频率可调式脉冲钻井提速工具的研制和应用

欧阳勇 周文军 徐自强 黄占盈

（1.长庆油田油气工艺研究院，陕西西安 710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西西安 710018）

长庆苏里格西区致密气藏延长组、刘家沟组和太原组地层岩石可钻性大部分在5.5 左右，属中硬地层，其地层可钻性相对较差，机械钻速较低［1-2］。严重制约了苏西区块的整体开发进展，使钻井成本大大超出投资计划。因此，寻找新的、高效的破岩技术，对实现苏里格气田的规模有效开发、配套形成致密气藏低成本主体开发技术具有重要意义。

高压喷射钻井技术自问世以来，在提高钻头进尺和机械钻速等方面，都取得了突破性进展，到目前为止，该项技术已由地面增压发展为井下增压，由连续射流发展为空化射流，更加有利于破碎岩石和表面清洗，为高效快速钻井开辟了广阔的前景［3-7］。然而，长期以来该技术与配套工具技术服务费用高昂，不利于长庆油气田的低成本开发战略。为提高钻井速度，降低施工成本，形成自主知识产权技术，2011年长庆油田油气工艺研究院联合中国石油集团公司钻井院研制出适用于苏里格西区致密气藏的频率可调式脉冲钻井提速工具，现场实验应用2 口井，有效提高机械钻速20%以上。

1 技术分析

1.1 结构特点

频率可调式脉冲钻井提速工具由外壳体、涡轮动力系统、脉冲调制系统、谐振脉冲系统组成，结构如图1 所示。外壳体外形为圆柱体，内有阶梯状通 孔。外壳体上部螺纹用于工具与上部钻井管柱连接，下部螺纹直接与钻头相连；涡轮动力系统包括轴承、上固定孔板、导流叶片、配合筒、下固定孔板、中心轴；脉冲调制系统包括转动密封块、偏心轴、周期导流板；谐振脉冲系统主要包括谐振脉冲腔，其外形为圆柱体，中心有阶梯通孔，孔为圆形，直径逐渐减小。

图1 频率可调式脉冲提速工具结构

1.2 设计原理

工具将机械强制脉冲与自激振荡脉冲相结合，将常规连续的钻井液流动转换成脉冲流动。脉冲流动能有效提高钻头破岩能力，同时避免岩屑重复破碎，并可使井底产生周期性负压，从而提高钻头破岩效率［8］。

工作时，钻井液通过工具涡轮动力系统时冲击涡轮叶片，导流叶片改变了钻井液的流动方向，同时导流叶片在流体冲击作用下带动涡轮中心轴旋转，中心轴带动转动密封块旋转，当转动密封块与脉冲调制系统的静阀板流动重合时，转动密封块与流道孔间配合形成密封，此时钻井液的流动通道被完全切断，导致压力瞬时升高，随着旋转，转动密封块与流动孔间的密封消失，钻井液能通过流道通孔继续向下流动，使压力降低，如图2 所示，转动密封块与静阀板流通孔间形成周期性密封，这种周期性的密封使原本连续流动钻井液变成周期性的脉冲流体。该流体流经谐振脉冲腔时，脉冲射流的脉冲幅值进一步放大，射流冲击力进一步增强［9-10］。

图2 静阀与动阀

1.3 主要技术指标

总长度：810 mm；外径：Ø177.8 mm；扣型：NC46（4A10）×Ø114.3 mm；重量：93 kg；井下工作时间：＞100 h；工具压降：1.5～2.5 MPa；压力脉冲：2～4 MPa；井眼直径：Ø215.9 mm。

2 室内实验

针对研制的频率可调式脉冲钻井提速工具进行了低频、中频和高频3 种频率室内实验研究，通过实验室设备相似模拟测定工具的脉冲频率和脉冲幅值，如图3 所示。整个测试系统集成在一个控制电脑上，通过测量工具上部安装传感器的压力，数据采集系统获取传感器的数据。通过数据处理获取钻井液流动的脉冲频率和脉冲幅值。

图3 频率可调式脉冲钻井提速工具室内实验示意图

室内实验结果表明，不同脉冲频率的工具随流量变化趋势基本相同，即随着钻井液流量增加，频率逐渐升高。从频率变化趋势可看出，在流量增加初始阶段，脉冲频率急剧增加，随后流量进一步增加，频率增加趋势变缓；不同脉冲频率的工具脉冲幅值随流量变化趋势也基本相同，随着流量的增加，脉冲幅值增加；在相同的流量情况下，低频率工具的脉冲幅值最大，高频工具的脉冲幅值最小，中频工具的脉冲幅值居中，如图4 所示。

图4 钻井液流量对工具频率的影响

实验结果表明，研制的频率可调式脉冲钻井提速工具在钻井液以一定的流量通过时，能够将连续流动改变为具有一定频率和幅值的脉冲流动，使其在井底产生高速水力脉冲射流、局部负压效应，从而更好地改善井底流场、提高井底净化能力和辅助破岩，达到提高机械钻速的效果，满足现场提速工作要求。

3 现场应用

2011 年11 月，研制的频率可调式脉冲钻井提速工具在苏里格西区现场应用2 井次，苏120X-3A-9B 井平均提高机械钻速22.1%，苏AX-21B-5C 井平均提高机械钻速21.6%。以苏120X-3A-9B 井为例，该井位于内蒙古自治区鄂托克前旗，设计为直井，井深3 798 m，根据邻井资料显示，该区块井深2 950～3 500 m 地层存在泥岩与砂砾岩互层，地层研磨性强，岩石可钻性差，机械钻速较慢，因此选择在此层位下入提速工具。工具入井106 h，纯钻84.8 h，试验井段2 925～3 411 m，累计进尺486 m，平均机械钻速为5.73 m/h。起钻后工具表面无明显损伤，内部结构完好。

钻井组合：Ø215.9 mmPDC+Ø177.8 mm 频率可调式脉冲钻井提速工具+4A11×410SUB+Ø177.8 mmNMDC×1+Ø177.8 mmDC×1+Ø213 mmSTAB× 1+Ø177.8 mmDC×13+Ø127 mmDP。

钻井参数：钻压120 kN，转速40 r/min，排量32 L/s，立压14 MPa。

钻井液性能：密度1.05 g/m3，漏斗黏度45 s，塑性黏度11 mPa·s，失水10 mL，滤饼厚度0.5 mm，pH值9，含砂0.3%。

取该区块距离苏120X-3A-9B 井最近的2 口井苏120X-3E-6F 井与苏120X-9C-8D 井资料做对比，两井在同一地层平均机械钻速分别为4.72 m/h、4.67 m/h，使用频率可调式脉冲提速工具平均机械钻速相比两井分别提高了21.4%、22.7%。

4 结论与建议

（1）研制出了适合苏里格西区中深井下部较硬地层Ø215.9 mm 井眼的频率可调式脉冲钻井提速工具。

（2）频率可调式脉冲钻井提速工具能有效提高机械钻速，现场应用2 井次，与同区块、同地层相比，平均机械钻速提高20%以上。

（3）频率可调式脉冲钻井提速工具现场应用平均入井时间大于100 h，起出后工具新度80%，说明工具能够满足现场作业要求。

（4）配合提速工具使用的PDC 钻头复合片磨损均匀，均属于正常磨损，无崩齿、掉齿现象，说明该工具产生的水力脉冲振动不会对钻头造成伤害。

（5）进一步优化提速工具工作参数，获得更佳提速效果，并在二开不适用螺杆井段推广试验频率可调式脉冲钻井提速工具。

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