178型水力振蕩器研制與應(yīng)用

李 博，王羽曦，孫則鑫 ，劉國恒

（大慶鉆探工程公司a.鉆井工程技術(shù)研究院；b.鉆探機(jī)械修理廠，黑龍江 大慶163413）①

在水平井滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)，摩擦力對(duì)軸向載荷的影響急劇增加。為了在井斜段和水平段保持軸向載荷，必須采用有效的措施來降低摩擦力，方法之一是采用水力振蕩器［4］，使鉆柱在軸線方向上產(chǎn)生一定頻率和振幅的蠕動(dòng)，將靜摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)摩擦力，減少管柱與井壁之間的摩阻，防止托壓的產(chǎn)生。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

水力振蕩器是以鉆井液作為動(dòng)力源，將液體能量轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚傩D(zhuǎn)的機(jī)械能，通過壓力控制機(jī)構(gòu)將高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l壓力脈沖。所產(chǎn)生的壓力脈沖作用到工具的振動(dòng)短接上，使其產(chǎn)生軸向高頻蠕動(dòng)。

水力振蕩器結(jié)構(gòu)如圖1所示。在液力作用下動(dòng)力機(jī)構(gòu)的葉輪高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)葉輪帶動(dòng)閥門片旋轉(zhuǎn)。當(dāng)閥門片垂直軸向方向時(shí)，閥門片將鉆井液通道關(guān)閉，產(chǎn)生最大壓降。閥門片繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)至平行軸向方向時(shí)，鉆井液通道打開，流通面積最大，產(chǎn)生最小壓降。閥門片旋轉(zhuǎn)一周，鉆井液通道關(guān)閉2次，產(chǎn)生2次憋壓。閥門片在高速旋轉(zhuǎn)過程中，實(shí)現(xiàn)通道的打開、關(guān)閉，產(chǎn)生周期性壓力脈沖。

圖1 水力振蕩器結(jié)構(gòu)

閥門總成產(chǎn)生的壓力脈沖通過滑動(dòng)密封總成作用到振動(dòng)短接的彈簧上。由于壓力周期性變化，在壓力最大時(shí)，彈簧壓縮，振動(dòng)心軸伸出。當(dāng)壓力最小時(shí)，彈簧回復(fù)，振動(dòng)心軸縮回，振動(dòng)心軸就在壓力和彈簧的雙重作用下產(chǎn)生軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使井下鉆具水力振蕩器往復(fù)運(yùn)動(dòng)而軸向振動(dòng)。彈簧被壓縮，儲(chǔ)存能量，當(dāng)彈簧回復(fù)能量施放時(shí)，在指向鉆頭方向有一定的沖擊力，可以有效地傳遞鉆壓。水力振蕩器的振動(dòng)頻率為16～20Hz，在此振動(dòng)頻率下，鉆具的滑移摩阻可以減小75%～80%。

2 技術(shù)參數(shù)

適合井眼尺寸 215.9mm （8英寸）

最大外徑 180mm

最小循環(huán)通徑 45mm

總長 2 901mm

3.1 作者通過對(duì)廣州華南理工東湖自然水體的篩選，共得到6株綠藻。6株綠藻通過光學(xué)顯微鏡觀察及基因檢測得知它們分別為3株小球藻和3株柵藻。培養(yǎng)得知該6株藻種均能在BG11培養(yǎng)基中較好生長。

有效長度 2 787mm

質(zhì)量 430kg

兩端連接螺紋 4A11－4A10鉆桿螺紋

正常工作時(shí)脈沖頻率 16～20Hz

正常工作時(shí)振動(dòng)幅值 3～8mm

壓降 2～3MPa

3 特點(diǎn)

1） 有效傳遞鉆壓。通過水力振蕩器的高頻振動(dòng)，改變了只靠鉆具自身重力的加壓方式，鉆具在振動(dòng)的同時(shí)有一定向前的沖擊力，使鉆壓能更有效地施加到鉆頭上，防止托壓的發(fā)生。

2） 減小摩阻，提高機(jī)械鉆速。水力振蕩器在井下帶動(dòng)鉆具振動(dòng)時(shí)，將鉆具與井壁間的靜摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)摩擦力，可以減小75%～80%摩阻，提高機(jī)械鉆速。

3） 防止粘卡。由于水力振蕩器在工作時(shí)與井下鉆具保持振動(dòng)，減小鉆具粘卡的發(fā)生。

4） 保護(hù)鉆頭。在水平井鉆進(jìn)時(shí)，由于鉆具的軸向振動(dòng)，鉆壓可以緩慢地施加到鉆頭上，減小了鉆頭與井底的沖擊，延長鉆頭使用壽命。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

衛(wèi)186－平142井是位于大慶采油八廠芳5－5區(qū)塊的油田開發(fā)井，該井設(shè)計(jì)井深2 155m，水平段長529.58m。2012－12－18，研制的水力振蕩器在該井水平段進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，在提高鉆進(jìn)速度和防托壓方面效果明顯。鉆具組合：PDC鉆頭＋1.25°螺桿＋箭型止回閥＋LWD＋無磁加重鉆桿＋水力振蕩器＋18°斜坡鉆桿×93根＋加重鉆桿×36根＋鉆桿。

2012－12－17，衛(wèi)186－平142井鉆至1 639m，井斜88.7°，方位90°。在水平段下鉆前，水力振蕩器與近鉆頭定向儀器連接進(jìn)行了井口測試，振動(dòng)頻率為16Hz，振幅為4mm，排量30L／s，泵壓為2 MPa，并觀測與近鉆頭定向儀器信號(hào)無干擾。2012－12－18開始水平段鉆進(jìn)，水力振蕩器連接在距鉆頭34m處，鉆井泵排量30～32L／s，泵壓17～18 MPa，鉆井液密度1.22g／cm3，滑移鉆進(jìn)時(shí)鉆壓控制在40～60kN，在1 623～1 626m滑移鉆進(jìn)3m，平均鉆時(shí)8.1min／m，機(jī)械鉆速提高113%，工具面穩(wěn)定。在鉆進(jìn)過程中，近鉆頭定向儀器信號(hào)傳輸穩(wěn)定，未發(fā)生干擾現(xiàn)象。

2012－12－28該井順利完鉆，完鉆井深2 140m，使用水力振蕩器鉆進(jìn)501m，累計(jì)工作時(shí)間96h，滑移鉆進(jìn)36.77m，平均機(jī)械鉆速5.36m／h，鉆速提高54.9%，復(fù)合鉆進(jìn)464.23m，平均機(jī)械鉆速13.76m／h，鉆速提高23%，托壓減小20～40kN，大幅提高了機(jī)械鉆速，減小托壓效果明顯。

5 結(jié)論

1） 水力振蕩器將鉆井液的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，實(shí)現(xiàn)軸向高頻率、小振幅往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可以減小井下鉆具與井壁之間的摩阻，從而提高鉆井機(jī)械效率。

2） 在水平井鉆進(jìn)過程中，通過水力振蕩器的作用，可使鉆壓緩慢地施加到鉆頭上，減小鉆頭與井底的沖擊，提高鉆頭使用壽命。

3） 水力振蕩器在現(xiàn)場使用效果良好，滑移鉆進(jìn)機(jī)械鉆速提高54.9%，復(fù)合鉆進(jìn)機(jī)械鉆速提高23%，托壓減小20～40kN，累計(jì)工作時(shí)間96h，大幅提高了鉆井速度，降低了成本。

4） 下一步將進(jìn)行水力振蕩器現(xiàn)場應(yīng)用推廣，對(duì)水力振蕩器井下安放位置進(jìn)行設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用效果確定水力振蕩器最佳安放位置。

［1］王敏生，王智峰，李作會(huì)，等.水力脈沖式鉆進(jìn)工具的研制與應(yīng)用［J］.石油機(jī)械，2006，34（5）：27－28.

［2］陳武君，邢世奇，彭漢標(biāo).井下液力推進(jìn)器的研制與應(yīng)用［J］.石油鉆探技術(shù)，1999（27）：49－50.

［3］丁培積，陳天成，劉嘉銘，等.水平井水力加壓工具及其應(yīng)用［J］.石油鉆探技術(shù)，1995，23（3）：41－43.

［4］王津軍，張紹槐，狄勤豐，等.水平井段受壓鉆桿穩(wěn)定性研究［J］.石油礦場機(jī)械，1995，34（4）：46－50.