趟鉆”完鉆，且平均機械鉆速達到9.6m／h，水力振蕩器的降摩阻效果、大功率螺桿的提速優勢充分展現，客觀說明該區二開水平井水平段采用水力振蕩器+大功率螺桿導向組合可替代旋轉導向。

3 結論

1）水力振蕩器及大功率螺桿的提速作用機理互補，兩者配合使用提速效果更優。吉木薩爾頁巖油區塊現場實踐表明：淺層二開水平井水平段使用大功率螺桿結合水力振蕩器提速效果最好，可替代旋轉導向工具；而深層三開水平段，該鉆具組合同樣具備一定的提速效果，但與旋轉導向工具相比仍有一定差距。2）典型井實例表明，水力振蕩器結合大功率螺桿具備優于旋轉導向工具的使用潛力，且可實現1500m左右水平段“一趟鉆”，可為同類非常規油藏水平井提速提供借鑒。