水力振蕩器與井眼清潔工具集成緩解托壓技術研究

王建龍， 陶成學， 王志玲， 胡安智

(1中石油集團渤海鉆探工程有限公司工程技術研究院 2中國石油青海油田分公司采油四廠 3中國石油集團渤海鉆探工程有限公司定向井技術服務分公司 4塔里木油田公司工程技術部)

定向鉆井過程中，由于井斜角大、穩斜段長，導致鉆柱與井壁間摩阻大；另外，當井斜角超過一定值后會在井眼下井壁堆積形成巖屑床，這就導致鉆柱與井壁間的摩阻進一步增大[1-2]。上述兩方面原因導致了定向時托壓嚴重，定向效率低。

目前，常用的震動減阻、機械清除巖屑床、添加潤滑劑等單一的方法，緩解大斜度井定向托壓效果非常有限。因此，為了有效解決大斜度井定向托壓問題，本文提出了水力振蕩器與井眼清潔工具集成緩解托壓技術。G1603井現場試驗結果表明，該集成技術能有效解決大斜度井定向托壓問題，大幅提高了定向效率。

一、技術原理

水力振蕩器與井眼清潔工具集成緩解托壓技術，主要是從兩個角度降低摩阻：①利用井眼清潔工具破壞井斜角大于45°井段的巖屑床，減少鉆柱與井壁的接觸面積，降低摩阻；②利用水力振蕩器產生的軸向震動，實現鉆柱與井壁間的摩阻由靜摩阻向動摩阻的轉化，從而降低摩阻。實鉆數據表明，兩者共同作用，可以使滑動摩阻降低40%～55%。

井眼清潔工具是一種帶有槽道的、具有清潔作用的短鉆桿，如圖1所示。

圖1 井眼清潔工具示意圖

這種特殊設計的槽道結構，可以產生機械效應和流體力學效應。井眼清潔工具的高邊可以將沉積在下井壁的巖屑挖起來，并將它們向上輸送；鉆井液流經槽道結構時，在槽道中可以形成渦流，可以將巖屑吸入槽道，并向上推舉。在機械和流體力學作用下，可以將已形成的巖屑床清除掉，并能預防新的巖屑床在下井壁沉積。

水力振蕩器是一種震動減阻工具，主要由脈沖短節和振蕩短節組成，如圖2所示。鉆井液通過脈短節時產生壓力脈沖，驅動振蕩短節內的活塞和碟簧結構，使振蕩短節產生軸向振動，進而帶動附近鉆具振動，使定向時鉆柱與井壁間的靜摩阻變為動摩阻，增強鉆壓傳遞的有效性[3-6]。

二、關鍵參數優選圖版

水力振蕩器與井眼清潔工具集成緩解托壓技術的關鍵是水力振蕩器的安放位置和井眼清潔工具的安放個數及間隔距離。為方便現場應用，建立了關鍵參數優選圖版。

圖2 水力振蕩器系統結構示意圖

1.水力振蕩器安放位置圖版

水力振蕩器安放位置距鉆頭太遠，工具無法正常起震，起不到緩解托壓的作用；距鉆頭太近，會影響定向測斜儀器強度和測量精度，而且摩阻降低率有限，無法有效緩解托壓。因此，需要根據每口井的實際情況，綜合考慮優化出最優安放位置。

采用水力振蕩器安放位置計算軟件模擬與現場實踐相結合的方法，建立了大斜度井不同井斜角條件下，水力振蕩器的推薦安放位置圖版，具體如圖3所示。隨著井斜角的增加，水力振蕩器推薦安放位置距鉆頭距離增大。井斜角在55°～80°范圍內，推薦安放位置在220～400 m之間。

圖3 大斜度井水力振蕩器推薦安放位置圖版

2.井眼清潔工具的個數及間隔距離圖版

井眼清潔工具的個數及間隔距離主要由最大井斜角、造斜率、工具有效作用距離、工具長度、底部鉆具組合長度等決定[7-9]。

采用理論分析和現場實踐相結合的方式，擬合出了大斜度井不同井斜角條件下，井眼清潔工具的個數及間隔距離，具體如圖4所示，隨著最大井斜角的增加，井眼清潔工具的安放個數增加。當最大井斜角50°～60°時，至少需要安放4只井眼清潔工具；當最大井斜角70°～80°時，至少需要安放5只井眼清潔工具。

圖4 大斜度井井眼清潔工具推薦安放個數和間隔距離圖版

三、現場試驗

G1603井是一口在大港油田實施的一口三開大斜度定向井，設計井深3 011 m，設計最大井斜角65°。該井三開鉆進至2 581 m時，井斜角達到66.1°，地面返砂困難，滑動摩阻超過100 kN，定向出現嚴重的托壓問題，鉆具上提附加拉力超過150 kN，滑動行程鉆速僅為1.65 m/h。軟件預測結果顯示，該井最大巖屑床厚度達到18 mm，懸浮巖屑體積超過6%。

為了有效緩解該井滑動鉆進托壓問題，同時下入了水力振蕩器和井眼清潔工具，從圖版中優選關鍵參數如下：水力振蕩器距離鉆頭280 m；井眼清潔工具下入5只，具體安放位置(距離鉆頭)分別為：185、283、439、708、962 m。

本次工具入井總進尺430 m，下鉆至井底，正常鉆進時，滑動摩阻較未下入前降低23.5%左右；兩個循環周以后，震動篩返砂量大幅增加，相同進尺條件下，返砂量是下入前的375%，此時的摩阻再次下降10.4%；總滑動摩阻由原來的100 kN下降至66.1 kN。

工具入井之后，定向時未出現托壓問題，滑動行程鉆速由原來的1.65 m/h提高至2.72 m/h，提高65.2%；滑動平均機械鉆速由原來的4.14 m/h提高至5.45 m/h，提高31.5%。

四、結論

(1)水力振蕩器與井眼清潔工具集成緩解托壓技術，能有效的降低大斜度井滑動摩阻，緩解定向托壓，提高滑動鉆進效率。

(2)隨著井斜角的增加，水力振蕩器推薦安放位置距鉆頭距離增大，井斜角在55°～80°范圍內，推薦安放位置在220～400 m之間。

(3)隨著最大井斜角的增加，井眼清潔工具的安放個數增加。當最大井斜角50°～60°時，至少需要安放4只井眼清潔工具；當最大井斜角70°～80°時，至少需要安放5只井眼清潔工具。