水力振蕩器在定向井中應(yīng)用的實(shí)踐探索

劉秋霞，胡家森

（中石化西南石油工程有限公司廣西鉆井分公司，廣西南寧530023）

水力振蕩器在定向井中應(yīng)用的實(shí)踐探索

劉秋霞*，胡家森

（中石化西南石油工程有限公司廣西鉆井分公司，廣西南寧530023）

隨著石油天然氣開發(fā)定向井規(guī)模日益增大，定向井水平井在滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)，托壓、粘卡嚴(yán)重，如何提高滑動(dòng)鉆進(jìn)鉆壓傳遞的有效性，減少鉆具與井壁間的靜摩擦，一直是待解決的技術(shù)難題。詳細(xì)說明了水力振蕩器的機(jī)械振動(dòng)理論，該工具是以鉆井液作為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)水力振蕩器軸向運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)井下鉆柱沿軸向振動(dòng)，可以將鉆具與井壁之間的靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)摩擦。通過13口井是否使用振蕩器進(jìn)行對(duì)比分析，使用水力振蕩器鉆進(jìn)確實(shí)可以適當(dāng)解決受到地層因素影響的問題，井斜也容易控制，水力振蕩器可以使常規(guī)的鉆具組合克服定向鉆進(jìn)過程中遇到的常見問題，能夠提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期。

水力振蕩器；定向井；實(shí)踐探索；使用優(yōu)勢(shì)

1　定向井的特點(diǎn)

近年來，隨著鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展，石油天然氣開發(fā)定向井規(guī)模日益增大，尤其是大位移井、長(zhǎng)水平段水平井總量與日俱增。在水平井鉆井過程中，鉆具在井眼曲率較大的井段，或在過長(zhǎng)水平段會(huì)產(chǎn)生較大摩阻、托壓現(xiàn)象，無法有效施加鉆壓，并且在定向段普遍具有低孔、致密、非均質(zhì)性強(qiáng)等地質(zhì)特征，因此造斜井段普遍存在嚴(yán)重的托壓、粘卡、鉆頭對(duì)工具面控制力差、鉆壓無法有效且真實(shí)地傳遞至鉆頭等現(xiàn)象，嚴(yán)重制約了鉆速和鉆井效率的進(jìn)一步提高，成為阻礙水平井順利開發(fā)的問題。國(guó)內(nèi)外油田開展了優(yōu)化井眼軌跡、井筒潤(rùn)滑劑、剛性扶正器等研究，目前還不能經(jīng)濟(jì)有效地解決水平段摩阻大、托壓等問題。

2　水力振蕩器的使用優(yōu)勢(shì)

2.1工具結(jié)構(gòu)

水力振蕩器主要由動(dòng)力部分、閥門和軸承系統(tǒng)、配套部分（振蕩短節(jié)）3個(gè)機(jī)械部分組成，如圖1所示。

2.2工作原理

圖1　水力振蕩器工具結(jié)構(gòu)圖

工具的動(dòng)力部分是由一個(gè)2∶1的馬達(dá)組成，馬達(dá)轉(zhuǎn)子的下端固定一個(gè)閥片，所以流體通過動(dòng)力部分時(shí)，驅(qū)動(dòng)心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由于螺桿的特性，末端在一個(gè)平面上往復(fù)運(yùn)動(dòng)（稱之為動(dòng)閥片）。與動(dòng)力部分連接的是閥門和軸承系統(tǒng)，主要部件就是耐磨套和一個(gè)固定的閥片——定閥片，動(dòng)閥片和定閥片緊密配合。由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致2個(gè)閥片相錯(cuò)和重合相錯(cuò)和重合就導(dǎo)致上流的壓力發(fā)生變化，期性相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成流體流經(jīng)工具的截面積（最大值和最小值）周期性的變化。動(dòng)力部分使上游壓力周期性的變化作用在彈簧短節(jié)上，就形成彈簧短節(jié)不斷的壓內(nèi)在的彈簧，形成振動(dòng)。

水力振蕩器通過自身產(chǎn)生的縱向振動(dòng)來提高鉆進(jìn)過程中鉆壓傳遞的有效性和減少底部鉆具與井眼之間的摩阻，這就意味著水力振蕩器可以在各種鉆進(jìn)模式中，特別是在使用動(dòng)力鉆具的定向鉆進(jìn)中改善鉆壓的傳遞，減少鉆具組合粘卡的可能性，減少扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

隨著大位移井?dāng)?shù)量的增加和水平位移的不斷延伸，其鉆進(jìn)模式面臨著更大的挑戰(zhàn)，水力振蕩器通過簡(jiǎn)單有效的方式解決這個(gè)難題，提出了一個(gè)獨(dú)特而又有效的途徑。平穩(wěn)的鉆壓傳遞，甚至在方位角變化很大的復(fù)雜地層中，提高對(duì)鉆頭工具面的調(diào)整能力，以使鉆達(dá)更遠(yuǎn)的目的層；在鉆進(jìn)中不需過多的工作來調(diào)整工具面，保持工具面的穩(wěn)定，提高機(jī)械鉆速。

2.3工作優(yōu)勢(shì)

水力振蕩器在工作狀態(tài)中，具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。首先，工作產(chǎn)生的振動(dòng)不會(huì)破壞MWD、LWD工具和干擾系統(tǒng)信號(hào)，減少橫向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，鉆具組合中可以在MWD工具的上下，位置比較自由，不會(huì)對(duì)鉆頭和管柱產(chǎn)生振動(dòng)破壞。其次，工具和鉆頭有很強(qiáng)的兼容性，可以和牙輪鉆頭和有固定鑲齒鉆頭儀器使用，產(chǎn)生的振動(dòng)不會(huì)對(duì)鉆頭切削齒產(chǎn)生破壞，同時(shí)也不會(huì)破壞牙輪鉆頭的軸承，延長(zhǎng)PDC鉆頭使命壽命（鉆進(jìn)過程中小鉆壓的傳遞）。再次，水力振蕩器工作防止鉆壓集中和對(duì)工具面的控制，改善滑動(dòng)鉆進(jìn)過程中鉆壓的傳遞方式，改善鉆壓傳遞過程中鉆桿的壓縮量，加強(qiáng)定向鉆進(jìn)。

3　水力振蕩器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

3.1鉆井組合

綜合國(guó)內(nèi)外水力振蕩器的使用分析，目前在8-1/2″和12-1/4″井眼中使用水力振蕩器的幾率最高，主要因?yàn)?-1/2″和12-1/4″井眼處在定向段、水平段的可能性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它尺寸的井眼。水力振蕩器安放在距離鉆頭150～500m之間，以300m左右居多。

各尺寸水力振蕩器使用鉆井組合具有普遍性，以8-1/2″井眼為例，使用的基本鉆具組合如下：8-1/2″PDC鉆頭+6-3/4″螺桿+6-1/2″浮閥+接頭+6-3/4″LWD（Neoscope675）+6-3/4″MWD（Telescope）+6-3/4″NMDC+6-3/4″（F/J+JAR）+5″加重鉆桿+6-3/4″水力振蕩器+5″鉆桿+接頭+5-1/2″鉆桿。

3.2地面組合測(cè)試

在鉆臺(tái)組合工具時(shí)，不可在水力振蕩器動(dòng)力部分施加外力，包括坐卡瓦、安全卡瓦、上/卸扣等。水力振蕩器安放位置視具體情況而定，振蕩短節(jié)直接接在振蕩器之上。在地面進(jìn)行功能測(cè)試，振蕩短節(jié)振蕩頻率與流量成正比，在地面測(cè)試中，其產(chǎn)生的振動(dòng)或許會(huì)使整個(gè)鉆具發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，為安全起見，盡可能使用較低的排量，盡量降低其振蕩頻率。

在地面測(cè)試中以能觀察到振蕩短節(jié)的蠕動(dòng)即止，蠕動(dòng)范圍在3～10mm之間。如果工具之下的鉆具組合相對(duì)較輕，必須達(dá)到一定的排量才能驅(qū)動(dòng)工具工作。

3.3鉆進(jìn)操作原則

開始鉆進(jìn)時(shí)，不宜過大，應(yīng)逐漸加壓，找到一個(gè)機(jī)械鉆速最快的最佳契合點(diǎn)（最優(yōu)值），然后保存該鉆壓鉆進(jìn)，切勿期望值過高。在滑動(dòng)工況，第一次滑動(dòng)，先將排量提起來，再逐漸加壓；在復(fù)合工況，也要注意鉆壓，不宜過大。

水力振蕩器在小鉆壓鉆進(jìn)中，可有效地消除鉆具重量在井壁某段的聚集效應(yīng)，如使用大鉆壓鉆進(jìn)，振動(dòng)短節(jié)的彈簧將受到壓縮，這樣就會(huì)降低工具的使用效果。在井斜較小的井眼鉆井中，水力振蕩器應(yīng)安放在受壓位置（中性點(diǎn)以下），以避免跳鉆發(fā)生。

3.4工具使用基本情況

3.4.1水力振蕩器在渤海灣、川西使用的效果

（1）以中海油服公司、渤海鉆探公司在渤海灣一帶施工的井，使用水力振蕩器的效果如表1所示。

（2）以四川鉆井公司在川西施工的井，使用水力振蕩器的效果如表2所示。

3.4.2水力振蕩器使用效果分析

（1）根據(jù)表1數(shù)據(jù)，代號(hào)1、2、5、6、7井為同組井位，具有很強(qiáng)的可比性。在水力振蕩器的使用中，1號(hào)井累計(jì)進(jìn)尺567m，總機(jī)械鉆速41.45m/h；2號(hào)井累計(jì)進(jìn)尺696m，總機(jī)械鉆速36.15m/h。相比之下5、6、7井沒有使用水力振蕩器，5號(hào)井累計(jì)進(jìn)尺604m，總機(jī)械鉆速23.87m/h；6號(hào)井累計(jì)進(jìn)尺680m，總機(jī)械鉆速16.09m/h；7號(hào)井累計(jì)進(jìn)尺676m，總機(jī)械鉆速17.56m/h。通過對(duì)比，使用水力振蕩器的1號(hào)井總機(jī)械鉆速比沒有使用水力振蕩器的6號(hào)總機(jī)械鉆速提高了157.61%，使用水力振蕩器機(jī)械鉆速有了質(zhì)的提高。這5口井相對(duì)比，使用水力振蕩器的2號(hào)井滑動(dòng)鉆進(jìn)機(jī)械鉆速最高為23.33m/h，比未使用水力振蕩器滑動(dòng)鉆進(jìn)機(jī)械鉆速為6.51m/h的7號(hào)井，機(jī)械鉆速提高了258.37%。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，代號(hào)3、4、8為另一組相似井位，也具有較強(qiáng)的可比性。3號(hào)井累計(jì)進(jìn)尺717m，總機(jī)械鉆速10.58m/h；4號(hào)井累計(jì)進(jìn)尺987m，總機(jī)械鉆速29.91m/h；8號(hào)井累計(jì)進(jìn)尺642m，總機(jī)械鉆速9.27m/h。3、4號(hào)井使用了水力振蕩器，8號(hào)井未使用水力振蕩器，4號(hào)井的總機(jī)械鉆速比8號(hào)井提高了222.65%。這3口井滑動(dòng)鉆進(jìn)鉆速提速更加明顯，4號(hào)井19.69m/h的滑動(dòng)機(jī)械鉆速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于8號(hào)井的3.64m/h。

（2）根據(jù)表2數(shù)據(jù)顯示，馬蓬23-3HF、新沙21-28H井使用水力振蕩器，總機(jī)械鉆速和滑動(dòng)機(jī)械鉆速都有一個(gè)層次的提高。馬蓬23-3HF井使用水力振蕩器從井深1390m鉆至1733m，其中累計(jì)滑動(dòng)鉆進(jìn)進(jìn)尺為221m，純鉆時(shí)間為50.8h，滑動(dòng)機(jī)械鉆速為4.4m/h。與同井場(chǎng)2口未使用水力振蕩器的鄰井馬蓬23-1H井、馬蓬23-2H井相比，在機(jī)械鉆速上大大的提高。馬蓬23-3HF井配合使用水力振蕩器后，鉆具發(fā)生周期性震蕩，基本消除了托壓現(xiàn)象，滑動(dòng)時(shí)工具面穩(wěn)定，調(diào)整工具面時(shí)間大幅減少，綜合平均機(jī)械鉆速比鄰井最高紀(jì)錄提高了84.6%，滑動(dòng)平均鉆速比鄰井最高紀(jì)錄提高了50%。

表1　水力振蕩器渤海區(qū)塊使用效果分析表

表2　水力振蕩器川西區(qū)塊使用效果分析表

新沙21-28H井使用水力振蕩器從井深2048m鉆至2468m，井斜從28.6°增至89°并進(jìn)入水平段。其中累計(jì)滑動(dòng)鉆進(jìn)進(jìn)尺為175m，純鉆時(shí)間為87.23h，滑動(dòng)機(jī)械鉆速為2.01m/h，累計(jì)復(fù)合鉆進(jìn)進(jìn)尺為245m，純鉆時(shí)間為29.13h，復(fù)合機(jī)械鉆速為8.41m/h，總機(jī)械鉆速為3.62m/h。相對(duì)于沒有使用水力振蕩器的新沙21-27H井，該井段總機(jī)械鉆速為3.37m/h，比新沙21-28H井總機(jī)械鉆速低了7.4%，滑動(dòng)機(jī)械鉆速低了3.1%。

（3）通過表1、表2的數(shù)據(jù)分析，使用水力振蕩器對(duì)提高機(jī)械鉆速具有良好效果。

4　認(rèn)識(shí)和建議

根據(jù)渤海區(qū)塊8口井和川西區(qū)塊5口井的對(duì)比，對(duì)水力振蕩器的使用有如下認(rèn)識(shí)：

（1）在這些區(qū)塊類似井段推廣水力振蕩器的使用，可以降低滑動(dòng)和水平鉆進(jìn)中的托壓現(xiàn)象，提高了機(jī)械鉆速，降低了鉆井周期，減少了鉆井事故發(fā)生的機(jī)率。同時(shí)，對(duì)其它區(qū)塊具有相似井身結(jié)構(gòu)以及新區(qū)塊，推薦對(duì)水力振蕩器進(jìn)行試驗(yàn)，為定向鉆進(jìn)找到有一個(gè)提高機(jī)械鉆速的途徑。

（2）水力振蕩器可與常規(guī)定向工具和儀器同時(shí)使用，不會(huì)對(duì)無線隨鉆信號(hào)產(chǎn)生不利影響，也不會(huì)對(duì)儀器和動(dòng)力鉆具的使用壽命產(chǎn)生影響。

（3）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。

（4）軸向振蕩發(fā)生工具對(duì)井下鉆具無不利影響，對(duì)MWD、LWD信號(hào)傳輸不會(huì)產(chǎn)生干擾。

（5）水力振蕩器現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，同一井段的滑動(dòng)鉆進(jìn)機(jī)械鉆速和復(fù)合鉆進(jìn)機(jī)械鉆速均有不同程度的提高，鉆進(jìn)摩阻減小，可在水平井鉆井中推廣應(yīng)用。

（6）在定向鉆進(jìn)施工中，對(duì)于使用水力振蕩器的井段，工具面穩(wěn)定，減輕了鉆具在大斜度井段的摩阻，同時(shí)也形成了更好的井眼軌跡。在降低擺工具面時(shí)間和起下鉆頻率的同時(shí)，也有效地降低了下步施工中的風(fēng)險(xiǎn)，提高了綜合鉆井效益。

根據(jù)渤海區(qū)塊8口井和川西區(qū)塊5口井的施工情況，對(duì)水力振蕩器有如下幾點(diǎn)建議：

（1）水力振蕩器推薦的正常工作排量為25～38L/s，但由于高密度和井隊(duì)設(shè)備配套的影響，實(shí)際排量最大只能達(dá)到27L/s，僅達(dá)到水力振蕩器要求的排量下限多一點(diǎn)，在一定程度上也會(huì)影響水力振蕩器工作性能的充分發(fā)揮。在條件允許的情況下，推薦選用降低水頭損失的工具，如上部鉆具使用較大直徑的鉆桿（5寸半）以減少管內(nèi)壓力損耗，在井下選用壓降較小的工具和測(cè)量?jī)x器等。

（2）進(jìn)一步改進(jìn)水力振蕩器以降低工作壓耗，增大應(yīng)用范圍。目前所用水力振蕩器工作壓降高達(dá)4～6MPa，如果使用動(dòng)力工具配合，對(duì)鉆井泵要求較高，同時(shí)長(zhǎng)期高壓作業(yè)造成的施工風(fēng)險(xiǎn)也急劇增大。

（3）進(jìn)一步提高水力振蕩器部分零件的耐沖蝕性能，延長(zhǎng)其使用壽命，更好地發(fā)揮其提速作用。

（4）在高密度鉆井液井段采用水力振蕩器時(shí)需要充分考慮鉆井設(shè)備的工作能力，避免因設(shè)備能力限制導(dǎo)致工具潛力不能正常發(fā)揮。

（5）根據(jù)水力振蕩器性能，若鉆進(jìn)設(shè)備能夠滿足更高的泵壓條件，還可在鉆具組合上再串接1～2個(gè)振蕩器，提高克服鉆進(jìn)的鉆具與井壁間摩阻扭矩的能力，提升大位移井和長(zhǎng)水平段水平井延伸能力。

（6）水力振蕩器工具具備提高破巖效率、降低摩阻、防阻卡、增加鉆壓、提高鉆速、增加單只鉆頭進(jìn)尺等功能。國(guó)內(nèi)在旋沖鉆井、提高井身質(zhì)量、降低摩阻、增加鉆壓等方面均做了大量研究，而且在這些單一研究方面跟國(guó)外存在一定差距；目前國(guó)內(nèi)未見研發(fā)用于鉆井提速的同時(shí)具有改變破巖方式為旋沖破巖方式、形成光滑井眼軌跡、降低摩阻、增加鉆壓的水力振蕩器工具，重點(diǎn)在這個(gè)方向進(jìn)行研究。

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TE921

B

1004-5716（2016）08-0082-04

2015-08-06

2015-08-07

劉秋霞（1975-），女（漢族），河南周口人，業(yè)務(wù)員，現(xiàn)從事鉆井工程技術(shù)生產(chǎn)信息收集管理工作。