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(xué)，北京 102249; 2.中石化集團(tuán)公司華東石油局，江蘇 南京 212003)

水力脈沖空化射流技術(shù)首次在煤層氣井中的試驗研究

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(xué)，北京 102249; 2.中石化集團(tuán)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(jù)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(yīng)，從而提高機械鉆速。水力脈沖空化射流技術(shù)在織4井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。結(jié)果表明:該技術(shù)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(yīng)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(shù)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(nèi)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(jīng)濟效益顯著。煤層與一般油、氣儲集層地質(zhì)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(yán)重;煤巖微孔隙、微裂縫、節(jié)理相當(dāng)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(chǎn)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(zhuǎn)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(jìn)而提高機械鉆速的1種鉆井新工藝，現(xiàn)已在國內(nèi)外多個油田進(jìn)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(shù)在煤層氣井中的應(yīng)用情況。

1 水力脈沖空化射流發(fā)生器結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(jié)構(gòu)示意圖

導(dǎo)流體位于葉輪總成上部，主要結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)。葉輪在高速轉(zhuǎn)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(chǎn)生脈沖擾動。

脈沖擾動作為入口有源脈沖信號進(jìn)入工具最底部的自激振蕩腔室，自激振蕩腔室為一風(fēng)琴管自振空化噴嘴，對水力脈沖信號進(jìn)行放大并產(chǎn)生流體諧振，當(dāng)其通過振蕩腔室的出口收縮截面進(jìn)入諧振噴嘴時，產(chǎn)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(dāng)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(nèi)產(chǎn)生流體聲諧共振，在流體出口段產(chǎn)生強烈脈動渦環(huán)流，以波動壓力的方式?jīng)_擊井底，改善井底流場，使進(jìn)入鉆頭的常規(guī)連續(xù)流動調(diào)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(yīng)使進(jìn)入鉆頭的常規(guī)連續(xù)液流調(diào)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(chǎn)生3種效應(yīng)。

(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(fù)破碎。

(2)空化沖蝕。在井底巖石表面產(chǎn)生局部坑蝕，輔助破巖，提高破巖效率。

(3)瞬時負(fù)壓。井底瞬時負(fù)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(chǎn)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(yīng)，其機理相當(dāng)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(shè)計為直井，井深為576 m，進(jìn)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(gòu)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(yīng)力分布不均、普遍欠壓，導(dǎo)致鉆井過程中機械鉆速較慢?？?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(zhì)膠結(jié)砂巖為主，地層較軟，在此使用水力脈沖空化射流鉆井技術(shù)可更為有效地利用其水力脈沖破巖效應(yīng)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(shù)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(yīng)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(jìn)行嚴(yán)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(nèi)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(zhuǎn)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(diào)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(chǎn)生壓耗，約為1.5 MPa，鉆進(jìn)中泵壓較旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)高1～2 MPa屬正常范圍。

(5)鉆進(jìn)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(fù)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(nèi)部芯子為硬質(zhì)合金燒結(jié)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(nèi)部芯子無明顯沖蝕，葉輪可以正常轉(zhuǎn)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(jié)果分析

水力脈沖空化射流鉆井在織4井共進(jìn)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(jìn)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(jù)同織4井進(jìn)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(jù)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(jìn)行對比，結(jié)果見圖2?？梢钥闯觯?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(shù)在煤層氣井應(yīng)用的效果。

表1 機械鉆速對比

圖2 織4井與鄰井相近井段鉆時對比

4 結(jié)論及建議

(1)在織4井現(xiàn)場試驗表明，水力脈沖空化射流鉆井技術(shù)可以有效提高煤層氣鉆井施工中的機械鉆速，鉆進(jìn)地層相同、相近工況下試驗井段與鄰井相近井段相比機械鉆速平均提高100.7%。

(2)織4井試驗井段為196.00～432.00 m，地層相對較軟，說明水力脈沖空化射流鉆井技術(shù)在較軟地層應(yīng)用可以起到良好的效果。

(3)水力脈沖空化射流鉆井技術(shù)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，適應(yīng)性良好。

(4)建議進(jìn)行多區(qū)塊、多井次現(xiàn)場試驗，以驗證水力脈沖空化射流技術(shù)在煤層氣鉆井施工中的適用性。

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編輯 王 昱

TE249

A

1006－6535(2012)05－0128－03

10.3969/j.issn.1006－6535.2012.05.032

20120216;改回日期:20120615

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目“973”計劃子課題“深井復(fù)雜地層安全高效鉆井基礎(chǔ)研究”(2010CB226700);中石化石油工程先導(dǎo)和推廣項目“水力脈沖空化射流鉆井技術(shù)應(yīng)用跟蹤”(SG1008)

王偉(1987－)，男，2009年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(北京)石油工程專業(yè)，現(xiàn)為該校油氣井工程專業(yè)在讀碩士研究生，研究方向為油氣井流體力學(xué)與工程。