178型水力振蕩器研制與應用

李 博，王羽曦，孫則鑫 ，劉國恒

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

在水平井滑動鉆進時，摩擦力對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生一定頻率和振幅的蠕動，將靜摩擦力轉變為動摩擦力，減少管柱與井壁之間的摩阻，防止托壓的產生。

1 結構及工作原理

水力振蕩器是以鉆井液作為動力源，將液體能量轉變為高速旋轉的機械能，通過壓力控制機構將高速旋轉的機械能轉變為高頻壓力脈沖。所產生的壓力脈沖作用到工具的振動短接上，使其產生軸向高頻蠕動。

水力振蕩器結構如圖1所示。在液力作用下動力機構的葉輪高速旋轉，同時葉輪帶動閥門片旋轉。當閥門片垂直軸向方向時，閥門片將鉆井液通道關閉，產生最大壓降。閥門片繼續轉動至平行軸向方向時，鉆井液通道打開，流通面積最大，產生最小壓降。閥門片旋轉一周，鉆井液通道關閉2次，產生2次憋壓。閥門片在高速旋轉過程中，實現通道的打開、關閉，產生周期性壓力脈沖。

圖1 水力振蕩器結構

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

2 技術參數

適合井眼尺寸 215.9mm （8英寸）

最大外徑 180mm

最小循環通徑 45mm

總長 2 901mm

3.1 作者通過對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。培養得知該6株藻種均能在BG11培養基中較好生長。

有效長度 2 787mm

質量 430kg

兩端連接螺紋 4A11－4A10鉆桿螺紋

正常工作時脈沖頻率 16～20Hz

正常工作時振動幅值 3～8mm

壓降 2～3MPa

3 特點

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

2） 減小摩阻，提高機械鉆速。水力振蕩器在井下帶動鉆具振動時，將鉆具與井壁間的靜摩擦力轉變為動摩擦力，可以減小75%～80%摩阻，提高機械鉆速。

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

4） 保護鉆頭。在水平井鉆進時，由于鉆具的軸向振動，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 現場應用

衛186－平142井是位于大慶采油八廠芳5－5區塊的油田開發井，該井設計井深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行了現場試驗，在提高鉆進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行了井口測試，振動頻率為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無干擾。2012－12－18開始水平段鉆進，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，滑移鉆進時鉆壓控制在40～60kN，在1 623～1 626m滑移鉆進3m，平均鉆時8.1min／m，機械鉆速提高113%，工具面穩定。在鉆進過程中，近鉆頭定向儀器信號傳輸穩定，未發生干擾現象。

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

5 結論

1） 水力振蕩器將鉆井液的能量轉變為機械能，實現軸向高頻率、小振幅往復運動，可以減小井下鉆具與井壁之間的摩阻，從而提高鉆井機械效率。

2） 在水平井鉆進過程中，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） 水力振蕩器在現場使用效果良好，滑移鉆進機械鉆速提高54.9%，復合鉆進機械鉆速提高23%，托壓減小20～40kN，累計工作時間96h，大幅提高了鉆井速度，降低了成本。

4） 下一步將進行水力振蕩器現場應用推廣，對水力振蕩器井下安放位置進行設計和試驗，根據現場應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，等.水力脈沖式鉆進工具的研制與應用［J］.石油機械，2006，34（5）：27－28.

［2］陳武君，邢世奇，彭漢標.井下液力推進器的研制與應用［J］.石油鉆探技術，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用［J］.石油鉆探技術，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定性研究［J］.石油礦場機械，1995，34（4）：46－50.