基于摩阻和振蕩力的水力振蕩器安放位置計(jì)算方法

王建龍，于志強(qiáng)，鄭永鋒，張?chǎng)┉?，?菲，陳祖紅，白金銀

(1.中國(guó)石油集團(tuán) 渤海鉆探工程技術(shù)研究院，天津 300450； 2.中國(guó)石油集團(tuán) 渤海鉆探工程有限公司第一鉆井分公司，天津 300280； 3.中國(guó)石油集團(tuán) 渤海鉆探工程有限公司第四鉆井分公司，河北 任丘 062550)

水力振蕩器是目前緩解定向托壓最有效的方法之一[1-6]。在大斜度井、大位移井、水平井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井中應(yīng)用越來越廣泛，也取得了較好的應(yīng)用效果[7-10]。大量的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用數(shù)據(jù)表明，安放位置對(duì)工具應(yīng)用效果影響較大。本文基于摩阻和振蕩力，建立了安放位置計(jì)算模型，并利用模型制作了優(yōu)選圖版，方便現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明，該方法確定的安放位置，能較好地兼顧摩阻和工具的振蕩力，充分發(fā)揮了工具的作用。

1 水力振蕩器概述

水力振蕩器由振蕩短節(jié)和脈沖短節(jié)組成，如圖1所示。脈沖短節(jié)是產(chǎn)生壓力波動(dòng)的機(jī)構(gòu)，主要由螺桿、動(dòng)閥盤和定閥盤組成；振動(dòng)短接是產(chǎn)生激勵(lì)振動(dòng)的機(jī)構(gòu)，主要由碟簧組、活塞、密封總成組成。

圖1 水力振蕩器結(jié)構(gòu)示意

水力振蕩器產(chǎn)生的振蕩力與壓力脈沖和活塞有效截面積成正比。

F=p×S×10-4

(1)

式中：F為水力振蕩器產(chǎn)生的振蕩力，kN；p為水力振蕩器產(chǎn)生的脈沖壓力，MPa；S為活塞的有效截面積，mm2，若為兩級(jí)活塞，則活塞的有效面積為兩個(gè)活塞的面積之和。

若要提高振蕩力，則需提高壓力脈沖或活塞面積。壓力脈沖與閥盤尺寸、鉆井排量、鉆井液密度、鉆井液黏度等參數(shù)有關(guān)。通常采用縮小閥盤尺寸或提高鉆井排量2種方式提高壓力脈沖。活塞面積主要與活塞的級(jí)數(shù)有關(guān)，國(guó)內(nèi)外主要有一級(jí)和兩級(jí)活塞2種水力振蕩器。目前，國(guó)內(nèi)外為了降低水力振蕩器的壓耗，且保證振蕩力不變，多采用兩級(jí)活塞水力振蕩器。

2 安放位置計(jì)算

安放位置直接決定了水力振蕩器的應(yīng)用效果。若安放位置距離鉆頭過遠(yuǎn)，工具產(chǎn)生的振蕩力小于滑動(dòng)摩阻fμ1，則無法振動(dòng)，無應(yīng)用效果；若安放位置距離鉆頭過近，工具產(chǎn)生的振蕩力遠(yuǎn)大于滑動(dòng)摩阻fμ2，則振蕩力未充分利用，摩阻降低比例有限，應(yīng)用效果將大打折扣。如圖2所示。

圖2 水力振蕩器緩解定向托壓示意

研究結(jié)果表明，水力振蕩器的振蕩力與滑動(dòng)摩阻是決定安放位置的關(guān)鍵的參數(shù)。水力振蕩器合理安放條件如式(2)，即，工具產(chǎn)生的振蕩力F大于等于滑動(dòng)摩阻fμ。

(2)

式中：fμ為鉆柱與井壁之間的摩阻，kN；G為鉆柱在鉆井液中的浮重力，kN；μ為鉆柱與井壁間的摩阻系數(shù)，一般取值0.2～0.35；θmax為水力振蕩器應(yīng)用井段最大井斜角，(°)。

國(guó)內(nèi)外常用的水力振蕩器產(chǎn)生的振蕩力為30～60 kN。基于該振蕩力和底部鉆組合等參數(shù)，繪制了安放位置優(yōu)選圖版，方便現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。按照127 mm加重鉆桿180 m+127 mm鉆桿若干的鉆柱組合和摩阻系數(shù)0.3，計(jì)算出振蕩力、井斜角、合理安放位置關(guān)系，并制作出圖版，如圖3所示。

由圖3可見，隨著振蕩力增加，安放位置與鉆頭的距離增加；隨著井斜角的增加，安放位置與鉆頭的距離縮短。

圖3 水力振蕩器合理安放位置與井斜角、振蕩力關(guān)系

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

近兩年，在大港、華北、冀東等油田，利用該計(jì)算方法確定了87口井水力振蕩器安放位置，緩解定向托壓效果顯著，如圖4所示。該方法計(jì)算的水力振蕩器安放位置一般距鉆頭150～350 m，提速效果在45%～150%。

以大港油田某A井為例，該井是一口三段制定向井，設(shè)計(jì)井深3 912 m，最大井斜角67.14°。該井鉆進(jìn)至3 555 m時(shí)，滑動(dòng)鉆進(jìn)托壓值150～200 kN，滑動(dòng)鉆時(shí)45～70 min，鉆具托壓頻繁釋放，導(dǎo)致工具面跳動(dòng)、蹩泵，需頻繁活動(dòng)鉆具，定向困難。為此，自3 555 m下入水力振蕩器，后續(xù)為65～68°穩(wěn)斜段，所用水力振蕩器振蕩器力40 kN，確定安放位置距離鉆頭185 m。 工具入井之后應(yīng)用情況如表1。

圖4 水力振蕩器安放位置與應(yīng)用效果統(tǒng)計(jì)

表1 大港油田A井水力振蕩器應(yīng)用情況

工具入井后，共滑動(dòng)36.55 m，滑動(dòng)鉆進(jìn)平均機(jī)械鉆速4.21 m/h，行程鉆速2.55 m/h；對(duì)比本井3 480～3 550 m未使用井段，滑動(dòng)鉆進(jìn)平均機(jī)械鉆速1.53 m/h，行程鉆速0.86 m/h，機(jī)械鉆速提高169.8%，行程鉆速提高196.5%。

4 結(jié)論

1) 水力振蕩器產(chǎn)生的振蕩力與閥盤尺寸和活塞面積有關(guān)，閥盤尺寸越小、活塞面積越大，振蕩力越大。國(guó)內(nèi)外常用水力振蕩器振蕩力30～60 kN。

2) 水力振蕩器的安放位置隨著振蕩力的增加而增大，隨著井斜角的增大而減小。綜合考慮振蕩力和摩阻，一般安放在距離鉆頭150～350 m效果較好。

3) 大港、華北和冀東等油田87口井應(yīng)用水力振蕩器，提速效果在45%～150%。表明基于摩阻和振蕩力計(jì)算方法確定安放位置是可行的。