當前，頁巖氣等非常規(guī)資源已成為能源開發(fā)領域的熱點。頁巖既是天然氣生成的源巖，也是聚集和保存天然氣的儲層和蓋層。一方面頁巖氣藏的儲層氣流的阻力比常規(guī)天然氣大，所有井都需要實施儲層壓裂改造才能開采;另一方面，頁巖氣的采集率比較低，但其儲量豐富，一旦實現(xiàn)規(guī)模開采，便可獲得豐富的天然氣資源。
新型井下工具助力頁巖氣開發(fā)
近幾年來，我國頁巖氣的開采取得了一定的成果，但還未形成成熟的技術。水平鉆井、水力壓裂等先進技術推動了頁巖氣開發(fā)的快速發(fā)展，另外，由于海上開發(fā)、海油陸采、非常規(guī)開發(fā)等需要，定向井、水平井、大位移井、多分支井的鉆井數(shù)量越來越多。
水平井和大位移井的位垂比較高，隨著位垂比越來越高，將出現(xiàn)過大的摩阻和鉆柱屈曲，一旦垂直井段或小角度斜井段中的鉆壓不足以推動大段斜井或水平井眼中的鉆柱，會導致鉆柱發(fā)生自鎖，使得泥漿馬達滑動鉆進、鉆柱與完井管柱的下入、鉆進期間為鉆頭傳遞鉆壓都將變得異常困難。并且，在高摩阻情況下波動的WOB會導致鉆頭的瞬間無規(guī)律沖擊，降低其壽命。隨著復雜井的數(shù)量越來越多，高摩阻問題也日益突出。因此，解決拖壓問題、實現(xiàn)有效的鉆壓傳遞、減少滑動鉆進期間的鉆具拖拉現(xiàn)象、減少馬達制動現(xiàn)象、對提高工具面的控制能力并最終實現(xiàn)提速增效具有重要意義。
美國NOV下屬Andergauge開發(fā)了軸向振動減阻工具，用于解決此類問題，應用于滑動鉆進、連續(xù)管作業(yè)都取得了很好的效果，后又成功應用于直井、馬達導向鉆井、旋轉導向鉆井、大位移井、頁巖氣儲層鉆井等。
設計精準結構完善
軸向振動減阻工具由動力激發(fā)部分、閥總成和振動發(fā)生部分3個部件組成，動力激發(fā)部分是一個容積式馬達，鋼制轉子與橡膠定子采用1:2頭配置(常規(guī)螺桿泵動力工具是多瓣式)，這種配置較常規(guī)多頭配置提供了更大的腔室容積，可獲得更高的旋轉速度。但該部分并不需要產(chǎn)生扭矩，因此承壓小，不易失效。閥總成由一個振蕩閥總成和一個固定閥總成組成，振蕩閥總成接在容積式馬達轉子下端，固定閥總成固定安裝在工具下接頭頂端。當轉子旋轉時，振蕩閥總成以近似直線的運動軌跡前后掃動，振蕩閥總成的運動導致流過固定閥總成的鉆井液形成周期性阻礙，總的過流面積從最大變化到最小，從而在鉆柱中產(chǎn)生預期的壓力脈沖，脈沖頻率與流率成比例關系，它會引起鉆柱上下雙向運動。振動發(fā)生部分通常位于動力激發(fā)部分上端，將壓力脈沖轉化成機械運動。振動發(fā)生部分有一個靠彈簧承托的心軸，心軸在鉆桿內(nèi)部壓力和環(huán)空壓力之間實現(xiàn)密封，當內(nèi)壓作用在內(nèi)部的密封區(qū)域，推動芯軸擴張;當壓力減小，彈簧將芯軸推回初始位置，由此心軸完成一次上下振動。振動發(fā)生部分的工作沖程范圍一般為3.18～9.53mm(1/8″～3/8″)，軸向振動始終保持鉆柱處于連續(xù)脈動狀態(tài)，從而達到降低鉆柱與井眼靜摩擦、改善鉆壓傳遞和減少扭矩波動的目的。
良好的應用效果
美國頁巖氣鉆井應用：美國的頁巖層大多屬于堅硬研磨性夾層，鉆進過程中會導致鉆具的嚴重振動、形成彎曲井眼、定向與水平井段摩阻很高等問題，在 Haynesville頁巖直井眼段鉆進期間經(jīng)歷了大范圍振動，造成了各種不同鉆柱組件的損壞、過低的ROP(鉆機時間的損失導致鉆井成本升高)、鉆頭壽命短造成的起下鉆次數(shù)增多以及更換設備等問題。對一套井下馬達驅動的固定翼鉆頭鉆具組合，以4.69m/h(15.4ft/h)的平均機械鉆速鉆進了 457.81m(1502ft)長的井段，之后由于摩阻太高，ROP逐漸減低到3.66m/h(12ft/h)，被迫起鉆，將一只鉆井振蕩工具接到了 BHA中，極大降低了摩擦阻力，采用同樣的鉆頭、同樣的馬達，得以繼續(xù)鉆進到639.47m(2098ft)，鉆到了中完深度，平均機械鉆速為 5.67m/h(18.6ft/h)，進尺提高了28%，ROP提高了40%。
定向造斜段與水平段應用：在阿曼的一口井上，常規(guī)滑動(不帶軸向振動減阻工具)鉆進到2850m，最終的1.2h內(nèi)發(fā)生了多次泵壓波動和懸重(大鉤載荷)波動，影響到了工具面的控制，馬達導向以滑動鉆進模式無法繼續(xù)進行，把該工具接到了距鉆頭大約250m的位置，從2929m開始實行滑動鉆進，定向司鉆順利完成了后續(xù)的滑動鉆進，而且鉆壓平穩(wěn)、泵壓恒定，機械鉆速隨鉆壓增大獲得明顯提高。
直井(傳統(tǒng)旋轉鉆井)應用：在阿曼的一口井，212.73mm(8 3/8″)和311.15mm(12 1/4″)直井段鉆壓傳遞困難，鉆進受阻。使用該工具，其產(chǎn)生的軸向振動能夠輔助整個鉆柱順利通過潛在的掛卡點，鉆壓傳遞得到了明顯改善，由此卡滑現(xiàn)象減少，延長了鉆頭壽命，鉆壓更加平穩(wěn)。從實際使用效果來看，212.73mm(8 3/8″)井眼中機械鉆速比鄰井提高60%，311.15mm(12 1/4″)井段鉆頭壽命增加、起下鉆換鉆頭趟次減少、鉆進天數(shù)減少、機械鉆速達到了某些鄰井的兩倍。
除了以上應用外，分析某井區(qū)域的19次運行：其中8次有軸向振動減阻工具，11次沒有軸向振動減阻工具。所有的運行都在相同的地層中，使用相同的PDC鉆頭進行，并且被放置在離鉆頭75ft之內(nèi)，效果對比如圖。沒有軸向振動減阻工具的平均效果——鉆速22.5ft/hr，鉆進深度1076ft;有軸向振動減阻工具的平均效果——鉆速30.0ft/hr，鉆進深度1272ft，軸向振動減阻工具提升了鉆速33%，提升了每個鉆頭進尺數(shù)18%。
軸向振動減阻工具
應用前景廣闊
軸向振動減阻工具的良好使用需要滿足各項操作參數(shù)的要求，并在使用前后了解作業(yè)工況，及時調整以發(fā)揮該工具的性能。
該工具具有如下特點：軸向振動減阻工具產(chǎn)生BHA溫和的低頻低幅振動，這種微弱連續(xù)的軸向振動打破了靜態(tài)摩擦并且消除了扭轉振動，其產(chǎn)生的結果是消除了重量堆積，使重量轉移到鉆頭的效果很好，因而增加了鉆速和鉆頭壽命。該工具在使用中發(fā)生的損壞通常由過量橫向振動引起，鉆探面的不均勻使得鉆頭在旋轉過程中發(fā)生彈跳，沖擊力反向傳遞至鉆井工具串，被該工具吸收。因此使用該工具應避免鉆頭齒端硬質合金破損從而延長鉆頭壽命，并避免鉆機及工具串承受過量載荷。
目前國內(nèi)尚無企業(yè)推出此類產(chǎn)品，進行軸向振動減阻工具的研究開發(fā)，具備良好的應用前景，對于完善多項特殊鉆井技術有重要意義。
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