水力振蕩器在新場氣田新沙21－28H井的應用

胥 豪 牛洪波 唐洪林 張曉明

1.中國石化勝利石油管理局鉆井工藝研究院 2.長江大學石油工程學院

四川盆地川西新場氣田地區蘊含著豐富的天然氣資源，但鉆井作業卻普遍存在鉆速慢、鉆井周期長、鉆井成本高的問題，嚴重地制約了該區氣藏的勘探開發[1－3]。一般來說，影響鉆速的因素無外乎地質因素、井身結構、鉆進方式、鉆井設備及鉆井液[4－5]，但是在相同井深，相同地層及鉆具組合和設備能力時，采用滑動鉆進和復合鉆進，機械鉆速卻能相差3～6倍，因此，如何提高滑動鉆進時的機械效率成為川西鉆井提速的重點目標之一。鑒于水力振蕩器具有降低鉆進的鉆具與井壁間摩阻扭矩，提高鉆進機械效率的優點[6]，且在國外具有較多成功應用的實例，因此新沙21－28H井對Andergauge公司生產的水力振蕩器進行了應用試驗。

在常規鉆井過程中，鉆具組合和鉆桿部分或者全部與井壁接觸，這樣在運動中就要產生摩阻。水力振蕩器可通過水力的作用產生沿鉆具組合或者鉆桿軸線方向上的振動，利用振動將靜態摩阻轉變為動態摩阻，從而大大減小鉆進過程中的摩阻。水力振蕩器的優勢在于降低鉆進時的摩阻和扭矩，使得鉆壓更容易傳遞，工具面更加容易控制，從而提高鉆進時的機械效率；同時擴大了常規導向馬達進行大位移井或者長水平段水平井的鉆進能力[7]。

1 水力振蕩器的結構及工作原理

1.1 結構及工作原理

水力振蕩器（AGT）主要由3部分結構組成（圖1）：①動力部分；②閥門和軸承系統；③配套振蕩短節。剛性的由鉆桿單根連接成的管柱使用振蕩短節，撓性的管柱則不使用振蕩短節[8－11]。

圖1 水力振蕩器結構示意圖

動力部分下端的閥門部分可使流體流經工具后的壓力發生變化而產生壓力脈沖，壓力脈沖向上作用于振蕩短節或者撓性強的連續油管從而使管柱在自己軸線方向上來回運動，這樣原來的靜摩擦阻力就變成了動摩擦阻力[7]。

獨特的閥門系統是整個工具的核心部分（圖2），它能把流經動力部分流體一部分能量轉化為壓力脈沖，通過一對閥門周期性的相對運動來實現，因為這一對閥門周期性相對運動造成流體流經工具的截面積周期性的變化[9]。

圖2 水力振蕩器閥門系統與壓降關系示意圖

當流經的截面積為兩個閥門相對運動的最少重合部分時，是壓力脈沖波峰的位置；反之就是波谷的位置。

壓力脈沖的頻率和經過工具的流量呈線性關系，以工具在作業中的工作參數來選擇閥門系統中閥片的尺寸，確保工具在工作中發揮最好的效果和使工具的壓降在允許的范圍內。

水力振蕩器本身僅產生壓力脈沖，為了使這個能量轉化成可用的機械動力，需要加入振蕩短節，然后再與油管或者鉆桿連接，使水力振蕩器上下的管柱產生沿軸線方向的振蕩。振蕩短節一般安裝在動力部分之上。

振蕩短節主要由一個對外密封的心軸和密封心軸外圍軸向上安裝的彈簧組成，當內部的壓力作用到心軸的下端面時，在壓力的作用下，心軸向下方移動并且壓縮彈簧，當這個壓力釋放后，心軸在彈簧作用下返回到原來的位置[8]。所以當振蕩短節直接連接于水力振蕩器的動力部分之上，壓力脈沖可以使振蕩短節不斷重復上述動作，從而帶動周圍的工具產生軸線方向上的蠕動。這個系統可以連在鉆柱中任何地方，現場可從實際需要出發，將工具連接在最理想的位置。

1.2 與現有鉆井工具兼容

首先，在鉆進過程中，水力振蕩器振動頻率和MWD系統不同，所以不會影響MWD的信號，水力振蕩器可以和MWD配套使用；其次，水力振蕩器的蠕動距離一般在3～10mm，蠕動頻率一般小于25Hz[9，12]，且工作原理與動力鉆具有類似之處，水力振蕩器可以和動力鉆具協同使用，不會對動力鉆具造成破壞；再次，由于水力振蕩器減小了鉆進的鉆具與井壁間摩阻扭矩，使得鉆壓更加均勻、穩定，減少了頓鉆發生的頻率；水力振蕩器不會對鉆頭造成破壞，無論牙輪鉆頭還是PDC鉆頭均可與其配合使用，延長了鉆頭使用壽命；最后，由于水力振蕩器減小了鉆進的鉆具與井壁間摩阻，可以避免鉆具應力過度集中在某一井段，有助于降低鉆具事故風險。

2 應用試驗情況

2.1 新沙21－28H井概況

新沙21－28H井是部署在川西新場構造北翼的一口長水平段開發水平井，目的層上沙溪廟組，埋深2 100～2 300m。該井采用二次開鉆井身結構設計。造斜段集中在蓬萊鎮組、遂寧組和沙溪廟組，地層巖性以略等厚砂泥巖互層為主，夾雜少量石英砂巖；該區地層致密，可鉆性差，定向鉆進效率低下，且隨著井斜的增加，鉆進中鉆具與井壁間摩阻扭矩逐漸增大，黏卡頻繁發生，已施工井的定向井段施工周期通常大于15d。該井第一次開鉆311.15mm鉆頭鉆至500m，下入244.50mm表層套管，第二次開鉆采用215.90 mm鉆頭鉆至完鉆井深3 206m，下入139.70mm套管完井，設計造斜點在井深1 880m。

2.2 鉆具組合及鉆井參數

2.2.1 鉆具組合

由于是在造斜井段采用水力振蕩器，下入井深2 048m處井斜為32°，滑動鉆具與井壁間摩阻還較低，因此在鉆具組合方面首先考慮提高機械鉆速，另一方面為了避免水力振蕩器對MWD儀器和動力鉆具的破壞，所以在距鉆頭約120m位置處接水力振蕩器；同時為了避免在倒裝鉆具部位接入172mm水力振蕩器對鉆具造成應力破壞，分別在振蕩器上下各接入1根加重鉆桿進行應力過渡。實際鉆具組合為：215.9mmPDC鉆頭＋172mm 單彎螺桿（1.5°）＋回壓閥＋127mm無磁承壓鉆桿＋177.8mm MWD短節＋127mm鉆桿＋127mm加重鉆桿＋172mm水力振蕩器＋127mm加重鉆桿＋127mm鉆桿＋127mm加重鉆桿＋165mm震擊器＋127mm加重鉆桿＋127mm鉆桿。

2.2.2 鉆井參數

圖3 水力振蕩器振蕩頻率與排量對應關系示意圖

172mm水力振蕩器排量和震動頻率關系如圖3，排量與震動頻率成正比關系。但該工具有約3MPa的壓降，由于鉆井液密度高達1.86～1.89g／m3，現場受制于設備能力，鉆進排量為24～26L／s，此時泵壓達到22～24MPa，接近設備使用上限；復合鉆進轉速為80～100r／min。

2.3 應用情況

新沙21－28H井于4月24日自井深2 048.28m下入水力振蕩器，5月3日鉆進到井深2 468.30m因動力鉆具使用壽命原因起鉆，入井時間共計196.75 h，開泵工作時間158.00h，總進尺420.02m，在井下期間工具工作正常。

3 應用效果評價

3.1 機械鉆速提高

新沙21－28H井定向段共采用2趟鉆完成，第一趟鉆未使用水力振蕩器，第二趟鉆使用，鉆頭性能一致，地層巖性相差不大，具有良好的對比性。對比結果見表1。

表1 新沙21－28H井水力振蕩器使用效果表

由于水力振蕩器接入位置距鉆頭較近，軸向振動克服摩阻扭矩提高機械鉆速，另一方面軸向的高頻振動對鉆頭形成類似于沖擊鉆井的效果，進一步提高機械鉆速，采用水力振蕩器時滑動鉆進機械鉆速提高45.16%、復合鉆進機械鉆速提高30.00%，取得了非常顯著的效果。

3.2 鉆壓傳遞改善

水力振蕩器產生軸向振動時，將滑動鉆進時鉆具的靜摩阻轉變為動摩阻，使得滑動鉆進中鉆具與井壁間摩阻明顯降低，鉆壓的傳遞變得更有效率?；瑒鱼@井時，指重表所顯示的鉆壓為鉆頭鉆壓與滑動摩阻之和，采用水力振蕩器之后，滑動鉆進中鉆具與井壁間摩阻明顯減小，因此指重表所顯示鉆壓也相應減小，降低了鉆進的鉆具與井壁間摩阻突然釋放后憋泵的概率，提高了鉆井效率。

3.3 經濟效益評價

新沙21－28H井水力振蕩器服務時間196.75h，服務費2.7萬元／d，服務費共約23萬元；根據區塊相同井型鉆井情況估算，大約節約鉆井周期4.5d，若按照50D鉆機作業費5.2萬元／d，定向服務費3.5萬元／d，錄井費0.5萬元／d，鉆井液費1.0萬元／d，則可節約鉆井投資24萬元，下井期間平均每日可節約鉆井投資3萬元，具有良好的經濟效益。

4 結論及建議

1）水力振蕩器可與常規定向工具和儀器同時使用，不會對無線隨鉆信號產生不利影響，也不會對儀器和動力鉆具的使用壽命產生影響。

2）采用水力振蕩器對于提高機械鉆速和降低滑動鉆進中鉆具與井壁間摩阻具有明顯的作用，有利于節約鉆井周期，降低鉆井投資，具有明顯的經濟效益。

3）新沙21－28H井由于受到鉆井設備能力限制，排量僅僅達到了水力振蕩器推薦排量的下限值，但是仍然取得了良好的應用效果，若采用更高的排量，有望獲得更好的效果。

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

5）根據水力振蕩器性能，若鉆進設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個振蕩器，提高克服鉆進的鉆具與井壁間摩阻扭矩的能力，提升大位移井和長水平段水平井延伸能力。

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