水力振荡器+大功率螺杆在吉木萨尔的应用及分析

吴德胜，黄 瑞，张 楠，王巧灵，赵 恺

（1.新疆油田分公司工程技术研究院，新疆 克拉玛依 834000；2.中国石油大学（北京）克拉玛依校区石油学院，新疆 克拉玛依 834000）

吉木萨尔凹陷芦草沟组埋藏深度为3000～4500m，厚度为100～320m，面积约为1300 km2，其页岩油井控储量达到11.30×108t，技术可采储量为1.10×108t，资源潜力巨大［1］。芦草沟组地层岩性主要为白云质砂岩、白云岩，地层胶结致密，可钻性级值6～7级，研磨性4～6级，研磨性强，可钻性差，机械钻速低，钻井周期长。目前，国内非常规油气藏水平井多采用旋转导向工具作为提速工具，但存在数量有限、价格昂贵的问题。为落实油田建产计划，需优选一种可替代旋转导向工具的低成本提速钻具组合［2］。

1 水力振荡器+大功率螺杆钻具组合

1.1 水力振荡器

1）水力振荡器结构及工作原理。水力振荡器包括脉冲发生器及轴向推进器两部分。脉冲发生器包含驱动马达总成及脉冲阀总成，分别含有旁通阀、螺杆及偏心凸轮、动阀体、定阀体五大配件；轴向推进器则由上接头、振动体、脉冲活塞、防掉接头、碟簧激振机构和外壳体六部分组成［3］。

在钻井液作用下，工具产生径向振动和轴向推力，使静摩擦转变为动摩擦，并产生高频低幅振动，从而实现降低摩阻，解决托压问题，提高机械钻速。

2）水力振荡器使用性能。水力振荡器能有效地降低摩阻、提高机械钻速的作用，已在国内外得到广泛地现场验证。Al-Buali M等对科威特地区水平段钻进使用水力振荡器分析得到，使用该工具水平段最大可钻进长度比不使用时长500多米，摩擦系数减小26%左右。张茂林等对吉木萨尔地区采用水力振荡器进行水平段钻进的情况进行分析，发现使用该工具时滑动钻进机械钻速提高48.16%，复合钻进机械钻速提高15.28%。

1.2 大功率螺杆

螺杆钻具主要由旁通阀总成、马达总成、万向轴总成及传动轴总成四个部件组成。该钻具工作时，钻井液携带水力能经螺杆转动转换为钻头输出的机械能。钻井过程中，钻头转速及钻压与机械钻速正相关，提高机械钻速需提高钻头转速与钻压。基于此思想，吉木萨尔页岩油区块引进一种大功率螺杆，其采用新型高性能橡胶配方，使用纳米材料补强橡胶性能，提高螺杆输出功率，其室内对比实验结果如表1所示。

表1 普通橡胶螺杆和大功率橡胶螺杆的性能参数

由表1可看出，该大功率螺杆马达承压能力更高、转动损失更小、承压能力更高，同时大压差时转速比普通橡胶的高，输出功率高。

2 现场应用及效果分析

2.1 现场应用统计分析

目前，吉木萨尔地区水平段钻进已使用普通螺杆、大功率螺杆、国产水力振荡器结合大功率螺杆及旋转导向工具作为井下动力钻具，对各类工具使用效果进行统计，结果见图1。

图1 使用不同工具时的机械钻速

由图1可知，浅层二开水平井水平段使用大功率螺杆结合水力振荡器时，平均机速达到8m／h，相对于仅采用大功率螺杆提速100%，略低于旋转导向工具的平均机速8.6m／h；深层三开水平井水平段使用大功率螺杆结合水力振荡器时，其平均机速为5.5m／h，分别提速14.6%、96.4%，旋转导向工具仍具有最好的提速效果，平均机速为8m／h。结果显示，浅层二开水平井中水平段采用大功率螺杆结合水力振荡器基本能替换旋转导向工具，钻进效果远好于仅采用大功率螺杆或普通螺杆；深层三开水平井中水平段采用大功率螺杆结合水力振荡器时，钻进效果同样远优于仅采用大功率螺杆或普通螺杆，但低于旋转导向工具。

2.2 典型井例分析

1）单井水平段不同工具使用实际效果分析——以J10028_H井为例。

J10028_H井钻至3595m后，开始水平段钻进，至5550m完钻。水平段钻进过程中，前后分别采用了大功率螺杆钻具、旋转导向工具及水力振荡器结合大功率螺杆钻具组合进行提速，该井水平段瞬时机速见图2。

图2 J10028_H井水平段瞬时机速

由图2可看出，水力振荡器结合大功率螺杆作为井下动力工具提速效果较好，相对于仅采用大功率螺杆钻具，钻速提高了126.4%；相对于旋转导向工具，钻速提高了20.6%。在J10028_H井水平段钻进阶段，大功率螺杆结合水力振荡器作为井下动力工具，提速效果最好。

2）典型井——JHW01022井水平段水力振荡器+大螺杆钻具组合实际使用效果分析。

JHW01022井同样为该区二开水平井，水平段采用水力振荡器+大功率螺杆提速组合钻进。该井水平段一趟钻完钻，钻进过程顺利，实际进尺1646m，平均机速高达9.6m／h。相关钻井参数：钻压上限提高至120kN，排量为28～32L／s，泵压为21～26MPa，转盘转速上限提高至80r／min，钻头仍为该区应用效果较好的KS1652DGRX。该井的钻具组合：Φ215.9mmPDC钻头 +Φ172mm单弯螺杆（1.25°， Φ212mm 扶 正 器 ）+LWD+MWD+Φ127mm无磁承压钻杆（1根）+Φ127mm加重钻杆（3根）+随钻震击器+Φ127mm加重钻杆（3根）+Φ127mm斜坡钻杆（18根）+水力振荡器+Φ127mm斜坡钻杆（180根）+Φ127mm加重钻杆（27根）+Φ127mm钻杆。该井水平段实现“一趟钻”完钻，且平均机械钻速达到9.6m／h，水力振荡器的降摩阻效果、大功率螺杆的提速优势充分展现，客观说明该区二开水平井水平段采用水力振荡器+大功率螺杆导向组合可替代旋转导向。

3 结论

1）水力振荡器及大功率螺杆的提速作用机理互补，两者配合使用提速效果更优。吉木萨尔页岩油区块现场实践表明：浅层二开水平井水平段使用大功率螺杆结合水力振荡器提速效果最好，可替代旋转导向工具；而深层三开水平段，该钻具组合同样具备一定的提速效果，但与旋转导向工具相比仍有一定差距。2）典型井实例表明，水力振荡器结合大功率螺杆具备优于旋转导向工具的使用潜力，且可实现1500m左右水平段“一趟钻”，可为同类非常规油藏水平井提速提供借鉴。