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當(dāng)前，頁巖氣等非常規(guī)資源已成為能源開發(fā)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。頁巖既是天然氣生成的源巖，也是聚集和保存天然氣的儲(chǔ)層和蓋層。一方面頁巖氣藏的儲(chǔ)層氣流的阻力比常規(guī)天然氣大，所有井都需要實(shí)施儲(chǔ)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(chǔ)量豐富，一旦實(shí)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(guó)頁巖氣的開采取得了一定的成果，但還未形成成熟的技術(shù)。水平鉆井、水力壓裂等先進(jìn)技術(shù)推動(dòng)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?dāng)?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(dòng)大段斜井或水平井眼中的鉆柱，會(huì)導(dǎo)致鉆柱發(fā)生自鎖，使得泥漿馬達(dá)滑動(dòng)鉆進(jìn)、鉆柱與完井管柱的下入、鉆進(jìn)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(dòng)的WOB會(huì)導(dǎo)致鉆頭的瞬間無規(guī)律沖擊，降低其壽命。隨著復(fù)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?jiǎn)栴}、實(shí)現(xiàn)有效的鉆壓傳遞、減少滑動(dòng)鉆進(jìn)期間的鉆具拖拉現(xiàn)象、減少馬達(dá)制動(dòng)現(xiàn)象、對(duì)提高工具面的控制能力并最終實(shí)現(xiàn)提速增效具有重要意義。
美國(guó)NOV下屬Andergauge開發(fā)了軸向振動(dòng)減阻工具，用于解決此類問題，應(yīng)用于滑動(dòng)鉆進(jìn)、連續(xù)管作業(yè)都取得了很好的效果，后又成功應(yīng)用于直井、馬達(dá)導(dǎo)向鉆井、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井、大位移井、頁巖氣儲(chǔ)層鉆井等。
設(shè)計(jì)精準(zhǔn)結(jié)構(gòu)完善
軸向振動(dòng)減阻工具由動(dòng)力激發(fā)部分、閥總成和振動(dòng)發(fā)生部分3個(gè)部件組成，動(dòng)力激發(fā)部分是一個(gè)容積式馬達(dá)，鋼制轉(zhuǎn)子與橡膠定子采用1:2頭配置（常規(guī)螺桿泵動(dòng)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(zhuǎn)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(gè)振蕩閥總成和一個(gè)固定閥總成組成，振蕩閥總成接在容積式馬達(dá)轉(zhuǎn)子下端，固定閥總成固定安裝在工具下接頭頂端。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，振蕩閥總成以近似直線的運(yùn)動(dòng)軌跡前后掃動(dòng)，振蕩閥總成的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)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(yù)期的壓力脈沖，脈沖頻率與流率成比例關(guān)系，它會(huì)引起鉆柱上下雙向運(yùn)動(dòng)。振動(dòng)發(fā)生部分通常位于動(dòng)力激發(fā)部分上端，將壓力脈沖轉(zhuǎn)化成機(jī)械運(yùn)動(dòng)。振動(dòng)發(fā)生部分有一個(gè)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(shí)現(xiàn)密封，當(dāng)內(nèi)壓作用在內(nèi)部的密封區(qū)域，推動(dòng)芯軸擴(kuò)張；當(dāng)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(dòng)。振動(dòng)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(dòng)始終保持鉆柱處于連續(xù)脈動(dòng)狀態(tài)，從而達(dá)到降低鉆柱與井眼靜摩擦、改善鉆壓傳遞和減少扭矩波動(dòng)的目的。
良好的應(yīng)用效果
美國(guó)頁巖氣鉆井應(yīng)用：美國(guó)的頁巖層大多屬于堅(jiān)硬研磨性夾層，鉆進(jìn)過程中會(huì)導(dǎo)致鉆具的嚴(yán)重振動(dòng)、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(jìn)期間經(jīng)歷了大范圍振動(dòng)，造成了各種不同鉆柱組件的損壞、過低的ROP（鉆機(jī)時(shí)間的損失導(dǎo)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(shè)備等問題。對(duì)一套井下馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的固定翼鉆頭鉆具組合，以4.69m/h（15.4ft/h）的平均機(jī)械鉆速鉆進(jìn)了457.81m（1502ft）長(zhǎng)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(dá)，得以繼續(xù)鉆進(jìn)到639.47m（2098ft），鉆到了中完深度，平均機(jī)械鉆速為5.67m/h（18.6ft/h），進(jìn)尺提高了28%，ROP提高了40%。
定向造斜段與水平段應(yīng)用：在阿曼的一口井上，常規(guī)滑動(dòng)（不帶軸向振動(dòng)減阻工具）鉆進(jìn)到2850m，最終的1.2h內(nèi)發(fā)生了多次泵壓波動(dòng)和懸重（大鉤載荷）波動(dòng)，影響到了工具面的控制，馬達(dá)導(dǎo)向以滑動(dòng)鉆進(jìn)模式無法繼續(xù)進(jìn)行，把該工具接到了距鉆頭大約250m的位置，從2929m開始實(shí)行滑動(dòng)鉆進(jìn)，定向司鉆順利完成了后續(xù)的滑動(dòng)鉆進(jìn)，而且鉆壓平穩(wěn)、泵壓恒定，機(jī)械鉆速隨鉆壓增大獲得明顯提高。
直井（傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)鉆井）應(yīng)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(jìn)受阻。使用該工具，其產(chǎn)生的軸向振動(dòng)能夠輔助整個(gè)鉆柱順利通過潛在的掛卡點(diǎn)，鉆壓傳遞得到了明顯改善，由此卡滑現(xiàn)象減少，延長(zhǎng)了鉆頭壽命，鉆壓更加平穩(wěn)。從實(shí)際使用效果來看，212.73mm（8 3/8″）井眼中機(jī)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(jìn)天數(shù)減少、機(jī)械鉆速達(dá)到了某些鄰井的兩倍。
除了以上應(yīng)用外，分析某井區(qū)域的19次運(yùn)行：其中8次有軸向振動(dòng)減阻工具，11次沒有軸向振動(dòng)減阻工具。所有的運(yùn)行都在相同的地層中，使用相同的PDC鉆頭進(jìn)行，并且被放置在離鉆頭75ft之內(nèi)，效果對(duì)比如圖。沒有軸向振動(dòng)減阻工具的平均效果——鉆速22.5ft/hr，鉆進(jìn)深度1076ft；有軸向振動(dòng)減阻工具的平均效果——鉆速30.0ft/hr，鉆進(jìn)深度1272ft，軸向振動(dòng)減阻工具提升了鉆速33%，提升了每個(gè)鉆頭進(jìn)尺數(shù)18%。
軸向振動(dòng)減阻工具應(yīng)用前景廣闊
軸向振動(dòng)減阻工具的良好使用需要滿足各項(xiàng)操作參數(shù)的要求，并在使用前后了解作業(yè)工況，及時(shí)調(diào)整以發(fā)揮該工具的性能。
該工具具有如下特點(diǎn)：軸向振動(dòng)減阻工具產(chǎn)生BHA溫和的低頻低幅振動(dòng)，這種微弱連續(xù)的軸向振動(dòng)打破了靜態(tài)摩擦并且消除了扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，其產(chǎn)生的結(jié)果是消除了重量堆積，使重量轉(zhuǎn)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(dòng)引起，鉆探面的不均勻使得鉆頭在旋轉(zhuǎn)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(yīng)避免鉆頭齒端硬質(zhì)合金破損從而延長(zhǎng)鉆頭壽命，并避免鉆機(jī)及工具串承受過量載荷。
目前國(guó)內(nèi)尚無企業(yè)推出此類產(chǎn)品，進(jìn)行軸向振動(dòng)減阻工具的研究開發(fā)，具備良好的應(yīng)用前景，對(duì)于完善多項(xiàng)特殊鉆井技術(shù)有重要意義。
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