煤层气顶板泥岩造穴工具研制及应用

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(渤海钻探工程技术研究院，河北 任丘 062552)①

在煤层气井开采中,为了保证羽状分支井钻井中主水平井与抽排井轨迹的交汇，消除已经发生的煤层部位的地层损害，并在井眼周围形成大面积含有大量张性裂缝的卸载区，用以提高井眼周围割理裂缝的渗透性，使井眼与地层之间实现有效连通而达到增产的目的，常采用裸眼洞穴完井[1-4]。然而，裸眼洞穴存在井壁不稳定、容易坍塌，给后续施工及排采带来诸多难题。为此，华北油田首先在山西沁水盆地开展了煤层气顶板泥岩造穴的先导试验，在特殊的U型、E型井中，为了降低主井眼和洞穴井的连通难度，也便于后续排采，常采用顶板泥岩造穴[5-6]。由于顶板泥岩地质致密，导致在该处进行造穴作业时造穴工具磨损严重，造穴效率低下，传统的煤层造穴工具常出现刀翼断裂等安全事故，不适合于顶板泥岩造穴。为此，渤海钻探工程技术研究院在传统的煤层造穴的基础上，研发了一种由水力喷射和机械破岩复合而成的单翼造穴工具，并通过现场试验，不断的完善、改进，最终形成了一套成熟的顶板泥岩造穴技术，为山西煤层气的勘探开发提供了有力的技术支撑。

1 工具的结构及工作原理

顶板泥岩造穴工具主要由本体、心轴、刀翼3部分构成，其结构如图1所示。作业示意图如2所示。

图1 造穴工具结构示意

图2 造穴工具作业示意

本体连接钻杆，并为工具的旋转提供转矩。心轴主要起连接刀翼与本体的作用，且其上部有水流通道，能够让水流流到刀翼内。刀翼上均布有一圈切削齿。施工时，首先打开泥浆泵，钻井液沿着工具中的液流通道到达刀翼，从刀翼的水眼流出。在水眼处水流的反作用力下，刀翼逐渐向上抬起，切割上部套管及地层，开始造台阶。当刀翼完全张开后，开施加钻压钻进，直至造好洞穴。由于顶板泥岩地层坚硬，造穴施工作业分两步进行，第1步：下入DBZXQ-300型造穴工具，将洞穴位置处的玻璃钢套管与水泥环清理干净，并造出直径300 mm的洞穴；第2步：下入DBZXQ-600型造穴工具，将直径300 mm的洞穴扩大为600 mm。

2 工具的技术参数

单翼造穴工具根据工作时的效果不同分为切割玻璃钢和水泥环的锻铣工具和切割地层的造穴工具2种。这2种工具的技术参数如1表所示。

表1 单翼造穴工具主要技术参数

3 力学参数计算

单翼造穴工具的力学结构计算主要包括2部分：钻井液流经造穴工具后的压降大小及水流对刀翼的反作用力大小。

3.1 钻井液流过造穴工具后的压降

钻井液流经水眼时的节流压降计算公式为：

Δp=0.082 7×ρ×Q2/d4

(1)

式中：ρ为钻井液密度，g/cm3，取ρ=1 g/cm3；Q为单翼造穴工具工作时泥浆泵排量，L/s；d为水眼直径，cm，初步选定为d=1.6 cm。

分别选取单翼造穴工具实际工作排量为：3.5、7.0、10.0、14.0、21.0 L/s，计算其工作压降，如表2。

表2 单翼造穴工具理论计算喷嘴压降

3.2 水流对刀翼的反作用力计算

单翼造穴工具开始造穴前，需要在初始位置造1个台阶。由于初始造台阶时无法加压，只能靠水流对刀翼的上推力来实现上部地层施压，故推力的大小亦决定了造台阶的快慢。水流对刀翼的反作用力为：

F=ρ×πd2×v2/4

(2)

式中：F为水流对刀翼的反作用力，N；ρ为钻井液密度，kg/m3，取ρ=1×103kg/m3；v为钻井液流速，m/s。

钻井液流速v取决于水眼直径与泥浆泵排量，排量分别取值3.5、7.0、10.0、14.0、21.0 L/s时，计算其反作用力F，如表3所示。

表3 不同排量下的水流反作用力

以造穴直径300 mm的造穴工具的刀翼尺寸为基准,计算刀翼在自身重力作用下的力矩值。

计算刀翼以心轴为中心旋转时的力矩为：

M=M1-M2=(m1-m2)g×L=2.7

(3)

式中：M为力矩，N·m；m1为刀翼转动大端质量，kg；m2为刀翼转动小端质量，kg；L为刀翼重心离转动中心的距离,m。

计算刀翼在水流作用力下的力矩为：

M3=F3×L3

(4)

式中：F3为水流的反作用力；M3为水流作用力矩；L3=0.105 m。

分别带入不同的作用力值，计算得力矩如表4所示。

表4 作用力与力矩的关系

由表3～4可以看出，当泥浆泵排量为3.5 L/s时，计算所得的力矩值为32.2 N·m，远大于刀翼自身在重力作用下的力矩值2.7 N·m，能够满足造穴工具的使用要求。通常，井队所用泥浆泵最小排量为7 L/s，此时的力矩值为128.63 N·m,该值远大于2.7 N·m。所以，单翼造穴工具在喷嘴直径为16 mm、排量为7 L/s的情况下能够顺利抬起，且对上部地层的切削力能够满足造台阶的要求，即能够适应现场需求。

4 单翼造穴工具技术特点

1) 单翼造穴工具起下容易、可靠。工具未开启或收回后刀杆处尺寸不大于本体外径，可以保证造穴工具工作完毕后，顺利通过上层套管。

2) 单翼造穴工具打开和收回简单，安全可靠。工具的打开是靠泥浆流经刀翼水眼时在水流的反作用力下推动刀翼张开；工具的收回则是停泵后刀翼在自身重力作用下下垂，自动收回，不会存在因为刀翼变形而无法回收的现象。

3) 自上而下的作用方式利于加压钻进。单翼造穴工具正常工作时与钻井工序一致，也是需要不断的加压钻进，有利于钻井过程的控制，且可根据地层地质结构的不同来调节钻压大小。

4) 单翼造穴工具结构简单，安全可靠。单翼造穴工具的结构主要分为3部分，结构简单可靠，且由于单刀翼的缘故，当工具钻遇硬地层时具有自动向中间收缩的柔性，安全性高，不易发生复杂事故。

5 技术改进

顶板泥岩造穴工具首先在郑1平-4v井得到了应用。该井由井队应用煤层造穴工具进行造穴作业，连续下钻3次，由于地层太硬导致两套造穴工具报废，造穴失败。之后应用顶板泥岩造穴工具后，前后也下钻11次才最终完成造穴施工。鉴于此，技术人员通过分析、总结，对顶板泥岩造穴工具及施工工艺作出了防磨、防偏心改进措施，主要包括在施工工艺上匹配螺旋式稳定器及钻挺，对工具磨损严重区域通过嵌入钢钉、堆焊硬质合金等措施，解决了工具磨损严重的问题，实现了重复利用。

6 应用

郑试1平-4v2井位于山西沁水盆地，是一口洞穴排采井，为了后续的施工作业，需要在煤层上面顶板泥岩上进行造穴，并根据设计要求，确定洞穴位置685.4～691.4 m，洞穴直径600 mm,洞穴深度6 m。

井口试验工具张开正常后，下入DBZXQ-300型造穴工具，原地切割4 h后，返出岩屑中见不少玻璃纤维，试加压30 kN成功，后加钻压10 kN钻进，转速45 r/min，排量 15 L/s，泵压5 MPa，后一趟钻共计14.5 h完成锻铣施工，整个过程顺利。起出工具整体基本完好。

锻铣施工完成后，连接DBZXQ-600型造穴工具。首先井口试验，刀翼正常抬起后，下钻。原地切割2 h后，试加压30 kN，造台阶成功，将转速提高至45 r/min，排量 15 L/s，泵压5 MPa，以钻压20 kN钻进，共计19 h，造穴1.77 m。之后，因为在焊接高压管线的过程中使用的毛巾掉进水龙带中未被发现，开泵后堵在工具水眼中。起钻观察，工具的下刀尖磨损比较严重。重新下入一套新的工具，钻压2.5～30.0 kN，转速45 r/min，共计22.3 h，造穴4.23 m，累计造穴6 m，造穴位置685.4～691.4 m，起出工具，其本体背面及底部磨损比较严重，刀臂基本完好。

7 结论

1) 郑试1平-4v2井的现场试验表明，单翼造穴工具是一种有效的顶板泥岩造穴工具，能够保证洞穴所需的尺寸。

2) 针对顶板泥岩造穴技术难点，对顶板泥岩造穴工具及施工工艺作出的防磨、防偏心改进措施取得了预定的效果，减少了工具磨损，修复后可重复利用，降低了成本。

3) 单翼造穴工具结构简单，性能安全可靠，克服了顶板泥岩地层致密，研磨性强的困难，能够同时满足煤层、顶板泥岩造穴的需要，并能用于盐井造穴，应用前景广阔。

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