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(qū)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(zhì)砂巖、白云巖,地層膠結(jié)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(nèi)非常規(guī)油氣藏水平井多采用旋轉(zhuǎn)導向工具作為提速工具,但存在數(shù)量有限、價格昂貴的問題。為落實油田建產(chǎn)計劃,需優(yōu)選一種可替代旋轉(zhuǎn)導向工具的低成本提速鉆具組合[2]。
1)水力振蕩器結(jié)構及工作原理。水力振蕩器包括脈沖發(fā)生器及軸向推進器兩部分。脈沖發(fā)生器包含驅(qū)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(chǎn)生徑向振動和軸向推力,使靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ?,并產(chǎn)生高頻低幅振動,從而實現(xiàn)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(nèi)外得到廣泛地現(xiàn)場驗證。Al-Buali M等對科威特地區(qū)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(shù)減小26%左右。張茂林等對吉木薩爾地區(qū)采用水力振蕩器進行水平段鉆進的情況進行分析,發(fā)現(xiàn)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%。
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(jīng)螺桿轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為鉆頭輸出的機械能。鉆井過程中,鉆頭轉(zhuǎn)速及鉆壓與機械鉆速正相關,提高機械鉆速需提高鉆頭轉(zhuǎn)速與鉆壓?;诖怂枷耄舅_爾頁巖油區(qū)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(nèi)對比實驗結(jié)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(shù)
由表1可看出,該大功率螺桿馬達承壓能力更高、轉(zhuǎn)動損失更小、承壓能力更高,同時大壓差時轉(zhuǎn)速比普通橡膠的高,輸出功率高。
目前,吉木薩爾地區(qū)水平段鉆進已使用普通螺桿、大功率螺桿、國產(chǎn)水力振蕩器結(jié)合大功率螺桿及旋轉(zhuǎn)導向工具作為井下動力鉆具,對各類工具使用效果進行統(tǒng)計,結(jié)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(jié)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(zhuǎn)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(jié)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(zhuǎn)導向工具仍具有最好的提速效果,平均機速為8m/h。結(jié)果顯示,淺層二開水平井中水平段采用大功率螺桿結(jié)合水力振蕩器基本能替換旋轉(zhuǎn)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(jié)合水力振蕩器時,鉆進效果同樣遠優(yōu)于僅采用大功率螺桿或普通螺桿,但低于旋轉(zhuǎn)導向工具。
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(zhuǎn)導向工具及水力振蕩器結(jié)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(jié)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(zhuǎn)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(jié)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(qū)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(shù):鉆壓上限提高至120kN,排量為28~32L/s,泵壓為21~26MPa,轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速上限提高至80r/min,鉆頭仍為該區(qū)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(xiàn)“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(yōu)勢充分展現(xiàn),客觀說明該區(qū)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(zhuǎn)導向。
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(yōu)。吉木薩爾頁巖油區(qū)塊現(xiàn)場實踐表明:淺層二開水平井水平段使用大功率螺桿結(jié)合水力振蕩器提速效果最好,可替代旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)合大功率螺桿具備優(yōu)于旋轉(zhuǎn)導向工具的使用潛力,且可實現(xiàn)1500m左右水平段“一趟鉆”,可為同類非常規(guī)油藏水平井提速提供借鑒。