水力振蕩器在下揚子地區東深1井的應用

【摘要】： 定向鉆進過程中存在不同程（度的“托壓”現象，嚴重時會導致定向段機械轉速成倍降低，甚至沒有進尺。如何提高定向井段的鉆壓傳遞效率，減少摩阻，始終是一個技術難題。水力振蕩器是一種可以把定向鉆進過程中的靜摩擦力轉化為動摩擦力的有效工具。本文針對東深1井二開鉆進中“托壓”嚴重的問題，分析了水力振蕩器的結構和工作原理，以及與定向工具的兼容性，并首次將該工具應用于江蘇下揚子地區鉆井。試驗結果表明：水力振蕩器可以明顯的降低摩阻，保證了定向鉆進中工具面的平穩，其中定向井段的機械鉆速提高107%，該試驗井段平均機械鉆速提高97.9%，水力振蕩器的應用在東深1井取得了顯著的效果。

【關鍵詞】： 水力振蕩器；定向井段；托壓現象；下揚子地區；降阻提效

Abstract： There will be a various “Backing Pressure " in the process of directional drilling，and it will lead to collapse of the ROP， even lose footage if the backing pressure becomes serious. How to improve the transmission efficiency and reduce the friction of the directional well is always a technical problem. The agitator is an effective tool to convert the static friction force into the dynamic friction force in directional drilling. According to the phenomenon of backing pressure in Dongshen 1well， it is decided to use agitator in this well， after the structure and working principle of the agitator， and compatibility with the directional tool have been studied. For the first time the tool is used in the Lower Yangtze area of Jiangsu. The test results show that agitator can significantly reduce the friction， ensure the smooth of the tool face orientation.The directional drilling speed has been increased 107%， and the average rate of penetration has been increased 97.9% in this testing section.The application of agitator in Dongshen 1 well has achieved remarkable results .

Keywords： directional drilling；Lower Yangtze area； reducing friction and increasing ROP；backing pressure；agitator

定向井、水平井的定向井段、穩斜段以及直井防斜打直等鉆井施工過程中，需要進行連續或間斷的井身軌跡調整。但是頻繁的調整井眼軌跡，會導致井眼中的“拐點”增多，這樣會造成定向中“托壓”現象越發明顯，工具面很難控制；定向井段的機械鉆速成倍下降，延長鉆井作業周期。托壓嚴重時會造成鉆具自鎖，失去進尺。

東深1井在二開∮311.2mm井眼施工過程中，由于地層傾角的劇烈變化，1860m時井斜由1.76°迅速增加到2.68°，隨后開始定向糾斜。定向井段鉆時20—40min/m，鉆進過程中基本無“托壓”現象，井斜控制在3°以內。但是頻繁的糾斜鉆進導致井眼內的“拐點”不斷增加（圖1），定向鉆進至2206m開始出現“托壓”現象，2712m后“托壓”現象嚴重，鉆壓由60KN上升到245.7KN，平均鉆時108.6min/m，鉆進中大部分時間都用來活動鉆具、調整工具面，定向鉆進幾乎無法進行。嘗試向鉆井液中加入大量的潤滑劑和多次短起下作業等方式來降低摩阻，但是效果不明顯。為了能正常進行定向作業，達到提高定向井段機械轉速的目的，鑒于國內外以往成功應用案例，東深1井在二開2724.17m后嘗試使用國民油井8"水力振蕩器，開創了下揚子區塊首次使用水力振蕩器的先例。

1、水力振蕩器的結構和工作原理

水力振蕩器是一種將定向中的靜摩檫力轉化為動摩擦力的鉆井工具，與定向工具MWD/LWD兼容，可以配合螺桿和PDC鉆頭鉆進。其主要結構由軸向振蕩減阻器主要由軸向振動短節、動力短節、閥門和軸承系統這3部分組成，如圖2所示。

螺桿轉子的末端與閥門系統的動閥盤相連，但是定閥盤及其口徑固定，當鉆井液驅動轉子旋轉時，動閥盤相對定閥盤會做平面往復運動，周期性地相對運動會使流體經過工具的截面積（最大值和最小值） 產生周期性變化（圖3），最終會使軸向振動短接的脈沖壓力產生同步周期性變化。

動力短節壓力脈沖周期性變化，使內部彈簧處于周期性的積蓄能量和釋放能量狀態，最終引起了水力振蕩器的軸向振動。當下部的鉆具組合在工具的帶動下往復運動時，定向鉆進中鉆具與井壁的靜摩擦力會轉化為動摩擦力。

2、現場應用情況

2.1東深1井概況

東深1井是部署在下揚子地區無錫斷隆帶錫北構造錫北-1塊構造區上的一口區域探井，設計井型為直井，實鉆井深6501米。鉆探目的是探索錫北構造含油氣性，查驗無錫—黃橋斷褶帶中南部的沉積建造，獲取鉆遇地層的生儲蓋參數。使用水力振蕩器的層位為志留系下統高家邊組，地層巖性為灰、深灰色泥巖、粉砂質泥巖夾灰綠色含泥長石石英細砂巖。

2.2鉆具組合及鉆井參數

結合實際井眼情況，經過軟件模擬計算，確定水力振蕩器加在距離井底135.54m處。具體鉆具組合如下：Φ311.1PDC鉆頭+Φ244無扶單彎螺桿（1.25°）+浮閥+Φ203無磁鉆鋌（MWD）+扶正器+Φ203鉆鋌×12+水力振蕩器+Φ139.7鉆桿。鉆井參數：鉆壓40—160KN，轉速 40+L，泵壓 19Mpa，排量 45L/s，鉆井液性能：密度 1.32g/cm3，粘度 48s。

2.3鉆進過程

本次鉆進井段為2724.17m—2997.77m，該井段的地層傾角變化十分明顯，最大地層傾角50.118°（2882 m），這次鉆具組合的目的主要為糾斜鉆進。2016年2月13日2：00開始下入水力振蕩器，后因定向儀器MWD電池耗盡，于2月17日21：00起鉆更換定向儀器電池和鉆頭，起鉆檢查水力振蕩器工況良好。總進尺273.6m，純鉆時間93.5h，平均機械鉆速2.93m/h。其中定向井段進尺33.08m，平均機械鉆速1.95m/h；復合井段進尺240.52m，平均機械鉆速3.14m/h。該井段定向鉆進時鉆時在13—18min左右，2899m最高鉆時為21.4min，井斜由3.72°↓2.68°。

3、使用效果分析

3.1“托壓”現象明顯減少

東深1井使用水力振蕩器后，“托壓”現象明顯減少。定向井段的最大鉆壓由原來的24.6T降低到15.2T，降低幅度38.2%。對比錄井曲線圖5、圖6可知，定向鉆進過程中鉆壓施加平穩，不再需要頻繁活動鉆具，從根本上改變了前期無法定向鉆進的情況。有效的控制了井斜和井眼軌跡，保障下部井段正常施工。

3.2定向井段機械轉速明顯提高

水力振蕩器使用后，定向和復合井段的每米鉆時明顯加快，定向井段的鉆時由原來的85min/m↓21min/m，提高75.3%，如7圖所示。

由上表分析可知水力振蕩器不但改善了以往無法正常定向鉆進的情況，而且定向井段和平均井段的機械鉆速均得到了成倍的提高。水力振蕩器軸向振動克服摩阻可以提高定向井段的機械鉆速，另一方面其軸向的高頻振動可以對鉆頭形成類似于沖擊鉆井的效果，進一步提高平均機械鉆速。東深1井采用水力振蕩器鉆進后，定向井段的鉆進機械鉆速提高107%、平均井段的機械鉆速提高97.9%，取得了非常顯著的鉆井效果。

4、結論及建議

1）東深1井二開井段使用水力振蕩器后，不僅極大的減少了“托壓”現象，而且定向井段和平均井段的機械鉆速均得到成倍的提高，可見水力振蕩器在降低摩阻和提高機械鉆速方面的效果十分明顯。

2）高家邊組地層自然傾角大，定向糾斜過程中發現摩阻有增大趨勢時，要盡早使用水力振蕩器。避免因“拐點”增多、摩阻增大，出現“托壓”嚴重和無法正常定向鉆進的被動局面。

3）高家邊地層巖性致密，壓實程度高，可鉆性較差，嘗試使用水力振蕩器+無扶正器彎螺桿+PDC組合，可以明顯改善鉆壓傳遞效果，避免了PDC冠狀齒、外排齒因大鉆壓沖擊形成的早期破壞，且該鉆具組合降斜效果明顯。

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作者簡介：程彥紅（1981—），男，山西左權人，2005年畢業于中國石油大學（華東）石油工程專業，工程師，主要從事石油工程鉆井現場施工、鉆井技術研究及技術管理工作。