水力脈沖軸向振蕩減摩鉆井技術分析

裴學良，張 輝，趙傳偉

(1.中國石油化工股份有限公司 勝利油田分公司，山東 東營 257017；2.中石化勝利石油工程有限公司 鉆井工藝研究院，山東 東營 257017)

目前，定向井、水平井、大位移井、多分支井的鉆井數量越來越多[1-5]。在鉆定向井和水平井時，鉆柱受到的摩擦阻力相當高，軸向力傳遞困難。軸向力無法傳遞的危害包括：長水平段鉆進時托壓、滑動鉆進時機械鉆速低、水平井段的井眼軌跡控制難度大，嚴重影響鉆進效率[6-9]。

多年以來，鉆井工作者一直在致力于井下降摩減阻鉆井技術的研究，例如，添加潤滑劑、采用防摩接頭、使用穩定器或水力加壓器等，這些方法都存在不足[10-11]。在井下管柱中連接水力脈沖軸向振蕩減阻工具，可以減小管柱與井壁之間的摩阻。相比其他方法，井下水力脈沖振蕩減阻技術具有很多優點：既可以用于常規管柱，也可以用于連續管；不受井眼形狀的限制；可以與其他措施同時使用。應用水力脈沖軸向振蕩減阻鉆井技術可有效降低滑動鉆進鉆具組合與井壁的摩擦力，并有效地改善鉆壓傳遞，進行定向滑動鉆進效果明顯，改善工具面的控制，有效地提高定向能力；減少井下扭轉、橫向振動，并提高機械鉆速，延長PDC鉆頭的使用壽命。因此，開展水力脈沖軸向振蕩減阻鉆井技術研究，對于促進鉆井速度的提高和大位移井的延伸能力，具有重要的實際意義。

1 水力脈沖軸向振蕩鉆井技術原理

水力脈沖軸向振蕩鉆井技術是將鉆井液的壓力脈沖液壓能轉化為機械能，通過鉆柱的軸向振動來減少鉆柱與井眼之間的靜摩擦力，從而改善鉆壓傳遞。鉆井液的一系列壓力脈沖是由水力振蕩器的盤閥部分產生的。

水力脈沖軸向振蕩鉆井技術能夠減阻的主要因素有：

1) 利用泥漿馬達進行定向滑動鉆進時，需要克服鉆具組合與井壁間的靜摩擦阻力。靜摩擦力通常遠高于動摩擦力，利用振動可以使滑動鉆進或連續油管作業時的靜摩擦因數減小到動摩擦因數大小，這樣可以大幅減小管柱與井壁間的摩擦阻力。

2) 井下管柱送鉆下入時的平均速度與管柱振蕩時產生的運動疊加，根據庫倫摩擦力定律，這會使管柱與井壁間的總摩擦力大幅度下降。

1.1 靜摩擦力與動摩擦力轉化減阻原理

應用物理學基本原理，可以解釋靜摩擦轉化為動摩擦后摩阻會降低[12]。

靜摩擦力的計算式為：

FS=μS×N

(1)

式中：FS為靜摩擦力；μS為物體間的靜摩擦因數；N為正壓力。

動摩擦力的計算式為：

FK=μK×N

(2)

式中：FK為動摩擦力；μK為物體間間的動摩擦因數。

對于任意相互接觸的物體，靜摩擦因數與動摩擦因數之間存在比例關系。通常，動摩擦因數是靜摩擦因數的75%。因此，動摩擦力可表示為：

FK=0.75μS×N

(3)

由此可知，動摩擦阻力為靜摩擦阻力的75%，并在運動過程中保持恒定不變。使鉆具維持動摩擦阻力狀態(軸向振蕩)比讓鉆具從靜止狀態開始運動更容易，這一結論將應用于軸向振蕩鉆井技術。

1.2 庫倫摩擦力定律減阻原理

針對鉆井復雜情況，通過疊加原理進一步解釋兩種類型摩擦阻力轉化與運動疊加會導致摩阻降低。當管柱受軸向振動時，振動速度會疊加到管柱入井速度上。水力振蕩器振蕩是按正弦變化，則瞬時速度v可表示為：

(4)

式中：vi為平均管柱入井速度；vυ為速度振蕩幅值；t為時間；T為振蕩周期。

庫倫摩擦力的平均摩擦力為：

(5)

式中：Tf、Tr分別表示正向和反向運動周期；F0為無振蕩時的摩擦力。

由式(5)可知：如果運動方向與周期振蕩的部分分量相反，有效摩擦力將減小；如果振蕩速度增強，下入速度減弱，減阻效果增強。由式(4)～(5)可以計算入口速度變化時(單一的速度振蕩幅值變化)摩擦力的減小幅度。當入口速度是振蕩速度值的1/2時，摩擦力減小為原來的約70%[10]。

綜上所述，軸向振蕩可以改變摩擦力的方向，當振蕩發生時，管壁上某一點會在一定振幅內來回振蕩，如果管柱的疊加運動速度方向改變，則摩擦力的方向也改變，從而減小了管柱與井壁間的總摩擦力。

1.3 水力脈沖軸向振蕩鉆井技術應用的鉆井模式

軸向振蕩鉆井技術適用于所有鉆進模式，應用軸向振蕩鉆井技術滑動鉆進，定向鉆進的效率便得到了大幅度地提高，利用將靜摩擦轉化為動摩擦這一簡單的概念，極大地減少了與托壓、彎曲、工具面控制、卡滑和機械鉆速偏低等有關的井下問題。

軸向振蕩鉆井技術不僅用于滑動鉆進，而且也能夠提高旋轉鉆進模式下的機械鉆速，原因是旋轉模式的鉆柱旋轉僅僅能將“旋轉”方向上的靜摩擦改變為動摩擦，軸向振蕩鉆具組合卻能夠將“軸向”方向上的靜摩擦改變為動摩擦，它比前者多轉化了一個“摩擦方向”上的靜摩擦，因此，使旋轉模式下的機械鉆速得到了提高[13-15]。

2 水力脈沖軸向振蕩減阻工具簡介

2.1 結構組成

水力脈沖軸向振蕩減阻工具主要由動力短節和振蕩短節2部分構成。動力短節主要由上接頭、外殼和內部流道體構成，如圖1a所示。其內部流道結構如圖1b(即沿工具軸線的截面圖)所示，主要由入口、射流流道、上分流流道、下分流流道、旋流腔、上反饋流道、下反饋流道以及出口組成。

圖1 動力短節及其內部流道結構示意

振蕩短節主要由碟簧、反饋活塞以及花鍵心軸等構成，如圖2所示。水力振蕩器工作時，水力脈沖轉化為機械能，軸向振蕩是通過振蕩短節(圖1)實現的，振蕩短節連接在動力短節之上，軸向振蕩是通過內部的蝶形彈簧吸收及釋放沖擊能量實現的。

圖2 振蕩短節結構示意

2.2 工作原理

鉆井液從入口進入射流流道，形成高速射流。由于附壁效應的存在，射流會偏向某一分流流道(圖3a為下分流流道)，然后進入旋流腔。射流沿旋流腔壁面形成逆時針方向的旋流(如圖3a)，鉆井液由旋流場的中心即出口排出。隨著旋流逐漸增強，部分液流進入上反饋流道，并到達射流流道出口端。當上反饋流道中液流速度達到一定值時，迫使射流出口處液流方向轉換，即液流開始從下分流流道進入上分流流道，由于上分流流道內液流方向與旋流方向相反，從而導致旋流強度開始減弱，直至逆時針旋流消失。然后，開始產生順時針的旋流(如圖3b)。隨著旋流逐漸增強，部分液流進入下反饋流道，并到達射流流道出口端。當下反饋流道中液流速度達到一定值時，迫使射流出口處液流方向轉換，即液流開始從上分流流道進入下分流流道，由于下分流流道內液流方向與旋流方向相反，從而導致旋流強度開始減弱，直至順時針旋流消失。至此，完成一個工作周期。一個工作周期中，旋流場變化為：出現(逆時針)→增強→最強→減弱→消失→出現(順時針)→增強→最強→減弱→消失。這導致該工具進出口壓力變化為：最小→增大→最大→減小→最小→增大→最大→減小→最小。可見，1個工作周期內產生2次壓力脈動。隨鉆井液的不斷流入，上述過程不斷重復，進而產生周期性的壓力脈沖。振蕩短節將水力脈沖能量轉換為軸向振動形式的機械能，當每個脈沖通過振蕩短節后，其恢復到原來的狀態。每次脈沖會產生3～9 mm的振幅(心軸軸向伸長距離)和大約39 kN的軸向力，足以將靜摩擦轉化為動摩擦，從而降低鉆柱與井壁、套管間的摩阻。

圖3 水力脈沖軸向振蕩減阻工具工作原理

3 性能測試及量化分析

目前使用多軸鉆井研究工具(DRT)測試井下工具的工作參數，其基于傳統的黑盒子動態記錄儀的技術，可記錄全套的與鉆井活動有關的數據，已被用于對各種井下現象的研究[3]。為了研究水力振蕩器在井下的工作情況，DRT安裝有一組傳感器，包括多軸加速度傳感器、載荷(鉆壓、轉矩、彎矩)傳感器、內部與外部壓力傳感器、溫度傳感器和轉速傳感器。DRT系統整體可承受126 MPa壓力和150 ℃的高溫。

3.1 井下數據記錄模式

DRT可同時以高速峰值模式(如圖4)和連續采集模式(如圖5)2種模式記錄數據。

1) 高速峰值模式。

監測到固定時間間隔的峰值數據全部存入記憶芯片中，可以對鉆井活動的詳細情況進行更加透徹的分析，例如基于頻率的分析。在圖4給出的記錄數據中，通過鉆頭鉆壓、內部壓力、軸向加速度的變化，清楚地表明了軸向振蕩發生工具的作用。從圖4中還可清楚地看到，軸向振蕩發生工具對徑向振動產生了一些輕微的影響，其它參數在整個鉆井過程中都相對恒定，峰值數據說明了內部壓力脈沖是如何影響到軸向加速度并使軸向振蕩發生工具對鉆頭加壓產生一個正面的影響，從而改善了系統的性能，但是對徑向加速度不產生影響。這些高頻率數據的峰值可以由事件驅動進行記錄，或者由時間觸發與分級評定系統控制進行記錄(這種情況只記錄那些最為強烈的事件)，這些處理特點增加了該記錄模式的智能化、記錄效率和合成性水平。

圖4 軸向振蕩工具工作情況下峰值模式數據示例

2) 連續采集模式。

該模式提供了鉆進從開始到結束的全過程的數據，所有在用頻道都按事先設定的時間間隔進行全套記錄。該模式最為重要的作用是提供一趟鉆全部鉆進活動的全部數據。

圖5 連續模式數據記錄示例

通過峰值模式與連續模式的結合，DRT可成為一個很好的研究工具，它不僅可提供鉆進期間詳細的井下情況的全景圖片，而且可提供按需要的時間間隔的峰值數據的分析。

3.2 數據的偏差度分析

由DRT記錄的統計數據提供了詳盡而全面的井下出現的鉆井活動的全景“圖片”，對于每一個來自于其傳感器的固定樣品窗口，可由工具的處理系統導出一套基本參數，這些參數包括各個數據頻道的最高的、平均的和標準的偏差度。因為鉆井行業利用該統計來了解與該信號有關的能量消耗量，因此，需要計算信號的偏差度。信號的標準偏差度是對一組數據偏離平均程度的度量，數據分散偏離的程度越高，標準偏差度就越高。根據加速度計測量到的振動信號，標準偏差度越高，圍繞標準值的信號變化就越強烈，這一點圖6和圖7給出了說明。表1則給出了2種示例的DRT工具計算得到的統計數據。

通過與這2種信號有關的統計分析可以發現，圖6中的振動信號比圖7中的振動信號具有沿平均值兩側更小的波動，因此，信號2(如圖7)偏差度遠大于信號1(如圖6)偏差度。此外，這2個信號的最高與平均偏差度所差無幾，這說明，在這種特殊的情形下，造成這2種信號差異的最為重要的因素是測量到的波動的次數，而不是信號本身振動的強度，波動頻次的增加會對作業環境產生潛在的負面影響，因此，對分析而言，標準偏差度往往會發揮很大的作用。

圖6 低標準偏差度信號的樣例

圖7 高標準偏差度信號的樣例

表1 示例信號統計

在鉆井工業中，通常的做法是將具有更高等級振動偏差度的信號劃為對井下鉆柱組件具有潛在破壞力的信號。通常認為，徑向振動(垂直于鉆柱軸線)是井下出現的最具破壞力的一類振動。鉆井使用的MWD工具有許多類型，它們對振動水平具有不同的要求。確定井下振動水平最為常用的辦法是記錄“波動”，每當井下出現25 g或更高的加速事件時，就會記錄到1次“波動”。MWD工具的可靠性是建立在室內“波動”次數驗證的基礎上，“波動”速度同樣重要，一般認為，每秒鐘“波動”速度少于10次是溫和的，每秒鐘10次以上是中等程度的風險，每秒鐘超過60次則具有能夠導致破壞發生的高風險。

4 現場試驗

2018-09，水力脈沖軸向振蕩減阻工具在羅斜73井進行了應用。羅斜73井是1口探井，構造位置是濟陽坳陷沾化凹陷四扣洼陷南部緩坡帶羅73斷塊較高部位，A靶垂深2 720 m，鉆探目的是了解四扣洼陷南坡羅73井區沙二段、沙四段含油氣情況。應用層位為東營組和沙河街組，試驗井段井深2 930～3 604 m。

第1趟鉆(不帶工具)采用滑動與旋轉鉆進模式，從井深2 841 m鉆到了2 930 m后起鉆；第2趟鉆，接上水力脈沖軸向振蕩減阻工具，下鉆到底，繼續鉆進到井深3 604 m。

數據分析的重點放在第1趟鉆的結束部分和第2趟鉆的開始部分，兩趟鉆鉆具組合的唯一差別是第2趟鉆接上了水力振蕩器，兩趟鉆振動信號的主要差別是：鉆頭不在井底時，軸向振動水平不一樣，這和預期的情況一樣，因為水力脈沖軸向振蕩減阻工具在啟動時振蕩強烈；鉆頭位于井底時，兩者的振動水平非常接近，只是由于工具的存在，軸向振動有輕微的增加。定量分析井下真實的水力脈沖軸向振蕩減阻工具和其它鉆柱組件之間的相互作用情況非常困難。該井為分析軸向振蕩減阻工具與其它鉆柱組件之間是如何相互作用的，以及軸向振蕩減阻工具是如何影響鉆井性能的提供了一定參考。

將每趟鉆地面記錄到的數據和DRT數據合并成一套數據并進行對比分析。如前所述，由于兩趟鉆的鉆具組合是完全一樣的，只是第2趟鉆在170 m的位置加入軸向振蕩減阻工具，因此，最具有對比性的數據是第一趟鉆結束部分的數據和第二趟鉆開始部分的數據，兩者井深幾乎相同，地層幾乎一致。此外，兩趟鉆的鉆進參數盡量保持一樣，這樣鉆進性能與井下動力學參數的任何改變則都可歸因于軸向振蕩減阻工具系統的加入而導致的，表2和表3給出了這兩趟鉆的施工數據。

表2 第1趟鉆最后井段的鉆進參數(不帶工具井段)

表3 第2趟鉆初始井段的鉆進參數(帶工具井段)

從上表可以看出，帶軸向振蕩減阻工具時，采取滑動模式鉆進時，只需要施加大約不帶軸向振蕩減阻工具63%的地面鉆壓，便可獲得與不帶軸向振蕩減阻工具相當的機械鉆速。原因是在帶有軸向振蕩減阻工具時，幾乎所有地面施加的鉆壓都傳遞給了鉆頭，對地面鉆壓與井下真實鉆壓進行比較，就會發現這種鉆壓傳遞的改善。不帶水力振蕩器的那趟鉆作業期間，由于鉆柱與井眼之間接觸而產生的摩擦力導致了大量地面鉆壓的損失，因此，即便在井斜很小的情況下，在采取滑動模式鉆進時，軸向振蕩減阻工具仍會極大地改善鉆壓的傳遞。當井斜更大時，軸向振蕩減阻工具系統的作用會更為明顯，這是因為需要越來越大的鉆壓來克服不帶軸向振蕩減阻工具情況下的靜態摩阻力。在鉆柱中不加軸向振蕩減阻工具的情形下，便會逐漸出現托壓現象，大位移井的鉆進更是如此。采取旋轉模式鉆進時，無論帶與不帶軸向振蕩減阻工具，90%的地面鉆壓都能傳遞給鉆頭。鉆柱中帶有軸向振蕩減阻工具且采取滑動鉆進時，80%的地面鉆壓可傳遞給鉆頭。鉆柱中不帶軸向振蕩減阻工具且采取滑動鉆進時，65%的地面鉆壓可傳遞給鉆頭。

在鉆柱中加入軸向振蕩減阻工具，減少了托壓現象及擺工具面的時間，工具面更穩定。軸向振蕩減阻工具對常規PDC鉆頭具有良好的適應性，既可改善鉆進效率，同時又不會對鉆柱的其它部分造成不利的影響。

5 結論

1) 理論分析表明，水力脈沖軸向振蕩減阻技術是將鉆井液產生的壓力脈沖轉化為振蕩機械能，使鉆柱與井眼之間的靜摩擦力轉化為動摩擦力，從而降低摩阻。該技術是一種適合石油鉆探的新型鉆井技術。

2) 現場應用及量化分析表明，軸向振蕩減阻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。

3) 水力振蕩器的設計制造、工具的適應性和匹配性研究是今后水力脈沖軸向振蕩減阻鉆井技術研究的重點方向。