水力振蕩器在大位移井張海29-38L井的應(yīng)用

許京國，陶瑞東，楊靜，張連水，張建榮，王永路，楊杰

（中國石油渤海鉆探工程公司第三鉆井工程公司，天津 300280）

0 引言

大港油田埕海2-2人工島是為實(shí)現(xiàn)海油陸采而建設(shè)的。受地面條件和地質(zhì)靶點(diǎn)的制約，島上大多數(shù)井型設(shè)計(jì)為大斜度井、大位移井及水平井。鉆井實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)：大斜度井及大位移井因井眼清潔問題滑動鉆進(jìn)時井壁對鉆具的摩阻太大［1-4］，導(dǎo)致鉆壓無法平滑地傳遞，經(jīng)常出現(xiàn)托壓、壓差卡鉆現(xiàn)象；水平井由于水平段鉆柱所受摩阻較大［5］，鉆壓無法有效傳遞到鉆頭上；大位移井的長距離穩(wěn)斜段由于井斜角較大，大部分鉆壓損失在克服井壁摩阻上，產(chǎn)生托壓現(xiàn)象［6］，降低了鉆探效率。

除了增加鉆井液的潤滑性能，常規(guī)減小鉆柱摩阻和扭矩的途徑主要是優(yōu)化井眼軌跡、鉆具組合及鉆井液性能，應(yīng)用減摩阻/扭矩工具以及旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)等［7］。 其中最有效的是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)［8-10］，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)應(yīng)用旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)模式替代常規(guī)滑動鉆進(jìn)模式，使鉆柱與井壁之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，顯著減小了鉆柱摩阻/扭矩。但該技術(shù)目前受到國外技術(shù)封鎖，國內(nèi)研究尚無突破性進(jìn)展。研究表明，一般靜摩擦因數(shù)比動摩擦因數(shù)大25%左右。水力振蕩器正是利用這一機(jī)理設(shè)計(jì)的鉆井提速工具，將滑動鉆進(jìn)時鉆具與井壁之間的靜摩阻轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽ψ?，使得滑動鉆進(jìn)中鉆具與井壁間的摩阻明顯降低［11-13］，減少鉆具托壓現(xiàn)象。張海29-38L井應(yīng)用結(jié)果表明，水力振蕩器顯著提高了滑動鉆進(jìn)時的鉆壓傳遞效率，工具面更容易控制，大大提高了常規(guī)導(dǎo)向馬達(dá)在大斜度井、大位移井和水平井的鉆進(jìn)效率。

1 水力振蕩器簡介

1.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

水力振蕩器由動力部分、閥門和軸承系統(tǒng)、振蕩短節(jié)3部分組成（見圖1）［14-16］。動力部分與泥漿馬達(dá)類似，實(shí)際為1∶2螺桿，由鉆井液驅(qū)動螺桿做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而帶動其下端閥片做往復(fù)運(yùn)動。閥門和軸承系統(tǒng)是整個工具的核心部分，通過一對閥門周期性地相對運(yùn)動，將流經(jīng)動力部分流體的一部分能量轉(zhuǎn)化為壓力脈沖。振蕩短節(jié)有一個對外密封的心軸，密封心軸外圍軸向安裝彈簧，心軸在壓力脈沖作用下，上下運(yùn)動壓縮彈簧，從而帶動工具產(chǎn)生軸向振動。

水力振蕩器使上下的鉆具在井眼產(chǎn)生縱向的往復(fù)運(yùn)動，鉆具在井下的靜摩擦就變成動摩擦，從而使滑動鉆進(jìn)工況下鉆具受到的摩擦阻力大大降低。

圖1 水力振蕩器結(jié)構(gòu)示意

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

水力振蕩器可以提高大斜度井、大位移井滑動鉆進(jìn)施工的鉆壓傳遞效率，并與各種MWD，LWD工具以及鉆頭兼容。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 設(shè)計(jì)及前期施工情況

埕海2-2人工島位于河北省黃驊市張巨河村以東灘涂海域水深0～2 m的淺海地區(qū)，面積14 000 m2。該人工島采用叢式井布井73口，應(yīng)用整體移動模塊鉆機(jī)取代了頻繁的鉆機(jī)搬遷、安裝，預(yù)先已下入φ660 mm導(dǎo)管×63 m，鉆探的主要目的層為沙河街組地層。

張海29-38L井是部署在埕海2-2人工島的一口三開大位移定向井，最大水平位移2 625.38 m，最大井斜76.24°（見圖2）。三開一開始使用常規(guī)導(dǎo)向鉆具組合進(jìn)行二次定向，鉆具組合為：φ216 mm鉆頭×0.33 m+φ172 mm 馬達(dá)×7.53 m+φ201 mm 穩(wěn)定器×1.51 m+φ165 mm無磁鉆鋌×8.97 m+φ170 mm MWD短節(jié)×1.96 m+φ165 mm無磁鉆鋌×9.06 m+φ127 mm加重鉆桿×187.29 m+411/NC52×0.45m+φ127 mm 鉆桿×3 126.9 m，鉆頭選用江漢鉆頭廠的PDC鉆頭KM1942SGRA。所鉆井段3 050～3 344 m，純鉆時間55 h，機(jī)械鉆速5.35 m/h。隨著井斜的增加，鉆進(jìn)中鉆具與井壁間的摩阻、扭矩逐漸增大，托壓、憋泵現(xiàn)象頻繁發(fā)生，使得機(jī)械鉆速降低，間接造成生產(chǎn)周期延長，生產(chǎn)成本增加，工作效率降低。2013年11月8日鉆至3 344 m時，井斜49.16°，方位79.15°。為有效克服定向鉆進(jìn)中的托壓現(xiàn)象，提高三開井段的鉆井速度，決定采用水力振蕩器配合斯倫貝謝MWD儀器進(jìn)行定向鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)。

圖2 張海29-38L井身結(jié)構(gòu)示意

2.2 水力振蕩器應(yīng)用

為了避免水力振蕩器對MWD儀器和動力鉆具的破壞，在距鉆頭約462.42 m處接水力振蕩器；同時為了避免水力振蕩器對鉆具造成應(yīng)力破壞，在振蕩器上部接入17根加重鉆桿進(jìn)行應(yīng)力過渡。使用的鉆具組合為：φ216 mm 鉆頭×0.33 m+φ172 mm 馬達(dá)×8.22 m+φ172 mm 浮閥×0.80 m+φ212 mm 穩(wěn)定器×1.75 m+φ170 mm無磁鉆鋌×2.94 m+φ170 mm MWD短節(jié)×8.84 m+φ172 mm無磁鉆鋌×9.32 m+φ127 mm加重鉆桿×28.09 m+411/NC52×0.45 m+φ127 mm 鉆桿×400.53 m+NC52/410×1.15 m+φ170 mm 水力振蕩器×7.56 m+φ127 mm加重鉆桿×159.20 m+411/NC52×1.15 m+φ127 mm 鉆桿×3 547.67 m。經(jīng)廠家推薦及試驗(yàn)探索，張海29-38L井應(yīng)用水力振蕩器鉆進(jìn)參數(shù)如表1所示。

本井在完鉆之后將鉆具全部取出，對鉆具進(jìn)行超聲波探傷，結(jié)果為全部合格，無損傷；又對鉆頭進(jìn)行清洗、檢查、丈量，結(jié)果為外徑磨損1 mm，復(fù)合片基本完好，無明顯損傷。

表1 張海29-38L井應(yīng)用水力振蕩器鉆進(jìn)參數(shù)

3 應(yīng)用效果評價

3.1 機(jī)械鉆速對比

3.1.1 與本井使用常規(guī)導(dǎo)向鉆具組合對比

張海29-38L井在應(yīng)用水力振蕩器+導(dǎo)向馬達(dá)鉆具組合之前，使用常規(guī)導(dǎo)向鉆具組合鉆進(jìn)。與使用導(dǎo)向馬達(dá)相比，應(yīng)用水力振蕩器井段的平均機(jī)械鉆速提高了 218%（見表 2）。

表2 機(jī)械鉆速對比情況

3.1.2 與鄰井使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)對比

張海29-38L井與張海30-26L井、張海28-36同位于埕海2-2人工島，地層完全相同，鉆進(jìn)深度相近，具有較強(qiáng)的可比性。從表2可以看出，應(yīng)用水力振蕩器的張海29-38L井，平均機(jī)械鉆速比使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的張海30-26L井、張海28-36井分別提高了57%，12%。

綜上所述，就提高機(jī)械鉆速而言，在埕海2-2人工島大位移井中應(yīng)用水力振蕩器+導(dǎo)向馬達(dá)鉆具組合優(yōu)于目前的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益對比

3.2.1 與本井使用常規(guī)導(dǎo)向鉆具組合對比

張海29-38L井采用水力振蕩器服務(wù)時間共計(jì)5.29 d，水力振蕩器服務(wù)費(fèi)為4萬元/d，斯倫貝謝公司定向服務(wù)費(fèi)為4萬元/d，共計(jì)42.32萬元。根據(jù)本井應(yīng)用常規(guī)導(dǎo)向鉆具組合估算，縮短鉆井周期4.45 d，節(jié)約鉆井投資47.43萬元，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2.2 與鄰井使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)對比

鄰井張海30-26L井、張海28-36井應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，平均機(jī)械鉆速低于本井應(yīng)用水力振蕩器井段的機(jī)械鉆速，而旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向服務(wù)費(fèi)為15萬元/d，兩者相比，應(yīng)用水力振蕩器節(jié)約鉆井投資37.03萬元。

4 結(jié)論

1）在大位移井及水平井應(yīng)用水力振蕩器，能夠減小鉆具與井壁間的摩阻，提高鉆井施工的鉆壓傳遞效率，提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期。

2）水力振蕩器可與常規(guī)定向工具和儀器同時使用，不會對無線隨鉆信號產(chǎn)生不利影響，也不會對儀器、動力鉆具、鉆頭使用壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。

3）與應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)及常規(guī)導(dǎo)向馬達(dá)鉆井技術(shù)相比，在大港油田埕海2-2人工島大位移井中應(yīng)用水力振蕩器+導(dǎo)向馬達(dá)鉆井技術(shù)，不僅可以提高鉆井速度，而且節(jié)約鉆井投資，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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