淺談水力振蕩器在焦頁57—5HF井的應用

羅遠明

摘 要 在重慶涪陵焦石壩區塊大規模開發頁巖氣水平井定向施工過程中出現嚴重的托壓、粘卡現象，尤其在滑動鉆進過程中，無法保證給鉆頭施加真實、有效的鉆壓。為此，利用了水力振蕩器。應用效果分析表明，水力振蕩器在水平井中應用，把單純的機械式加壓改為機械與液力相結合的加壓方式，為鉆頭提供了有效、真實的鉆壓，提高了機械鉆速，縮短了鉆井周期。

關鍵詞 頁巖氣 水平井 托壓 水力振蕩器

重慶涪陵焦石壩區塊蘊含著豐富的頁巖氣資源，井型均為長水平段水平井。由于該區塊水平井井眼軌跡復雜、位移大、水平段長，在鉆井過程中，井下摩阻扭矩大，PDC鉆頭定向托壓問題突出，嚴重影響了定向機械鉆速和鉆井時效。為此，技術人員進行了大量針對性研究。

除了增加鉆井液性的潤滑性能，常規減小鉆柱摩阻和扭矩等方法，主要是優化井眼軌跡、鉆具組合及鉆井液性能，但實鉆效果并不是很明顯。而水力振蕩器是將滑動鉆進時鉆具與井壁之間的靜摩阻轉變為動摩阻，使得滑動鉆進中鉆具與井壁間的摩阻明顯降低，減少鉆具托壓現象。

一、水力振蕩器的結構及工作原理

（一）結構及工作原理

焦頁57-5HF井使用的是美國國民油井公司生產的水力振蕩器。水力振蕩器（AGT）主要由三部分組成：①動力部分；②閥門和軸承系統；③配套振蕩短節。剛性的由鉆桿單根連接成的管柱使用振蕩短節，撓性的管柱則不適用振蕩短節。

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井底鉆具組合（BHA）與井眼之間的摩阻，這就意味著水力振蕩器可以在所有的鉆進模式中，特別是在有螺桿的定向鉆進過程中改善鉆壓的傳遞，減少扭轉振動，明顯提高機械鉆速，省時省力。

（二）與現有定向工具的兼容性

在鉆進過程中，水力振蕩器振動頻率和MWD、LWD系統不同，不會影響MWD、LWD的信號，水力振蕩器可以和MWD、LWD配套使用。水力振蕩器的蠕動距離一般在3～10mm，蠕動頻率一般小于25Hz，其工作原理與動力鉆具有類似之處，水力振蕩器可以和動力鉆具協同使用，不會對動力鉆具造成破壞。由于水力振蕩器減小了鉆進時鉆具與井壁間摩阻扭矩，使得鉆壓更加均勻、穩定，可以避免鉆具應力過度集中在某一井段，有助于降低鉆具事故風險。水力振蕩器不會對鉆頭造成破壞，無論牙輪鉆頭還是PDC鉆頭均可與其配合使用，延長了鉆頭使用壽命。

二、水力振蕩器的現場應用

（一）焦頁57-5HF井概況

焦頁57-5HF井是部署在川東南地區川東高陡褶皺帶包鸞-焦石壩背斜帶焦石壩構造的一口長水平段開發水平井，目的層是上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組下部頁巖氣層段。該井第一次開鉆采用Φ406.4mm鉆頭鉆至702m，第二次開鉆采用Φ311.2mm鉆頭鉆至2908m，第三次開鉆采用Φ215.9mm鉆頭鉆至完鉆井深4919m。水平段長1633m（含口袋30m），設計造斜點1700m，實際定向點井深1520m。

（二）水力振蕩器的應用

焦頁57-5HF井二開在連續扭方位井段、三開水平段使用了水力振蕩器。

二開連續扭方位一開始使用常規定向鉆具組合進行定向，鉆具組合為Φ311.2mm PDC+1.25°螺桿+Φ127mm無磁承壓鉆桿+LWD無磁懸掛Φ127mmHWDP。因為連續扭方位工作量大，隨著井深的增加，摩阻、扭矩逐漸增大，上提摩阻最大40t，下放摩阻最大16t。復合鉆進及劃眼時經常憋停頂驅，滑動鉆進托壓、憋泵現象頻繁發生，定向施工基本無法進行。為有效克服定向鉆進中的托壓現象，提高二開井段的鉆井速度，下入水力振蕩器。鉆進過程中PDC鉆頭定向托壓現象明顯改善，扭矩波動恢復正常，連續滑動鉆進143m，機械鉆速6.26m/h，極大提高了定向機械鉆速，減小了井下復雜情況發生的概率。

三開水平段施工中，由于地質情況復雜、地層傾角變化大，兩次鉆出目的層（龍馬溪），需要強增斜重新進入氣層。造成水平段前期軌跡調整幅度大，導致鉆具上提下放摩阻大，定向憋泵頻繁，托壓嚴重，定向造斜率低，無法滿足導向施工要求。為滿足地質導向需求，保證定向施工的正常進行，下入水力振蕩器。鉆具組合為：Φ215.9mm PDC+ 1.25°單彎螺桿+Φ212mm扶正器+Φ127mm無磁承壓鉆桿+LWD懸掛短節+Φ127mmHWDP +水力振蕩器+Φ127mmDP+Φ127mmHWDP。鉆進過程中PDC鉆頭定向施工順利，無明顯托壓現象，機械鉆速高，順利鉆至完鉆井深。

本井在完鉆之后將鉆具全部取出，對鉆頭進行清洗、檢查、丈量，發現鉆頭外徑基本無磨損，復合片無明顯損傷。

（三）水力振蕩器的效果評價

焦頁57-5HF井使用常規定向鉆具組合與應用水力振蕩器+單彎螺桿鉆進相比，應用水力振蕩器井段的平均機械鉆速與牙輪相比提高了194%，與僅使用PDC+單彎螺桿相比提高了43%。

三、結語

在大位移井及水平井應用水力振蕩器，能夠減小鉆具與井壁間的摩阻，提高鉆井施工的鉆壓傳遞效率，能夠很好地解決PDC鉆頭定向托壓的難題。

與常規螺桿定向鉆井技術相比，在焦石壩區塊應用PDC+單彎螺桿+水力振蕩器技術，可以大幅度提高定向機械鉆速，縮短鉆井周期，具有良好的經濟效益。