自研水力振蕩器在川渝地區(qū)連續(xù)管水平井作業(yè)中的應用*

盧秀德，劉佳林，劉志堯，孫兆巖，馬小龍

（中國石油集團川慶鉆探工程有限公司 井下作業(yè)公司，成都 610000）

0 前 言

連續(xù)管的下深能力是連續(xù)管技術(shù)應用的基礎[1-2]。Φ50.8 mm 連續(xù)管下入水平井段2 000 m左右基本就會發(fā)生螺旋鎖定，導致連續(xù)管無法繼續(xù)下入，不能到達目標深度[3-4]。隨著頁巖氣平臺井水平段長度的不斷延伸，連續(xù)管技術(shù)的應用也受到限制。長水平段水平井連續(xù)管技術(shù)需要配套合理的延長下深工具[5]，而水力振蕩器可以通過自身產(chǎn)生的縱向振動來提高連續(xù)油管下入過程中鉆壓傳遞的有效性，并減少作業(yè)工具串與井壁之間的摩阻，從而實現(xiàn)增加連續(xù)油管下入深度的目的，振動溫和，不會增加連續(xù)油管疲勞損傷，也不會導致配合作業(yè)的其他工具損壞。目前國外公司已經(jīng)在水力振蕩器的研究上取得了較大進展，National Oilwell Varcor 公司和Pro?Leading Energy Solutions 公司的水力振蕩器效果好、力量大，螺桿橡膠壽命長達幾百小時；其次是ASBR公司的ShockWave，其產(chǎn)品效果較好、頻率高、力量中等；而Thru Tubing Solutions 公司的XRV壽命最長、長度最短、效果中等；Baker Hughes公司的 Extended Reach Tools、自激式水力振蕩器和空化射流式水力振蕩器等產(chǎn)品，長度短、壽命長，雖有振蕩效果，但力量弱[7]。綜合來看，連續(xù)管用水力振蕩器生產(chǎn)廠家較多，但效果最好的仍然是1/2頭或者2/3頭螺桿式水力振蕩器。由于小尺寸工具材質(zhì)和加工問題，國內(nèi)仿制的產(chǎn)品性能仍然不穩(wěn)定，而國外水力振蕩器存在造價成本高、購置周期長、維護費用高等問題。因此，為解決國內(nèi)深層長水平段頁巖氣井開采面臨的技術(shù)難題，自主設計了一種水力振蕩器，并在現(xiàn)場進行了廣泛的推廣應用，旨在打破國外公司技術(shù)壟斷，縮短供貨周期，節(jié)約成本。

1 自研水力振蕩器的特點

1.1 工具結(jié)構(gòu)

水力振蕩器的結(jié)構(gòu)主要包括上接頭、過濾環(huán)、螺桿外筒、螺桿轉(zhuǎn)子、動閥座、動閥、定閥、O形密封圈和下接頭，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水力振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 水力振蕩器的技術(shù)參數(shù)

水力振蕩器的壓降受動力馬達級數(shù)和偏心閥通道面積的影響[8-10]，其計算公式為

式中：Δp——水力振蕩器的壓降，MPa；

[Δpk]——馬達每級間的承壓值，取0.8 MPa；

K——馬達級數(shù)，此處K取1級；

Δpr,s——局部壓力損失，MPa；

ζ——局部阻尼系數(shù)；

ρ——工作液密度，kg/m3；

v1——工作液流速，m/s。

由式（1）、式（2）可知，在馬達級數(shù)確定的情況下，水力振蕩器的壓降只與局部壓力損失有關，而在不計摩擦阻力的情況下，局部壓力損失取決于工作液密度及流速，而流速取決于工作液排量和過流面積。因此，在工作液密度及排量不變的情況下，增大過流面積，就可以降低Δpr,s，從而實現(xiàn)減小水力振蕩器壓降的目的。

頁巖氣區(qū)塊連續(xù)管作業(yè)通常采用外徑為73 mm的井下作業(yè)工具，因此設計本工具的動閥和定閥流道直徑為18 mm，定閥偏移分別為5 mm、7 mm 和8 mm，動閥偏移分別為10 mm、14 mm和16 mm，進行計算分析。當工作液排量為400 L/min 時，水力振蕩器壓降計算結(jié)果見表1。

表1 水力振蕩器壓降計算結(jié)果

由表1可知，定閥偏移量為5 mm時，壓力波動最小；定閥偏移量為8 mm時，壓力波動最大。此外，定閥偏移量為5 mm時，振蕩效果最差；定閥偏移量為8 mm時，振蕩效果最強，但其壓力變化過大，平均壓降也高，對泵和井口設備傷害大，故不能選擇5 mm和8 mm的偏移量。定閥偏移量為7 mm 時，平均壓降為3.75 MPa（約543 psi），與NOV公司的Agitator XP振蕩器壓降3.45～4.83 MPa相吻合。因此，7 mm的偏移量為最優(yōu)偏移量。

水力振蕩器動力部件螺桿馬達的輸出參數(shù)計算公式為

式中：M——螺桿馬達輸出扭矩，N·m；

Δp——螺桿馬達總壓降，MPa；

q——每轉(zhuǎn)排量，L；

N——轉(zhuǎn)子頭數(shù)；

TS——定子導程，mm；

AG——過流面積，mm2；

AS——定子截面積，mm2；

Ar——轉(zhuǎn)子截面積，mm2；

F——水力振蕩器軸向沖擊力，kN。

本工具設計的參數(shù)為：轉(zhuǎn)子頭數(shù)N=1，定子導程TS=720 mm，定子截面積AS=1 232 mm2，轉(zhuǎn)子截面積Ar=616 mm2，馬達平均壓降Δp=3.75 MPa，馬達最大壓降Δp=25.79 MPa。

根據(jù)公式（3）～公式（6）計算，過流面積為616 mm2，每轉(zhuǎn)排量為0.433 L，平均輸出扭矩為264.7 N·m，最大輸出扭矩為1 820.5 N·m，水力振蕩器平均軸向沖擊力為2.31 kN，最大軸向沖擊力為15.89 kN。與NOV公司的Agitator XP水力振蕩器對比見表2，由表2 可知，自研水力振蕩器的各項技術(shù)參數(shù)均達到了施工要求，同時其長度更短、排量范圍更廣、抗拉強度更高、振蕩頻率更強。

表2 水力振蕩器技術(shù)參數(shù)對比

2 室內(nèi)測試評價

為評價自研水力振蕩器的整體性能，在室內(nèi)對不同排量下的泵壓、振動頻率和振幅進行測量，測試流程如圖2所示。將Φ73 mm的水力振蕩器兩端分別與試壓泵的進水、回水管線連接，并在水力振蕩器上安裝壓力傳感器和測振儀，進行脈沖壓力監(jiān)控，同時測量工具的振動頻率和振幅。

圖2 水力振蕩器室內(nèi)測試流程示意圖

開啟試壓泵，然后記錄不同排量下的泵壓、振動頻率和振幅，測試結(jié)果見表3。由表3 可以看出，隨著排量的增大，工具振動頻率和振幅逐漸增大。在相同的條件下，進行了多組室內(nèi)測試，工具振動頻率與振幅隨排量增大而增大的趨勢是一致的，且工具工作穩(wěn)定，未出現(xiàn)故障。

表3 水力振蕩器的室內(nèi)測試結(jié)果

3 現(xiàn)場試驗評價

3.1 目標井井況

威X 井為一口頁巖氣水平評價井，該井實際完鉆井深6 330 m，現(xiàn)人工井底6 289 m，造斜點深2 930 m，最大井斜100.03°, 最大井斜井深5 184.28 m，為上傾井，入靶點井深4 130 m，水平井段全長2 200 m。

3.2 軟件模擬情況

采用外徑Φ50.8 mm、壁厚4.44～5.2 mm、鋼級CT110 的連續(xù)管進行軟件模擬，結(jié)果如圖3 所示。當取摩阻系數(shù)0.3時，連續(xù)管至井下5 225.5 m時會出現(xiàn)鎖定，因此通常在連續(xù)管通刮洗作業(yè)工具管串中加入水力振蕩器，可延長連續(xù)管下深，即Φ106 mm磨鞋+Φ73 mm螺桿馬達+Φ73 mm水力振蕩器+Φ73 mm震擊器+Φ73 mm丟手+Φ73 mm單流閥+Φ73 mm復合接頭+Φ50.8 mm連續(xù)管。

圖3 軟件模擬計算結(jié)果

3.3 施工簡況

在實際施工過程中，連續(xù)管下井至5 450 m處出現(xiàn)鎖定，作業(yè)曲線如圖4 所示。下放速度明顯放緩，通過反復短起下放，泵注金屬降阻劑，在水力振蕩器的作用下，用時9 h 最終下至人工井底6 289 m 處，作業(yè)曲線如圖5 所示。其中橘色線為連續(xù)管懸重，藍色線為下井深度。

圖4 5 450 m處作業(yè)曲線圖

圖5 6 289 m處作業(yè)曲線圖

現(xiàn)場測試結(jié)果表明，該井使用水力振蕩器后，可使連續(xù)管繼續(xù)下入839 m，效果顯著，滿足了長水平段井的施工要求，有效解決了連續(xù)管在長水平段的下入自鎖問題，同時替代了進口水力振蕩器，打破了國外公司技術(shù)壟斷，實現(xiàn)了水力振蕩器的國產(chǎn)化，縮短了供貨周期。

4 自研水力振蕩器在川渝地區(qū)應用情況

2019年—2021年自研水力振蕩器在川渝地區(qū)應用情況如圖6所示，具體數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果見表4。通過圖6可以看出，使用水力振蕩器后，連續(xù)管下入深度得到了顯著提升。同時，2019年—2021年，在長寧、威遠、昭通等多口頁巖氣井進行通刮洗作業(yè)423井次，使用自研水力振蕩器249井次，使用率達到58.87%，自研水力振蕩器在現(xiàn)場得到廣泛應用，其延伸下井深度的能力得到充分驗證，具有良好的應用前景。

圖6 2019年—2021年自研水力振蕩器在川渝地區(qū)應用情況

現(xiàn)場應用表明，自研水力振蕩器的使用可大大降低井下管柱在前進中的摩擦阻力和扭矩，從而有效傳遞鉆壓，提高連續(xù)管的下入深度，解決了深層頁巖氣長水平段出現(xiàn)“螺旋鎖定”的技術(shù)難題。

5 結(jié) 論

（1）與國外水力振蕩器的技術(shù)參數(shù)進行對標，自主研制了一種長度1.48 m、排量150～560 L/min、工作壓降2～5.4 MPa、振蕩頻率15 Hz、抗拉強度1 080 MPa 的水力振蕩器，各項技術(shù)參數(shù)均達到了施工要求。該振蕩器長度更短、排量范圍更廣、抗拉強度更大、振蕩頻率更強。

（2）該水力振蕩器在川渝地區(qū)得到廣泛的使用，使用率達到58.87%，實現(xiàn)單趟最大下井延伸1 049 m，延伸率達到29.16%，提高了作業(yè)效率和質(zhì)量，減少了短起次數(shù)，保證了井下施工安全。