水力振蕩器在五段制井中的適應性研究與應用

王建龍，馮強，于志強，柳鶴，張蘇

（中國石油集團渤海鉆探工程技術研究院，天津300450）

水力振蕩器在五段制井中的適應性研究與應用

王建龍，馮強，于志強，柳鶴，張蘇

（中國石油集團渤海鉆探工程技術研究院，天津300450）

五段制井降斜段或下直段滑動鉆進托壓嚴重，滑動鉆進困難，滑動效率低。實鉆數據表明，水力振蕩器在五段制井中緩解托壓的效果有好有差。分析認為這與水力振蕩器的工作特性、使用的井段等有很大的關系。因此，本文在分析了水力振蕩器工作特性的基礎上，研究了水力振蕩器在五段制井眼中的適應性。現場應用效果表明，水力振蕩器有效緩解五段制井降斜段滑動鉆進托壓問題，但是不能緩解下直段滑動鉆進托壓問題。本文的研究結果為五段制井合理優選水力振蕩器、優化水力振蕩器安放位置有重要的意義。

水力振蕩器；五段制井；降斜段；下直段；托壓

五段制定向井剖面即直-增-穩-降-直[1]。這種剖面的定向井，在降斜段或下直段滑動鉆進托壓嚴重，滑動鉆進困難，滑動效率低。水力振蕩器通過產生軸向振動來降低鉆柱與井壁間的摩阻，緩解滑動鉆進托壓，提高滑動效率[2-4]。現場應用效果表明，水力振蕩器在五段制井中緩解托壓的效果有好有差。分析認為這與水力振蕩器的工作特性、使用的井段等有很大的關系。然而，很少有學者結合水力振蕩器的工作特性及五段制井的特點，分析水力振蕩器在五段制井中的適應性。因此，研究水力振蕩器在五段制井中的適應性，對提高水力振蕩器應用效果具有重要意義。

1 水力振蕩器工作特性分析

水力振蕩器包括兩部分：脈沖短節和振蕩短節（見圖1）。其中，脈沖短節主要由螺桿、定盤閥、動盤閥組成；振蕩短節主要由活塞、碟簧組組成[5，6]。

圖1 水力振蕩器系構示意圖

水力振蕩器隨鉆具組合入井之后，振蕩短節內的碟簧發生周期性的伸縮運動。碟簧往復運動過程中，受到靜載力和動載力的合力（見圖2）。

圖2 水力振蕩器碟簧所受壓縮力示意圖

碟簧往復運動過程中受到的靜載力有下部鉆具重力在軸向上的分力Fg、下部鉆具與井壁之間產生的摩阻Fμ、鉆井液流經盤閥、鉆頭等節流面積發生變化的部位產生的沖擊力Fc。碟簧產生形變量L也是由靜形變量L1和動形變量A（也叫振幅）兩部分組成。由于在工作狀態下，Fg和Fc可以近似看做恒定值。所以，靜載荷產生的形變量L1也是不變的，稱為靜形變量。碟簧壓縮儲存彈性能量的過程中，受到的動載力為壓力波動作用在活塞上產生的推力Ft與下部鉆具與井壁之間產生的摩阻Fμ的合力，這部分力產生的碟簧形變量為動形變量A。其中，真正能產生有效振動的是動載力作用下產生的動形變量。

碟簧彈性能量釋放過程中，Ft消失，此時由碟簧動形變量產生的彈性能克服下部鉆具與井壁的摩阻Fμ，由壓縮狀態到半伸縮狀態。由于碟簧彈性能釋放是要消耗能量的，所以當能量釋放時，有75%的作用力向下而指向鉆頭方向，其余25%作用力向上，與鉆頭背向[7，8]。

假設碟簧組被壓并的最小壓力為Fmin，最大彈性形變量為Lmax。若Fg+Fc+Ft＜Fmin且Lmax＞L1+A，則碟簧組處于彈性范圍；若Fg+Fc+Ft≥Fmin且Lmax≤L1+A，則碟簧組被壓并，處于非彈性狀態。根據碟簧的工作特性，碟簧在受力狀態下，只有在彈性變形范圍內才能正常工作。

因此，為保證水力振蕩器正常工作，每次入井之前要準確計算Fg、Fμ、Fc及Ft的大小，優化水力振蕩器在鉆柱中的安放位置。

2 水力振蕩器適應性分析

五段制井垂直投影圖（見圖3）。

圖3 模擬井井眼軌道投影示意圖

（1）降斜段（降斜始點C-降斜終點D）：降斜段滑動鉆進過程中，鉆柱與井壁之間的摩阻主要包括增斜段fμ1、穩斜段fμ2和降斜段fμ3。增斜段的鉆具軸向拉力的徑向分力與重力在軸向的分力方向相反，有助于減小鉆具與井壁的摩阻（見圖4）；降斜井段的鉆具軸向分力與重力在軸向的分力方向相同，會增加鉆具與井壁的摩擦阻力。因此，在相同的狗腿度情況下，降斜井段的摩阻fμ3遠大于增斜段摩阻fμ1。

圖4 鉆具在不同斜井段的受力分析

降斜段滑動鉆進過程中，應用水力振蕩器緩解托壓最理想的方法是同時減小fμ1、fμ2和fμ3。但是，若將水力振蕩器安放在M-N井段，則Fg+Fc+Ft≥Fmin，碟簧處于被壓并狀態，無法處于正常工作狀態。因此，為保證水力振蕩器正常工作，需要將水力振蕩器，安放在P-Q井段的合適位置，此時可以降低降斜段及部分穩斜段的摩阻fμ2和fμ3。但是，隨著降斜段的延伸，井斜角越來越減小，水力振蕩器以下鉆柱與井壁間的摩阻越來越小。所以，隨著降斜段井斜角的減小、水力振蕩器位置的下移，水力振蕩器降摩阻的效果會逐漸減弱。

（2）降直段（降斜終點D-井底點E）：下直段調整井斜滑動鉆進過程中，鉆柱與井壁之間的摩阻同樣包括增斜段fμ1、穩斜段fμ2和降斜段fμ3。若將水力振蕩器放在M-P井段，則Fg+Fc+Ft≥Fmin，碟簧處于被壓并狀態，無法正常工作；若水力振蕩器安放位置下移至某一位置Fg+Fc+Ft＜Fmin，水力振蕩器之下的鉆具基本處于小井斜甚至井斜角為0°的井斜，此時水力振蕩器以下鉆柱與井壁之間的摩阻很小，幾乎可以忽略不計。此時水力振蕩器雖能正常工作，但基本不能降低鉆具與整個井眼的摩阻，所以也不能有效的緩解滑動鉆進托壓問題。因此，下直段滑動鉆進過程中的托壓問題，不能利用水力振蕩器來緩解。

3 現場應用

為驗證水力振蕩器在五段制井中的適應性，在試驗1井和試驗2井中進行了現場試驗。

3.1 試驗1井

試驗1井是一口五段制井，設計井深4 183.51 m，最大井斜角32.91°該井降斜段鉆進至3 081 m，滑動鉆進出現嚴重的托壓現象，托壓值100 kN～150 kN，托壓頻繁釋放，導致工具面不穩定，憋泵現象嚴重，滑動困難。3 081 m～3 221 m滑動鉆進過程中，滑動機械鉆速為0.96 m/h。為緩解降斜段托壓問題，自3 221 m開始進行水力振蕩器測試。

根據水力振蕩器工作特性、實鉆井眼軌跡、鉆具組合，優化水力振蕩器安放在距鉆頭325 m的距離。水力振蕩器入井之后，自3 221 m鉆進至3 412 m，滑動鉆進進尺25 m。

滑動鉆進期間，未出現托壓現象，工具面穩定，能夠連續定向，不需要頻繁活動鉆具。滑動機械鉆速提高到2.42 m/h，比使用之前提高95.5%。由此可以看出，水力振蕩器在五段制井降斜段能有效緩解滑動鉆進托壓問題。

3.2 試驗2井

試驗2井是一口五段制定向井，設計井深4034.28m，最大井斜角18°。該井降直段鉆進至3 300 m，出現井斜，最大井斜角達到3°，為保證中靶，自3 300 m開始定向調整井斜，3 300 m～3 590 m滑動鉆進過程中，出現嚴重的托壓問題，托壓值最大到250 kN，滑動鉆進困難，滑動機械鉆速為1.067 m/h。為測試水力振蕩器在五段制井下直段的適應性，自3 221 m下入水力振蕩器。

根據水力振蕩器工作特性、實鉆井眼軌跡、鉆具組合，優化水力振蕩器安放在距鉆頭302 m的距離。水力振蕩器入井之后，自3 590 m鉆進至3 838.24 m，滑動鉆進進尺57.56 m。

滑動鉆進期間，托壓現象仍存在，托壓值在200 kN以上，滑動仍舊困難，滑動機械鉆速1.1 m/h，與使用之前基本一致。由此可以看出，水力振蕩器在五段制井降直段緩解托壓效果十分有限，即不適合在降直段滑動鉆進過程中緩解托壓。

4 結論及建議

（1）五段制井眼滑動鉆進過程中，降斜段由于鉆柱彎曲應力與鉆柱重力的分力方向相同，摩阻會大幅增加，造成滑動托壓，導致滑動鉆進困難。下部降直段調整井斜時，托壓現象愈加嚴重。

（2）水力振蕩器碟簧組只有在彈性范圍內才能正常工作，所以現場應用需要準確計算Fg、Fμ、Fc及Ft的大小，以便優化水力振蕩器的安放位置。

（3）試驗1井、試驗2井應用效果表明，水力振蕩器有效緩解五段制井降斜段滑動鉆進托壓問題，但是不能緩解下直段滑動鉆進托壓問題。

［1］徐慧峰，唐興智，胡豐金.五段制定向井軌跡控制技術實踐［J］.石油鉆探技術，1994，22（1）：21-24.

［2］李博.水力振蕩器的研制與現場試驗［J］.石油鉆探技術，2014，42（1）：111-113.

［3］王建龍，王豐，張雯瓊，等.水力振蕩器在復雜結構井中的應用［J］.石油機械，2015，43（4）：54-58.

［4］石崇東，黨克軍，等.水力振蕩器在蘇36～8～18H井的應用［J］.石油機械，2012，40（3）：35-38.

［5］胥豪，牛洪波，等.水力振蕩器在新場氣田新沙21～28H井的應用［J］.天然氣工業，2013，33（3）：64-67.

［6］董學成，熊繼有，王國華，等.振蕩沖擊器工作特性研究［J］.機械工程學報，2014，52（21）：197-205.

［7］明瑞卿.水力振蕩器提速原理分析與現場試驗［J］.石油工業技術監督，2015，（9）：7-9.

［8］張輝，吳仲華，蔡文軍.水力振蕩器的研制與現場試驗［J］.石油機械，2014，42（6）：12-15.

The suitability study and application of hydraulic oscillators in slant well

WANG Jianlong，FENG Qiang，YU Zhiqiang，LIU He，ZHANG Su
（Bohai Drilling Engineering Technology Research Institute，CNPC，Tianjin 300450，China）

Backing pressure severely while sliding drilling in slant well,and the sliding efficiency is low.The drilling results showed that the using of hydraulic oscillator,some wells the effect are well,some wells the effect are not well.Analysts believe that this has a great relationship with operating characteristic and the well section.Therefore,the operating characteristics of hydraulic oscillator was analyzed,the suitability in slant well is studied.The application results showed that hydraulic oscillator can effectively alleviate sliding drilling backing pressure in slant well except lower hold section.The results of this paper reasonably well prepared for the slant well preferably hydraulic oscillator,optimized placement of hydraulic oscillator has an important significance.

hydraulic oscillator；slant well；inclination reduction section；lower hold section；backing pressure

TE927

A

1673-5285（2017）02-0047-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.02.011

2017－01-09

中石油渤海鉆探工程有限公司技術應用項目“鉆井提速工具優化升級與現場試驗”；中石油渤海鉆探工程技術研究院科技項目“緩解定向托壓配套技術研究”。

王建龍，男（1984－），中國石油集團渤海鉆探工程技術研究院助理工程師，主要從事鉆井工程設計及技術研究工作，郵箱：383462010@qq.com。