一種海上油田鉆井用的水力振蕩馬達

劉書博

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300450）

1 水力振蕩馬達結構及工作原理

水力振蕩馬達由水力短節、液力馬達和鉆頭端3部分組成，圖1 所示。

圖1 水力振蕩馬達工具簡圖

鉆井水力振蕩馬達在旋轉提供扭矩的同時，產生高頻的縱向沖擊力來提高鉆進過程中鉆壓的傳遞及鉆進的效率。水力振蕩馬達將普通馬達產生的橫向振動，轉換成軸向的沖擊力，水力振蕩馬達裝有水力短節，產生的軸向力傳遞到馬達本體，馬達本體產生拉拽力帶動鉆柱高頻低幅向下蠕動，使工具產生最大的效率。水力振蕩馬達動力部分采用全新的加工工藝使其功率輸出大于普通馬達的25%以上，較普通馬達輸出扭矩更高。熱澆注模式制作的定子，完全消除了氣泡和應力，提升了定子的生產質量，精度控制精準，并確保了定子壽命[1-3]。利用一次成型技術制作而成的轉子，加工精度大幅提高，可以保證線型嚙合更好、輸出扭矩更大。

本工具適用于定向井、水平井、大斜度井的定向鉆進中緩解托壓及提速，復合鉆的提速，水力振蕩馬達和水力振蕩器相比軸向力直接來自于馬達本身，可以更好地穩定鉆壓的傳遞緩解托壓，因此具備更高的造斜率。

水力振蕩馬達工具參數如表1 所示。

表1 水力振蕩馬達工具參數

2 水力振蕩馬達優勢

2.1 井底鉆具組合最簡化

出于鉆井安全及提速考慮，鉆具組合越簡單對于鉆井安全及提速更有好處，應用水力振蕩馬達可以使井底鉆具組合最簡化，進而有效保障鉆井安全與時效。

2.2 具備提速和緩解托壓效果

對比鉆井水力振蕩器及馬達工作方式發現應用水力振蕩馬達可以有效抵御近鉆頭的沖擊[4]，即使托壓很嚴重底部也有少量動力工作，具備提速和緩解托壓的效果。尤其是在遇托壓很嚴重的井段更可以與水力振蕩器完美搭配組合，進而達到更好的提速及緩解托壓的效果。

2.3 能有效降低壓降，保護鉆井儀器

水力振蕩馬達因其特殊結構設計的沖擊方式可以使力量控制在馬達頂部以下，表現為靜沖擊[5-6]，這樣可避免對定向儀器造成損傷，此外水力振蕩馬達受到的壓降與其他鉆具組合相比至少能降低3 MPa 以上，有效保護了鉆井儀器。

3 水力振蕩馬達在渤海某油田中的應用

渤海X 油田為一個發育于邊界大斷層下降盤具有滾動性質的大型斷裂背斜構造，具有圈閉面積大、閉合幅度低、埋深中-淺等特點，油田內部被2 組北東—南西向的次級斷層分為北、中、南3 個斷塊。本次調整目標1#小層砂體、2#小層砂體主要分布在南塊，內部斷層不發育，整體均表現為北高南低的特征。構造高部位存在剩余油，故利用三口調整井以提高儲量動用程度；部分砂體內部注采井網不完善，生產井間存在剩余油，本次利用X1H/X2H/X3H 這3口調整井配合老井轉注，完善注采井網，挖掘井間剩余油。明化鎮組下段地層縱向上以泥包砂為主；橫向上河道砂體的連續性中等，主力油層分布在明化鎮Ⅴ油組，儲層厚度為4.0～9.0 m，具有高孔、高滲的特征。

3.1 水力振蕩馬達組合在X3H 井上的應用

渤海X 油田本批調整井均為井深2 500～2 800 m的水平井，三開Φ311.15 mm 井眼2500 m 左右著陸中完下入Φ244.475 mm 套管，四開Φ177.8 mm 井眼完鉆，其井型結構如圖2 所示。其中的典型代表井——X3H井三開Φ311.15 mm 井眼段長度2 106 m，采用了水力振蕩馬達+隨鉆測井工具組合。鉆具組合：Φ311.15 mmPDC 鉆頭+Φ244.475 mm 水力振蕩馬達（單彎1.1 5°/3 0 8 m m）+Φ2 0 3.2 m m F/Ⅴ+Φ2 7 9.4 m m S T B+Φ2 0 3.2 m m 測井工具+Φ203.2 mmNMDC+Φ203.2 mm（F/J+JAR）+X/O+Φ139.7 mmHWDP。鉆進至2 003 m 進行短起下鉆至上層套管鞋，循環攜沙，下鉆繼續鉆至中完井深。

圖2 渤海X 油田調整井井身結構示意圖

旋轉鉆進參數：鉆壓8～10 t，排量3 900 L/min，泵壓18.0～19.0 MPa，轉速70 r/min，扭矩22～26 kN·m。

滑動鉆進參數：鉆壓3～6 t，排量3 600 L/min，泵壓17.0～19.0 MPa；本井Φ311.15 mm 井段，裸眼進尺2 106 m，純鉆時間37.25 h，平均機械鉆速56.54 m/h。出井鉆頭檢查，復合金剛石片基本完好。

3.2 與同批次應用馬達旋轉導向鉆具組合、水力振蕩器馬達組合井對比

X1H 井Φ311.15 mm 三開先下入馬達+水力振蕩器鉆具組合，鉆具組合：Φ311.15 mmPDC 鉆頭+Φ24 4.4 7 5 m m 馬達（單彎1.1 5°/3 0 8 m m）+Φ203.2 mmF/Ⅴ+Φ292.1 mmSTB+Φ203.2 mm 測井工具+Φ203.2 mmNMDC+Φ203.2 mm（F/J+JAR）+X/O+Φ139.7 mmHWDP+Φ203.2 mm 水力振蕩器。

鉆進至1 912 m，倒劃眼起鉆，更換旋轉導向鉆具組合，鉆具組合：Φ311.15 mmPDC 鉆頭+Φ241.3 mm旋轉導向+Φ203.2 mm 測井工具+Φ203.2 mmNMDC+Φ203.2 mm（F/J+JAR）+X/O+Φ139.7 mmHWDP；下鉆繼續鉆至中完井深2 240 m 處。馬達水力振蕩器組合平均機械鉆速為79.51 m/h；旋轉導向組合平均機械鉆速為43.73 m/h；本井Φ311.15 mm 井段，裸眼進尺1 620 m，平均機械鉆速為61.62 m/h。

X2H 井Φ311.15 mm 三開先下入常規馬達鉆具組合，鉆具組合：Φ311.15 mmPDC 鉆頭+Φ244.475 mm馬達（單彎1.15°/308 mm）+Φ203.2 mmF/Ⅴ+Φ2 9 2.1 m m S T B+Φ2 0 3.2 m m 測井工具+Φ203.2 mmNMDC+Φ203.2 mm（F/J+JAR）+X/O+Φ139.7 mmHWDP。

鉆進至1 999 m，倒劃眼起鉆，更換旋轉導向鉆具組合，鉆具組合：Φ311.15 mmPDC 鉆頭+Φ241.3 mm旋轉導向+Φ203.2 mm 測井工具+Φ203.2 mmNMDC+Φ203.2 mm（F/J+JAR）+X/O+Φ139.7 mmHWDP，下鉆繼續鉆至中完井深2 300 m 處。常規馬達鉆具組合平均機械鉆速為65.48 m/h；旋轉導向組合平均機械鉆速為40.13 m/h；本井Φ311.15 mm 井段，裸眼進尺1 889 m，平均機械鉆速為52.8 m/h。

分析統計機械鉆速及鉆井周期發現（如表2所示），對比基本相同井型和井深的三口井，應用水力振蕩馬達鉆具組合的X3H 井一趟鉆發現至中完著陸井深，而X1H 井和X2H 井需要起鉆更換旋轉導向鉆具組合，兩趟鉆鉆至中完井深。應用水力振蕩馬達的X3H 井2 500 m 當量鉆井周期為6.59 d，比使用馬達+水力振蕩器鉆具組合的X2H 井提效18.4%，比使用常規馬達鉆具組合提效34.4%。

表2 機械鉆速及鉆井周期對比

3.3 鉆井參數對比

在相同井深垂深及鉆井液比例的情況下，三口井鉆井參數對比如表3 所示。從表中數據可知X3H 井與X1 H 井泵壓相近，但X3 H 井比X1 H 井排量多200 L/min，即水力振蕩馬達壓耗小于馬達水力振蕩器組合，鉆進時可以使用更大排量達到更高的環空反速；X3H 井旋轉鉆進時的機械鉆速也比X1H 井和X2H 井高，在保證滑動效果的情況下，減少鉆井周期。

表3 井深1 900 m 鉆井參數對比

4 效益及推廣前景

水力振蕩馬達可以替代馬達+水力振蕩器組合，簡化鉆具組合，減少井口組合鉆具時間，更簡化的鉆具組合也對提高鉆具井下安全和機械鉆速有很好的作用。水力振蕩馬達較常規水力振蕩器+馬達組合，振蕩效果直接作用于鉆頭，對上部精密的隨鉆測井工具振動損傷小，避免測井工具因振動失效而造成的非生產時間。

水力振蕩器馬達在渤海地區滑動鉆進中，能夠有效降低摩阻，改善拖壓情況，提高機械鉆速，大大縮短鉆井周期。使用水力振蕩馬達組合，可在渤海淺部地層一趟鉆鉆至中完井深，可以部分替代旋轉導向鉆具，減少起鉆更換旋轉導向鉆具組合時間，減少鉆井周期，同時大大降低鉆井成本。

水力振蕩馬達由于達到工作排量后振動主要作用在鉆頭，可以廣泛在海上油田淺部地層使用，對鉆井頂驅等設備不會造成損壞。水力振蕩馬達最主要的缺點是工作壓降較大，在鉆進至井深較深鉆且鉆井液比例較高時，可能會因為排量限制，進而影響環空返速，不利于達到攜沙等井眼清潔要求。