水力振蕩鉆井提速技術在渤海油田中的應用

摘 要：水力振蕩器可以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，利用振動將靜摩擦轉變為動摩擦，減小鉆進過程中的摩阻，降低粘卡的可能性，改善鉆壓傳遞效果，提高滑動段機械鉆速，從而進一步提高破巖效率。文章分析了水力振蕩器的結構組成、工作原理，并結合渤海油田實際的地層特征、鉆進過程中的難點分析以及在渤海油田中的應用，結果表明，水力振蕩器的應用，能夠解決鉆進過程中出現的托壓、粘附卡鉆等問題，提高機械鉆速，縮短鉆井周期，且不會加重鉆頭磨損。

關鍵詞：水力振蕩器；滑動鉆進；機械鉆速；鉆井提效

利用彎角馬達+扶正器的方式仍是定向井軌跡控制的主要技術措施。但是實際作業中，隨著井深增加，馬達鉆具滑動托壓和鉆柱蛙動問題[1-2]逐漸加重，表現為滑動過程中，鉆壓有增無減但無進尺，鉆具突然釋放以后，鉆頭彈性接觸井底，導致馬達憋壓，嚴重影響了鉆井效率和井下安全[3-4]。一般在渤海油田現場操作中，通過增強鉆井液潤滑性能、利用短起下鉆等措施降低摩阻，提高滑動效率，但收效甚微。為此，渤海油田引進了水力振蕩器以提高滑動鉆井效率，實際應用效果良好。

1 水力振蕩器簡介

1.1 水力振蕩器結構

水力振蕩器主要由三個機械部分組成：振蕩短節、動力部分、閥門和軸承系統。工具的動力部分是由一個2：1的動力馬達組成，馬達轉子的下端固定一個閥片，所以鉆井液流體通過動力部分時，驅動心軸轉動，由于螺桿鉆具的特性，末端在一個平面上往復運動（即動閥片）。與動力部分連接的閥片和軸承系統，主要部件是耐磨套和一個固定的閥片（即定閥片）。動閥片和定閥片緊密配合，由于轉子的轉動，導致兩個閥片相錯和重合，相錯和重合就導致上游的壓力發生變化。動力部分使上游周期性變化的壓力作用在振蕩短節上，振蕩短節不斷的壓內部彈簧，形成振動。

1.2 水力振蕩器工作原理

水力振蕩器的動力部分將鉆井液動能轉換為旋轉的機械能，與工具連接的其他鉆井工具形成在軸向上的往復運動，周期性變化的作用力傳遞給鉆頭，改變了鉆井過程中僅靠下部鉆具的重力給鉆頭施加鉆壓的方式，形成周期性溫和振蕩的鉆壓，提高破巖效率[5]。

2 水力振蕩器在渤海油田某N6井的應用

2.1 地層情況

鉆井在本區揭示的地層，自上而下有：平原組主要巖性為砂泥巖；明化鎮組厚層含礫砂巖夾泥巖；館陶組上部為大套中砂巖、含礫中砂巖及砂礫巖夾泥巖，底部為泥巖與中砂巖、含礫中砂巖及砂礫巖呈不等厚互層；東營組主要巖性為泥砂巖互層。

本區塊館陶組層底礫巖以上地層可鉆性好，進尺快，但底礫巖可鉆性較差，鉆頭及鉆具磨損嚴重，東營組上部大段泥巖為主，使用馬達鉆具滑動效果較差。

2.2 鉆井作業難點

本井在鉆進過程中遇到了以下難點：（1）館陶組下部存在垂厚

約50m的底礫巖，可鉆性較差，對鉆頭及鉆具磨損較大；（2）東營組井段泥漿馬達滑動時效極低，且粘卡風險大。

2.3 井眼軌跡設計

N6井設計為一口三維、雙靶點大斜度井，完鉆井深2284m，最大井斜角53°，穩斜段長1300m。

鑒于館陶組以上地層特性和造斜率要求，在上部井眼使用常規泥漿馬達鉆具組合：311.2mmPDC鉆頭+244.5mm泥漿馬達（1.15°，308mm直翼扶正套子）+203.2mm浮閥接頭+269.9mm扶正器+203.2mm非磁鉆鋌+203.2mm MWD+203.2mm非磁鉆鋌+203.2mm 隨鉆震擊器 +X/O+127mm加重鉆桿×14。采用7刀翼PDC鉆頭，選擇渤海成熟的三三三制鉆井參數（鉆壓3t，排量3m3/min，轉速30r/min）鉆穿館陶組底礫巖。確認鉆穿后起鉆將鉆頭更換為5刀翼強攻擊性鉆頭，并加入水力振蕩器繼續鉆進。

2.4 水力振蕩器的選擇與加放

2.4.1 加放參數選擇

通過軟件模擬，確定在N6井311.2mm井眼中把水力振蕩器放在距鉆頭300m左右，使用58.4mm閥板，工作排量3-3.5m3/min，工具壓降350-440psi，頻率14-17Hz。

2.4.2 功能測試

加放水力振蕩器后，分別用1.0/1.8/2.0/2.2m3/min在近井口測試工具功能，在1.0m3/min時工具有微弱震動，高于此排量減震器和管柱振動明顯。在地面對水力振蕩器進行功能測試，振蕩短節的振蕩頻率與流量相關，隨著流量的增大，振蕩頻率增大，其產生的振動或許會使整個鉆具發生強烈的振動。

2.4.3 MWD信號測試

MWD工具信號工作頻率理論可在2Hz至10.5Hz間調節，水力振蕩器功能測試正常后，對MWD工具進行信號測試。測試結果表明，二者信號頻率互不干擾，如果存在泵噪音干擾等復合因素時可通過調節MWD工具頻率以錯開干擾。

2.5 應用效果

2.5.1 鉆井效率

選取N5井、N7井與N6井作比較，三口井均為二開第二趟鉆至完鉆井深的井段（鉆穿館陶組底礫巖以后）。

從表1中可以看出，N6井的平均滑動機械鉆速比N5井和N7井分別提高了14.7%以及107.1%，并且N6井井斜更大，鉆進難度更高。

2.5.2 鉆頭磨損情況

N5井和N6井下部均使用同一款新鉆頭，N5井出井鉆頭磨損定級：1-1-WT-A-X-I-NO-TD；N6井鉆頭配合水力振蕩器使用，完鉆后出井IADC鉆頭磨損定級：1-1-WT-A-X-I-NO-TD，從而可以得到：水力振蕩器的使用不會增加鉆頭的磨損程度。

3 結束語

由水力振蕩器在某井的應用實例可以得出如下結論：（1）水力振蕩器可以與常規定向工具和儀器同時使用，與MWD工具間不存在信號頻率干擾，也不會對儀器和動力鉆具的使用壽命產生影響。（2）水力振蕩器的應用把單純的機械式加壓改為機械與液力相結合的加壓方式，改善鉆壓傳遞效果，減小橫向振動和扭轉振動。（3）水力振蕩器的使用能有效改變鉆具摩阻情況，尤其能夠減少滑動托壓現象，可大幅提高機械鉆速，節約鉆井時間。

參考文獻

[1]和鵬飛，孔志剛.PowerDriveXceed指向式旋轉導向系統在渤海某油田的應用[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2013，4（11）.

[2]李子豐，楊海濱，許春田，等.定向井滑動鉆進送鉆原理與技術[J].天然氣工業，2013，33（12）：13.

[3]丁穎，馬登峰，王成萍.滑動鉆進機械鉆速影響因素分析及對策[J].斷塊油氣田，2006，12（4）：71-72.

[4]姬洪剛，卓振洲，張雪峰，等.渤海某油田利用模塊鉆機調整井鉆井作業的難點與對策[J].科技創新與應用，2014（6）.

[5]劉鵬飛，和鵬飛，李凡，等.欠位移水平井C33H井裸眼懸空側鉆技術[J].石油鉆采工藝，2014，1：44-47.

作者簡介：陳龍，男，助理工程師，2011年本科畢業于中國石油大學（北京），主要從事海洋石油鉆完井工作。