水力脈沖發生器在鉆井提速中的應用

蔡勇

摘要：水力脈沖發生器在鉆進中的使用是將水力脈沖空化射流式鉆進和旋轉鉆進相結合的一種鉆進方法。為了在鉆井施工過程中，提高鉆井機械鉆速，增強螺桿和鉆頭的使用效率，滿足在不同地質區塊和不同地層的鉆井提速要求，水力脈沖發生器廣泛應用于生產井、預探井、探井的鉆井施工過程中。水力脈沖發生器在常規轉盤鉆進方式下應用的優勢主要表現在以下幾個方面：在軟、中硬、硬地層中鉆進，機械鉆速高、井身質量好、鉆井成本低、鉆頭和螺桿使用壽命長等，加快了鉆井速度，提高了經濟效益。本文對水力脈沖發生器在冀中地區的適應情況進行統計、分析及評價。

關鍵詞：冀中地區;水力脈沖發生器;鉆井提速

前言

通過對水力脈沖發生器性能參數同巖石抗鉆特性之間的關系、水力脈沖發生器的設計結構理論和設計方法、發生器及其部件的使用壽命、沖擊性能參數和鉆井工藝參數優化的深入研究，使得水力脈沖發生器在常規轉盤應用的效果得以充分發揮。通過不同井型和不同區塊的鉆井實踐和分析對比，我們已經能夠較好的將這一新工具應用到鉆井提速過程中。

實踐表明，在不增加地面設備動能的前提下，合理利用水力脈沖能量或以水力能量驅動適當井下工具進行破巖、輔助破巖是當前提高鉆井速度可行的途徑之一，采用水力脈沖空化射流破巖、輔助破巖是合理利用水力能量、提高機械鉆速的一個重要方式。因此，深入研究水力脈沖發生器在常規轉盤鉆進方式下的應用情況，對加快鉆井勘探開發具有重要意義。

1水力脈沖發生器

1.1水力脈沖發生器結構

水力脈沖發生器主要由本體、彈性擋圈、導流體、葉輪總成、自激振蕩腔室等組成，如圖1所示。

1.2水力脈沖發生器原理

其中導流體：改變鉆井液方向和速度;葉輪總成：為振動腔提供有源脈沖;自激振蕩腔：有源脈沖信號產生流體聲諧共振、信號放大，在流體出口端產生強烈脈動渦環流。

1.3水力脈沖發生器結構

（1）導流體結構（圖2）

（2）葉輪結構（圖3）

（3）自激振蕩腔室結構及具體參數（圖4、表1）

1.4水力脈沖發生器基本參數

型號：HPCDT-178和HPCDT-228型

外徑：178（7"）和228mm（9"） 長度：500mm-605mm

重量：95kg-150kg 井深：≤7000m

排量：20～60l/s 壓耗：0.5-1.5 MPa

脈沖：2.0-3.0 Mpa 上扣：730，631，410，4A10

下扣：730，630，430。

1.5壓力脈動幅度

流量為30l/s，葉輪轉速50～300r/min，壓力脈動在1.25MPa左右;入口流量20～45l/s，壓力脈動幅度從0.53MPa增大到2.73MPa（圖5）。

以178型水力脈沖發生器為例，通過分析壓力脈動幅度隨泵排量的增加呈線性增大趨勢，由此得出了在不同水力脈沖發生器結構參數和鉆井水力參數下脈沖發生器基本參數的變化規律，對于鉆井水力參數的優選具有較好的指導意義。

2實際鉆進過程中的使用效果對比分析

以寧古15井為例：在三開鉆進第二次使用水力脈沖發生器進行高壓脈沖空化射流鉆井。

鉆具組合：Φ215.9mm牙輪鉆頭+脈沖接頭+411×4A0+浮閥+托盤+Φ165mm無磁鉆鋌×1根+Φ165mm螺旋鉆鋌×11根+4A1×410+Φ127mm加重鉆桿×16根+165mm隨鉆震擊器+Φ127mm加重鉆桿×5根+Φ127mm18°鉆桿。

鉆進參數：鉆壓：160KN;轉速：100rpm/min;排量：32l/s，泵壓17Mpa。鉆井液密度：1.34-1.37g/cm3，粘度：49-51秒。

鉆進井段：3730-3880米，進尺：150米。

地層：沙2+3。

巖性：灰色泥巖與紫紅色泥巖夾薄層淺灰色細沙巖。純鉆時間：63.2小時。平均機械鉆速2.37米/小時。

水力脈沖發生器井下工作正常，起出后檢查外觀完好，導流體斜面靠近葉輪處沖蝕出缺口，葉輪轉動靈活，無阻卡現象，葉輪本體完好。

與鄰井寧古11井相同井段相比機械鉆速提高0.89米/小時，提速幅度60.14%（表2）。

3水利脈沖發生器在復合鉆進方式下應用情況

以寧古15井為例：在三開鉆進第一次使用水力脈沖發生器進行高壓脈沖射流鉆井。

鉆具組合：Φ215.9mmPDC鉆頭+178mm水力脈沖發生器+411×431配合接頭+172mm直螺桿+回壓凡爾+Φ165mm無磁鉆鋌×1根+Φ214mm扶正器+Φ165mm螺旋鉆鋌×11根+Φ127mm加重鉆桿×15根+165mm隨鉆震擊器+Φ127mm加重鉆桿×6根+Φ127mm鉆桿。

鉆進參數：鉆壓：40-60KN;轉速：50rpm/min+DN;排量：35-31l/s，泵壓17-18Mpa。鉆井液密度：1.20-1.28g/cm3，粘度：38-50秒。

鉆進井段：2425-3297米，進尺：872米。

地層：東營～沙一。

巖性：紫紅色泥巖與淺灰色細砂巖互層，灰色泥巖與淺灰色細沙巖互層。

純鉆時間：56.7小時。平均機械鉆速15.38米/小時。

水力脈沖發生器井下工作正常，起出后檢查外觀完好，葉輪轉動靈活，無阻卡現象，葉輪本體完好。鉆頭起出后胎體、齒廓完好，新度98%，可重新入井使用。

由與相鄰區塊使用效果對比表可以看出，在使用的鉆頭、地層、井段、鉆井參數基本相近的情況下，本井與西47-16井相比，機械鉆速提高9.81米/小時，提速176.1%。

4水力脈沖發生器在雁翎區塊復合鉆進方式下的應用情況

4.1雁翎區塊的定向井上直井段鉆進中使用水力脈沖發生器進行高壓脈沖射流鉆井

鉆具組合：Φ215.9mmPDC鉆頭+178mm水力脈沖發生器+411×431配合接頭+172mm1°單彎螺桿+回壓凡爾+Φ165mm無磁鉆鋌×1根+Φ214mm扶正器+Φ165mm螺旋鉆鋌×5～8根+Φ127mm加重鉆桿×9～12根+159mm隨鉆震擊器+Φ127mm加重鉆桿×6根+Φ127mm鉆桿。

鉆進參數：鉆壓：30-50KN;轉速：50rpm/min+DN;排量：35-31l/s，泵壓12-18Mpa。鉆井液密度：1.05-1.15g/cm3，粘度：20-40秒。

機械鉆速與同區塊同樣復合鉆進方式和相近鉆井參數施工的雁63-13X井相近的上直井段比較有較大幅度提高。

由雁翎區塊上直井段使用效果對比表可以看出，在使用的鉆頭、地層、井段、鉆井參數基本相近的情況下，在雁翎區7口定向井的上直井段使用水力脈沖發生器與未使用水力脈沖發生器的雁63-13X井相比，機械鉆速提高幅度在29.41%～100.61%之間，7口井共節約鉆井周期3.98天;平均每口井節約鉆井周期0.57天，取得了明顯的提速效果。

4.2在雁翎區塊施工的3口直井施工中鉆進中使用水力脈沖發生器進行高壓脈沖空化射流鉆井

鉆具組合：Φ215.9mmPDC鉆頭+178mm水力脈沖發生器+411×431配合接頭+172mm1°單彎螺桿+回壓凡爾+Φ165mm無磁鉆鋌×1根+Φ214mm扶正器+Φ165mm螺旋鉆鋌×5～8根+Φ127mm加重鉆桿×9～12根+159mm隨鉆震擊器+Φ127mm加重鉆桿×6根+Φ127mm鉆桿。

鉆進參數：鉆壓：30-60KN;轉速：50rpm/min+DN;排量：35-31l/s，泵壓12-18Mpa。鉆井液密度：1.05-1.23g/cm3，粘度：20-55秒。

鉆機月速與同區塊同樣復合鉆進方式和相近鉆井參數施工的雁63-95井比較有較大幅度提高。

由雁翎區塊上直井段使用效果對比表可以看出，在使用的鉆頭、地層、井段、鉆井參數基本相近的情況下，在雁翎區3口直井使用水力脈沖發生器與未使用水利脈沖發生器的雁63-95井相比，鉆機月速提高幅度在42.32%～88.35%之間，3口井按鉆機月速相比共節約鉆井周期19.61天;平均每口井節約鉆井周期6.54天，提速效果明顯。

5應用情況及經濟效益

從水力脈沖發生器在不同地層復合鉆進方式下的使用情況可以看出，在冀中區塊所鉆4口井在二開上直井段軟地層使用水力脈沖發生器后提速效果明顯，平均機械鉆速72.13米/小時，平均提速幅度達到62.4%，共計創效9.81萬元。

在冀中區塊所鉆2口井在中硬地層使用水力脈沖發生器后平均機械鉆速44.22米/小時，平均提速幅度達到121.44%，共計創效20.09萬元。

在冀中區塊硬地層使用水力脈沖發生器后平均機械鉆速2.37米/小時，提速幅度達到60.14%，共計創效5.68萬元。

上述6口井使用水力脈沖發生器后平均機械鉆速總體提升81.33%，共創效35.58萬元。通過在不同地層的使用情況來分析，在軟地層和中硬地層中使用水力脈沖發生器提速增效效果顯著，水力脈沖發生器在冀中地區復合鉆進條件下具有較高的應用價值。

6結論

（1）水力脈沖發生器通過壓力脈動，改變井底流場，減少壓持效應，提高了井底清洗效果，達到了提高機械鉆速的目的。

（2）水力脈沖器不影響直螺桿的應用，但在定向井段施工過程中，對定向井儀器的電脈沖信號產生影響。

（3）水力脈沖發生器在冀中地區不同地層（軟、中硬、硬等地層）都有提速效果，尤其在軟及中硬地層提速效果更為顯著。

（4）水力脈沖發生器使用壽命長，可達500小時，可多次重復下井使用。

（5）水力脈沖發生器壓降在1.5-2MPa，在水力參數設計時要充分考慮。

參考文獻

[1]周波，李建業.水力脈沖發生器在冀中地區的試驗應用[J].中國石油和化工標準與質量.2019（10）：113-114.