水力振蕩器在海洋鉆井中的礦場應(yīng)用

戴 杰，張 野，張慶春

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452）

水力振蕩器在海洋鉆井中的礦場應(yīng)用

戴 杰*，張 野，張慶春

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452）

海上鉆井作業(yè)費(fèi)用高昂，作業(yè)類型多為叢式井，具有井眼深、軌跡復(fù)雜、摩阻大、下部井段滑動(dòng)鉆進(jìn)困難的特點(diǎn)。為了降低摩阻、提高時(shí)效，鉆進(jìn)困難時(shí)，通常使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具鉆進(jìn)，但是其費(fèi)用高昂，增加了作業(yè)成本，而水力振蕩器具有降低摩阻、提高機(jī)械鉆速、減少粘附卡鉆、作業(yè)費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，近兩年，在渤海地區(qū)投入試驗(yàn)使用。通過渤海地區(qū)應(yīng)用實(shí)例分析，總結(jié)表明，水力振蕩器配合合理的鉆具組合和井身結(jié)構(gòu)，可以顯著提高機(jī)械鉆速，達(dá)到降本增效的目的。

海洋鉆井；機(jī)械鉆速；渤海地區(qū)；降本增效

1 概述

隨著中海油“二次跨越”的實(shí)施，海上叢式井井網(wǎng)加密，井眼軌跡日益復(fù)雜，摩阻越來越大，在造斜井段普遍存在著托壓、粘卡現(xiàn)象，鉆壓難以有效施加，為了確保鉆井作業(yè)高效實(shí)施，通用方法：先利用常規(guī)馬達(dá)鉆具滑動(dòng)鉆進(jìn)造斜，滑動(dòng)鉆進(jìn)困難時(shí)，更換旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具造斜。雖然旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具成功克服這一技術(shù)難點(diǎn)，但是其作業(yè)費(fèi)用高昂，所鉆井眼規(guī)則、擴(kuò)眼率較小，不利于下套管作業(yè)。相比旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，水力振蕩器具有作業(yè)費(fèi)用少、降低滑動(dòng)摩阻、提高機(jī)械鉆速、減少粘附卡鉆的優(yōu)點(diǎn)[1-4]。中海油天津分公司自2013年以來，在渤海地區(qū)在12-1/4″井眼和8-1/2″井眼對水力振蕩器進(jìn)行了多口井的應(yīng)用試驗(yàn)。因此，搞清水力振蕩器的工作原理，優(yōu)選與海上鉆井施工的最佳方案，對海洋鉆井作業(yè)降本增效變得至關(guān)重要。

2 水力振蕩器的結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 水力振蕩器的結(jié)構(gòu)

水力振蕩器主要由動(dòng)力部分、閥片與軸承系統(tǒng)和配套部分(振蕩/彈簧短節(jié))組成（如圖1所示）。其中在使用過程中，閥片為水力振蕩器的易損原件；撓性強(qiáng)的鉆具可以不使用振蕩短節(jié)。

圖1 水力振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 工作原理

水力振蕩器的動(dòng)力部分由一個(gè)2∶1的馬達(dá)組成，馬達(dá)轉(zhuǎn)子的下端固定一個(gè)動(dòng)閥片，與動(dòng)力部分連接的是閥片和軸承系統(tǒng)，主要由耐磨套和固定閥片組合稱之為定閥片（如圖2所示）。

當(dāng)鉆井液通過動(dòng)力部分時(shí)，驅(qū)動(dòng)心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)動(dòng)閥片在一個(gè)平面上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)閥片與定閥片位置相錯(cuò)或重合，周期性地改變流體的過流面積，導(dǎo)致上游的壓力發(fā)生周期性的變化。當(dāng)兩閥片最小重合時(shí)，鉆井液通過工具的截面積最小產(chǎn)生最大壓降；當(dāng)兩閥片最大重合，鉆井液通過截面積最大產(chǎn)生最小壓降，截面積周期性變化，使上游壓力同步周期性變化（如圖3所示）。

動(dòng)力部分使上游壓力周期性地作用在振蕩短節(jié)上，振蕩短節(jié)不斷地壓縮其內(nèi)在的彈簧而形成振動(dòng)。在壓力和彈簧的雙重作用下產(chǎn)生軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)與工具連接的其他鉆井工具在軸向上往復(fù)運(yùn)動(dòng)。通過帶動(dòng)整個(gè)鉆具的振動(dòng)，達(dá)到降低摩阻，改善鉆壓傳遞的目的[5-6]。由于彈簧的壓縮是消耗能量的，所以當(dāng)能量釋放時(shí)，75%的作用力向下，指向鉆頭方向，其余25%作用力向上，與鉆頭方向背向。振動(dòng)頻率與通過的流量呈線性關(guān)系，頻率為9～26Hz，工具的瞬間沖擊加速度為1～3倍的重力加速度。

圖2 閥片結(jié)構(gòu)圖

圖3 水力振蕩器閥門系統(tǒng)與壓降關(guān)系示意圖

3 工具性能參數(shù)

渤海使用的泛亞科瑞誠公司代理NOV公司生產(chǎn)6-3/4″、8″水力振蕩器，其工具主要參數(shù)[7]如表1所示。

表1 水力振蕩器性能參數(shù)

4 礦場應(yīng)用效果分析

4.1 12-1/4″井眼使用效果分析

QHD32-6-J29H和QHD32-6-J36H位于渤海海域秦皇島區(qū)塊，在二開12-1/4″井眼鉆進(jìn)時(shí)，使用8″水力振蕩器與常規(guī)馬達(dá)預(yù)斜鉆具配合用于水平段著陸，使用效果如表2所示。

表2 水力振蕩器12-1/4″井眼應(yīng)用效果對比表

根據(jù)表2數(shù)據(jù)對比，并結(jié)合QHD32-6-J平臺現(xiàn)場使用情況分析得出：

（1）水力振蕩器振動(dòng)頻率對MWD信號無影響，但是使用壓耗較大，并且4口井皆使用5″鉆桿，循環(huán)壓耗大，造成泵壓過高，排量受限。

（2）2200m左右的水平井12-1/4″井眼使用水力振蕩器機(jī)械鉆速沒有提高，二開建井周期相對增加，主要原因：使用時(shí)排量受限較大，攜砂不好；工作排量達(dá)不到最佳排量，水力振蕩器工作狀態(tài)不佳。

（3）在滑動(dòng)定向鉆進(jìn)過程中，水力振蕩器確實(shí)有降摩阻、減小托壓的作用，但是由于排量受限，攜砂不好，效果不佳。

（4）在12-1/4″井眼上部井段水力振蕩器工作時(shí)，振動(dòng)劇烈、泵壓高對設(shè)備負(fù)荷較大，使用時(shí)易造成設(shè)備損害，耽誤生產(chǎn)時(shí)間，如表3所示。

4.2 鉆具對水力振蕩器的影響

根據(jù)上面分析，水力振蕩器在二開12-1/4″井眼使用時(shí)，工具壓耗大和中淺層振動(dòng)劇烈是影響水力振蕩器工作效果的主要原因。因此，與QHD32-6-I7H井和QHD32-6-H17H井12-1/4″井眼水力振蕩器配合5-1/2″鉆桿的使用效果進(jìn)行了對比分析，如表4所示。

表3 二開12-1/4″井眼使用水力振蕩器復(fù)雜情況匯總表

表4 水力振蕩器配合不同鉆桿使用效果對比分析表

水力振蕩器與5-1/2″鉆桿配合使用中完排量最大可到3600L/min，與J29H井、J36H井對比，二開12-1/4″井眼行程鉆速提高36%左右，排量增加500L/min。現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)，攜砂較好，滑動(dòng)鉆進(jìn)平穩(wěn)，減小托壓效果明顯，但是由于工具振動(dòng)劇烈，也發(fā)生了工具設(shè)備損害情況。

4.3 8-1/2″井眼使用效果分析

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，水力振蕩器在12-1/4″井眼使用效果并不理想。因此，對渤海地區(qū)綏中區(qū)塊和曹妃甸區(qū)塊的SZ36-1-N23M井、CFD5-5-3D井在8-1/2″井眼水力振蕩器使用情況進(jìn)行了對比分析，如表5所示。

表5 水力振蕩器8-1/2″井眼應(yīng)用效果對比表

根據(jù)表5對比得出，CFD5-5-3D井與CFD12-6-1井對比行程鉆速提高238%；SZ36-1-N23M井與SZ36-1-G34H井對比行程鉆速提高163%。水力振蕩器在8-1/2″井眼使用表現(xiàn)排量不受限制，形成鉆速提高明顯，并且井眼較深，鉆臺振動(dòng)較小，對設(shè)備負(fù)荷不大。

5 總結(jié)與建議

（1）水力振蕩器技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：降低摩阻，提高機(jī)械鉆速，減少粘附卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)；技術(shù)缺點(diǎn)：工具壓耗大，排量受限較大，影響攜砂效果和滑動(dòng)效果，加大倒劃眼起鉆難度，增加非生產(chǎn)時(shí)間；淺層工具振動(dòng)劇烈，對設(shè)備負(fù)荷較大。

（2）使用水力振蕩器時(shí)，為了提高排量，提高攜砂能力，優(yōu)選5-1/2″鉆桿與水力振蕩器配合使用，若條件允許也可以適當(dāng)放大噴嘴，減小鉆頭水力壓降。

（3）建議在大位移、大斜度井等摩阻大、托壓嚴(yán)重深井使用；或者在8-1/2″及以下井眼使用試驗(yàn)；油藏允許可用于常規(guī)水平井三開鉆進(jìn)。

（4）使用水力振蕩器前，應(yīng)對泥漿泵、頂驅(qū)等設(shè)備做好維修保養(yǎng)，降低工具振動(dòng)的影響。

[1]石崇東，黨克軍，張軍，等.水力振蕩器在蘇36-8-18H井的應(yīng)用[J].石油機(jī)械，2012，40（3）；35-38.

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TE95

B

1004-5716(2015)11-0053-04

2014-11-05

戴杰（1982-），男（漢族），天津人，工程師，現(xiàn)從事鉆井監(jiān)理技術(shù)工作。