基于摩阻和振蕩力的水力振蕩器安放位置計算方法

王建龍，于志強，鄭永鋒，張雯瓊，郭 菲，陳祖紅，白金銀

(1.中國石油集團 渤海鉆探工程技術研究院，天津 300450； 2.中國石油集團 渤海鉆探工程有限公司第一鉆井分公司，天津 300280； 3.中國石油集團 渤海鉆探工程有限公司第四鉆井分公司，河北 任丘 062550)

水力振蕩器是目前緩解定向托壓最有效的方法之一[1-6]。在大斜度井、大位移井、水平井等復雜結構井中應用越來越廣泛，也取得了較好的應用效果[7-10]。大量的現場應用數據表明，安放位置對工具應用效果影響較大。本文基于摩阻和振蕩力，建立了安放位置計算模型，并利用模型制作了優選圖版，方便現場應用。現場應用效果表明，該方法確定的安放位置，能較好地兼顧摩阻和工具的振蕩力，充分發揮了工具的作用。

1 水力振蕩器概述

水力振蕩器由振蕩短節和脈沖短節組成，如圖1所示。脈沖短節是產生壓力波動的機構，主要由螺桿、動閥盤和定閥盤組成；振動短接是產生激勵振動的機構，主要由碟簧組、活塞、密封總成組成。

圖1 水力振蕩器結構示意

水力振蕩器產生的振蕩力與壓力脈沖和活塞有效截面積成正比。

F=p×S×10-4

(1)

式中：F為水力振蕩器產生的振蕩力，kN；p為水力振蕩器產生的脈沖壓力，MPa；S為活塞的有效截面積，mm2，若為兩級活塞，則活塞的有效面積為兩個活塞的面積之和。

若要提高振蕩力，則需提高壓力脈沖或活塞面積。壓力脈沖與閥盤尺寸、鉆井排量、鉆井液密度、鉆井液黏度等參數有關。通常采用縮小閥盤尺寸或提高鉆井排量2種方式提高壓力脈沖。活塞面積主要與活塞的級數有關，國內外主要有一級和兩級活塞2種水力振蕩器。目前，國內外為了降低水力振蕩器的壓耗，且保證振蕩力不變，多采用兩級活塞水力振蕩器。

2 安放位置計算

安放位置直接決定了水力振蕩器的應用效果。若安放位置距離鉆頭過遠，工具產生的振蕩力小于滑動摩阻fμ1，則無法振動，無應用效果；若安放位置距離鉆頭過近，工具產生的振蕩力遠大于滑動摩阻fμ2，則振蕩力未充分利用，摩阻降低比例有限，應用效果將大打折扣。如圖2所示。

圖2 水力振蕩器緩解定向托壓示意

研究結果表明，水力振蕩器的振蕩力與滑動摩阻是決定安放位置的關鍵的參數。水力振蕩器合理安放條件如式(2)，即，工具產生的振蕩力F大于等于滑動摩阻fμ。

(2)

式中：fμ為鉆柱與井壁之間的摩阻，kN；G為鉆柱在鉆井液中的浮重力，kN；μ為鉆柱與井壁間的摩阻系數，一般取值0.2～0.35；θmax為水力振蕩器應用井段最大井斜角，(°)。

國內外常用的水力振蕩器產生的振蕩力為30～60 kN。基于該振蕩力和底部鉆組合等參數，繪制了安放位置優選圖版，方便現場應用。按照127 mm加重鉆桿180 m+127 mm鉆桿若干的鉆柱組合和摩阻系數0.3，計算出振蕩力、井斜角、合理安放位置關系，并制作出圖版，如圖3所示。

由圖3可見，隨著振蕩力增加，安放位置與鉆頭的距離增加；隨著井斜角的增加，安放位置與鉆頭的距離縮短。

圖3 水力振蕩器合理安放位置與井斜角、振蕩力關系

3 現場應用

近兩年，在大港、華北、冀東等油田，利用該計算方法確定了87口井水力振蕩器安放位置，緩解定向托壓效果顯著，如圖4所示。該方法計算的水力振蕩器安放位置一般距鉆頭150～350 m，提速效果在45%～150%。

以大港油田某A井為例，該井是一口三段制定向井，設計井深3 912 m，最大井斜角67.14°。該井鉆進至3 555 m時，滑動鉆進托壓值150～200 kN，滑動鉆時45～70 min，鉆具托壓頻繁釋放，導致工具面跳動、蹩泵，需頻繁活動鉆具，定向困難。為此，自3 555 m下入水力振蕩器，后續為65～68°穩斜段，所用水力振蕩器振蕩器力40 kN，確定安放位置距離鉆頭185 m。 工具入井之后應用情況如表1。

圖4 水力振蕩器安放位置與應用效果統計

表1 大港油田A井水力振蕩器應用情況

工具入井后，共滑動36.55 m，滑動鉆進平均機械鉆速4.21 m/h，行程鉆速2.55 m/h；對比本井3 480～3 550 m未使用井段，滑動鉆進平均機械鉆速1.53 m/h，行程鉆速0.86 m/h，機械鉆速提高169.8%，行程鉆速提高196.5%。

4 結論

1) 水力振蕩器產生的振蕩力與閥盤尺寸和活塞面積有關，閥盤尺寸越小、活塞面積越大，振蕩力越大。國內外常用水力振蕩器振蕩力30～60 kN。

2) 水力振蕩器的安放位置隨著振蕩力的增加而增大，隨著井斜角的增大而減小。綜合考慮振蕩力和摩阻，一般安放在距離鉆頭150～350 m效果較好。

3) 大港、華北和冀東等油田87口井應用水力振蕩器，提速效果在45%～150%。表明基于摩阻和振蕩力計算方法確定安放位置是可行的。