水力振蕩器在定向井中應用的實踐探索

劉秋霞，胡家森

（中石化西南石油工程有限公司廣西鉆井分公司，廣西南寧530023）

水力振蕩器在定向井中應用的實踐探索

劉秋霞*，胡家森

（中石化西南石油工程有限公司廣西鉆井分公司，廣西南寧530023）

隨著石油天然氣開發定向井規模日益增大，定向井水平井在滑動鉆進時，托壓、粘卡嚴重，如何提高滑動鉆進鉆壓傳遞的有效性，減少鉆具與井壁間的靜摩擦，一直是待解決的技術難題。詳細說明了水力振蕩器的機械振動理論，該工具是以鉆井液作為動力源，驅動水力振蕩器軸向運動帶動井下鉆柱沿軸向振動，可以將鉆具與井壁之間的靜摩擦轉變為動摩擦。通過13口井是否使用振蕩器進行對比分析，使用水力振蕩器鉆進確實可以適當解決受到地層因素影響的問題，井斜也容易控制，水力振蕩器可以使常規的鉆具組合克服定向鉆進過程中遇到的常見問題，能夠提高機械鉆速，縮短鉆井周期。

水力振蕩器；定向井；實踐探索；使用優勢

1　定向井的特點

近年來，隨著鉆井技術的不斷發展，石油天然氣開發定向井規模日益增大，尤其是大位移井、長水平段水平井總量與日俱增。在水平井鉆井過程中，鉆具在井眼曲率較大的井段，或在過長水平段會產生較大摩阻、托壓現象，無法有效施加鉆壓，并且在定向段普遍具有低孔、致密、非均質性強等地質特征，因此造斜井段普遍存在嚴重的托壓、粘卡、鉆頭對工具面控制力差、鉆壓無法有效且真實地傳遞至鉆頭等現象，嚴重制約了鉆速和鉆井效率的進一步提高，成為阻礙水平井順利開發的問題。國內外油田開展了優化井眼軌跡、井筒潤滑劑、剛性扶正器等研究，目前還不能經濟有效地解決水平段摩阻大、托壓等問題。

2　水力振蕩器的使用優勢

2.1工具結構

水力振蕩器主要由動力部分、閥門和軸承系統、配套部分（振蕩短節）3個機械部分組成，如圖1所示。

2.2工作原理

圖1　水力振蕩器工具結構圖

工具的動力部分是由一個2∶1的馬達組成，馬達轉子的下端固定一個閥片，所以流體通過動力部分時，驅動心軸轉動，由于螺桿的特性，末端在一個平面上往復運動（稱之為動閥片）。與動力部分連接的是閥門和軸承系統，主要部件就是耐磨套和一個固定的閥片——定閥片，動閥片和定閥片緊密配合。由于轉子的轉動，導致2個閥片相錯和重合相錯和重合就導致上流的壓力發生變化，期性相對運動造成流體流經工具的截面積（最大值和最小值）周期性的變化。動力部分使上游壓力周期性的變化作用在彈簧短節上，就形成彈簧短節不斷的壓內在的彈簧，形成振動。

水力振蕩器通過自身產生的縱向振動來提高鉆進過程中鉆壓傳遞的有效性和減少底部鉆具與井眼之間的摩阻，這就意味著水力振蕩器可以在各種鉆進模式中，特別是在使用動力鉆具的定向鉆進中改善鉆壓的傳遞，減少鉆具組合粘卡的可能性，減少扭轉振動。

隨著大位移井數量的增加和水平位移的不斷延伸，其鉆進模式面臨著更大的挑戰，水力振蕩器通過簡單有效的方式解決這個難題，提出了一個獨特而又有效的途徑。平穩的鉆壓傳遞，甚至在方位角變化很大的復雜地層中，提高對鉆頭工具面的調整能力，以使鉆達更遠的目的層；在鉆進中不需過多的工作來調整工具面，保持工具面的穩定，提高機械鉆速。

2.3工作優勢

水力振蕩器在工作狀態中，具有其獨特的優勢。首先，工作產生的振動不會破壞MWD、LWD工具和干擾系統信號，減少橫向振動和扭轉振動，鉆具組合中可以在MWD工具的上下，位置比較自由，不會對鉆頭和管柱產生振動破壞。其次，工具和鉆頭有很強的兼容性，可以和牙輪鉆頭和有固定鑲齒鉆頭儀器使用，產生的振動不會對鉆頭切削齒產生破壞，同時也不會破壞牙輪鉆頭的軸承，延長PDC鉆頭使命壽命（鉆進過程中小鉆壓的傳遞）。再次，水力振蕩器工作防止鉆壓集中和對工具面的控制，改善滑動鉆進過程中鉆壓的傳遞方式，改善鉆壓傳遞過程中鉆桿的壓縮量，加強定向鉆進。

3　水力振蕩器現場應用實例

3.1鉆井組合

綜合國內外水力振蕩器的使用分析，目前在8-1/2″和12-1/4″井眼中使用水力振蕩器的幾率最高，主要因為8-1/2″和12-1/4″井眼處在定向段、水平段的可能性遠遠高于其它尺寸的井眼。水力振蕩器安放在距離鉆頭150～500m之間，以300m左右居多。

各尺寸水力振蕩器使用鉆井組合具有普遍性，以8-1/2″井眼為例，使用的基本鉆具組合如下：8-1/2″PDC鉆頭+6-3/4″螺桿+6-1/2″浮閥+接頭+6-3/4″LWD（Neoscope675）+6-3/4″MWD（Telescope）+6-3/4″NMDC+6-3/4″（F/J+JAR）+5″加重鉆桿+6-3/4″水力振蕩器+5″鉆桿+接頭+5-1/2″鉆桿。

3.2地面組合測試

在鉆臺組合工具時，不可在水力振蕩器動力部分施加外力，包括坐卡瓦、安全卡瓦、上/卸扣等。水力振蕩器安放位置視具體情況而定，振蕩短節直接接在振蕩器之上。在地面進行功能測試，振蕩短節振蕩頻率與流量成正比，在地面測試中，其產生的振動或許會使整個鉆具發生強烈的振動，為安全起見，盡可能使用較低的排量，盡量降低其振蕩頻率。

在地面測試中以能觀察到振蕩短節的蠕動即止，蠕動范圍在3～10mm之間。如果工具之下的鉆具組合相對較輕，必須達到一定的排量才能驅動工具工作。

3.3鉆進操作原則

開始鉆進時，不宜過大，應逐漸加壓，找到一個機械鉆速最快的最佳契合點（最優值），然后保存該鉆壓鉆進，切勿期望值過高。在滑動工況，第一次滑動，先將排量提起來，再逐漸加壓；在復合工況，也要注意鉆壓，不宜過大。

水力振蕩器在小鉆壓鉆進中，可有效地消除鉆具重量在井壁某段的聚集效應，如使用大鉆壓鉆進，振動短節的彈簧將受到壓縮，這樣就會降低工具的使用效果。在井斜較小的井眼鉆井中，水力振蕩器應安放在受壓位置（中性點以下），以避免跳鉆發生。

3.4工具使用基本情況

3.4.1水力振蕩器在渤海灣、川西使用的效果

（1）以中海油服公司、渤海鉆探公司在渤海灣一帶施工的井，使用水力振蕩器的效果如表1所示。

（2）以四川鉆井公司在川西施工的井，使用水力振蕩器的效果如表2所示。

3.4.2水力振蕩器使用效果分析

（1）根據表1數據，代號1、2、5、6、7井為同組井位，具有很強的可比性。在水力振蕩器的使用中，1號井累計進尺567m，總機械鉆速41.45m/h；2號井累計進尺696m，總機械鉆速36.15m/h。相比之下5、6、7井沒有使用水力振蕩器，5號井累計進尺604m，總機械鉆速23.87m/h；6號井累計進尺680m，總機械鉆速16.09m/h；7號井累計進尺676m，總機械鉆速17.56m/h。通過對比，使用水力振蕩器的1號井總機械鉆速比沒有使用水力振蕩器的6號總機械鉆速提高了157.61%，使用水力振蕩器機械鉆速有了質的提高。這5口井相對比，使用水力振蕩器的2號井滑動鉆進機械鉆速最高為23.33m/h，比未使用水力振蕩器滑動鉆進機械鉆速為6.51m/h的7號井，機械鉆速提高了258.37%。

根據表1數據，代號3、4、8為另一組相似井位，也具有較強的可比性。3號井累計進尺717m，總機械鉆速10.58m/h；4號井累計進尺987m，總機械鉆速29.91m/h；8號井累計進尺642m，總機械鉆速9.27m/h。3、4號井使用了水力振蕩器，8號井未使用水力振蕩器，4號井的總機械鉆速比8號井提高了222.65%。這3口井滑動鉆進鉆速提速更加明顯，4號井19.69m/h的滑動機械鉆速遠遠大于8號井的3.64m/h。

（2）根據表2數據顯示，馬蓬23-3HF、新沙21-28H井使用水力振蕩器，總機械鉆速和滑動機械鉆速都有一個層次的提高。馬蓬23-3HF井使用水力振蕩器從井深1390m鉆至1733m，其中累計滑動鉆進進尺為221m，純鉆時間為50.8h，滑動機械鉆速為4.4m/h。與同井場2口未使用水力振蕩器的鄰井馬蓬23-1H井、馬蓬23-2H井相比，在機械鉆速上大大的提高。馬蓬23-3HF井配合使用水力振蕩器后，鉆具發生周期性震蕩，基本消除了托壓現象，滑動時工具面穩定，調整工具面時間大幅減少，綜合平均機械鉆速比鄰井最高紀錄提高了84.6%，滑動平均鉆速比鄰井最高紀錄提高了50%。

表1　水力振蕩器渤海區塊使用效果分析表

表2　水力振蕩器川西區塊使用效果分析表

新沙21-28H井使用水力振蕩器從井深2048m鉆至2468m，井斜從28.6°增至89°并進入水平段。其中累計滑動鉆進進尺為175m，純鉆時間為87.23h，滑動機械鉆速為2.01m/h，累計復合鉆進進尺為245m，純鉆時間為29.13h，復合機械鉆速為8.41m/h，總機械鉆速為3.62m/h。相對于沒有使用水力振蕩器的新沙21-27H井，該井段總機械鉆速為3.37m/h，比新沙21-28H井總機械鉆速低了7.4%，滑動機械鉆速低了3.1%。

（3）通過表1、表2的數據分析，使用水力振蕩器對提高機械鉆速具有良好效果。

4　認識和建議

根據渤海區塊8口井和川西區塊5口井的對比，對水力振蕩器的使用有如下認識：

（1）在這些區塊類似井段推廣水力振蕩器的使用，可以降低滑動和水平鉆進中的托壓現象，提高了機械鉆速，降低了鉆井周期，減少了鉆井事故發生的機率。同時，對其它區塊具有相似井身結構以及新區塊，推薦對水力振蕩器進行試驗，為定向鉆進找到有一個提高機械鉆速的途徑。

（2）水力振蕩器可與常規定向工具和儀器同時使用，不會對無線隨鉆信號產生不利影響，也不會對儀器和動力鉆具的使用壽命產生影響。

（3）在水平井鉆進過程中，通過水力振蕩器的作用，可使鉆壓緩慢地施加到鉆頭上，減小鉆頭與井底的沖擊，提高鉆頭使用壽命。

（4）軸向振蕩發生工具對井下鉆具無不利影響，對MWD、LWD信號傳輸不會產生干擾。

（5）水力振蕩器現場試驗表明，同一井段的滑動鉆進機械鉆速和復合鉆進機械鉆速均有不同程度的提高，鉆進摩阻減小，可在水平井鉆井中推廣應用。

（6）在定向鉆進施工中，對于使用水力振蕩器的井段，工具面穩定，減輕了鉆具在大斜度井段的摩阻，同時也形成了更好的井眼軌跡。在降低擺工具面時間和起下鉆頻率的同時，也有效地降低了下步施工中的風險，提高了綜合鉆井效益。

根據渤海區塊8口井和川西區塊5口井的施工情況，對水力振蕩器有如下幾點建議：

（1）水力振蕩器推薦的正常工作排量為25～38L/s，但由于高密度和井隊設備配套的影響，實際排量最大只能達到27L/s，僅達到水力振蕩器要求的排量下限多一點，在一定程度上也會影響水力振蕩器工作性能的充分發揮。在條件允許的情況下，推薦選用降低水頭損失的工具，如上部鉆具使用較大直徑的鉆桿（5寸半）以減少管內壓力損耗，在井下選用壓降較小的工具和測量儀器等。

（2）進一步改進水力振蕩器以降低工作壓耗，增大應用范圍。目前所用水力振蕩器工作壓降高達4～6MPa，如果使用動力工具配合，對鉆井泵要求較高，同時長期高壓作業造成的施工風險也急劇增大。

（3）進一步提高水力振蕩器部分零件的耐沖蝕性能，延長其使用壽命，更好地發揮其提速作用。

（4）在高密度鉆井液井段采用水力振蕩器時需要充分考慮鉆井設備的工作能力，避免因設備能力限制導致工具潛力不能正常發揮。

（5）根據水力振蕩器性能，若鉆進設備能夠滿足更高的泵壓條件，還可在鉆具組合上再串接1～2個振蕩器，提高克服鉆進的鉆具與井壁間摩阻扭矩的能力，提升大位移井和長水平段水平井延伸能力。

（6）水力振蕩器工具具備提高破巖效率、降低摩阻、防阻卡、增加鉆壓、提高鉆速、增加單只鉆頭進尺等功能。國內在旋沖鉆井、提高井身質量、降低摩阻、增加鉆壓等方面均做了大量研究，而且在這些單一研究方面跟國外存在一定差距；目前國內未見研發用于鉆井提速的同時具有改變破巖方式為旋沖破巖方式、形成光滑井眼軌跡、降低摩阻、增加鉆壓的水力振蕩器工具，重點在這個方向進行研究。

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TE921

B

1004-5716（2016）08-0082-04

2015-08-06

2015-08-07

劉秋霞（1975-），女（漢族），河南周口人，業務員，現從事鉆井工程技術生產信息收集管理工作。