水力振蕩器在中深水平井中的提效應用

劉陽，陳鵬，張鷗，甘淋淋

（中國石油渤海鉆探工程有限公司第一鉆井工程分公司，天津 300280）

螺桿+MWD是定向井控制井眼軌跡的主要方式，但是在井深超過2500m以后，使用螺桿+MWD滑動鉆進過程中，發生的鉆壓不易傳遞和鉆柱蛙動問題逐漸嚴重，在滑動鉆進過程中，鉆壓逐漸增大,但未將壓力作用于鉆頭，產生托壓現象,造成無進尺；鉆具所承受的壓力至一定數值，會突然掙脫井壁的粘阻力，瞬間向下傳遞壓力，產生“頓鉆”現象，致使螺桿的內部轉動受阻、螺桿壓降升高。這些現象嚴重降低了機械鉆速,帶來重大的井下鉆具安全隱患。在中深水平井的鉆進過程中，通過改善泥漿潤滑性能、進行短程起下鉆刮劃井壁等措施來降低摩擦阻力，提高滑動鉆進的效率，但效果不顯著。因此，鉆井工程師在中深井中利用水力振蕩器解決鉆壓傳遞與托壓的問題，較好的提高滑動鉆進機械的鉆速。

1 水力振蕩器的結構與原理

水力振蕩器主要由3個核心部件組成：動力端、閥門和軸承系統、振蕩短節部分。動力端是由1個2：1的動力馬達組成，馬達轉子下部固定1個閥片，流體或者鉆井液通過動力端，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（稱為動閥片）。與動力端連接的是閥片和軸承系統，是耐磨套和1個固定的閥片（稱之為定閥片）。動閥片和定閥片緊密配合，加上轉子的轉動，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,周期性的相對運動將造成流體流經工具的截面積發生周期性變化。使上游周期性變化的壓力作用在振蕩短節上，振蕩短節不斷地壓內部彈簧，形成振動。

通過流體壓力的周期性變化，作用在工具內在的彈簧上,由于壓力大小的變化,內部活塞在壓力和彈簧共同作用下，產生軸向的往復運動，從而將鉆具與井壁之間的摩擦力由靜摩擦變成動摩擦,以提高破巖效率。

2 在中深水平井中的應用

2.1 地層情況

官88-18H井位于王官屯油田官88斷塊，為1口3開水平井，設計井深 3555m，屬于中深水平井類型。

地質設計提示本井地質分層，從上到下分別為：平原組主要巖性為黃土和散砂；明化鎮組為砂泥巖互層；館陶組上部為砂巖、泥巖，底部為含礫不等的粒砂巖,砂巖；東營組主要巖性為大段泥巖及砂泥巖互層。沙河街上部生物灰巖，中部泥巖與細砂巖,下部油頁巖與泥巖，孔店組頂部為泥膏巖、大段泥巖,下部為砂泥巖互層。本井孔一段泥巖段長可鉆性差,使用螺桿+MWD滑動鉆進機械鉆速交底。

2.2 鉆井難點的分析

（1）館陶組底部存在35m厚的礫巖，研磨性強、可鉆性差，鉆頭的選擇比較重要。

（2） 孔一井段上部存在石膏,泥漿易被石膏污染，且井眼軌跡不易控制。

（3）孔店組存在大段泥巖,機械鉆速低,滑動鉆進效果差,鉆具長時間靜止,容易發生粘附卡鉆。

2.3 軌跡數據

官88-18H 井設計為1口水平井，設計井斜角90°,水平段長410m。根據臨井資料分析，上部井段使用常規螺桿+MWD鉆具組合：φ311.1mmPDC+φ244.5mm 1.5°螺桿 +φ203mm 浮閥 +φ305mm穩定器 +φ203mm 無磁鉆 鋌 +φ203mmMWD +φ 203.2mm 無磁鉆鋌 +φ127mm 加重鉆桿×21根。 采用 5刀翼 PDC 鉆頭，鉆井參數（ 鉆 壓 4～6t，排量3.6m3/min，轉速 70r/min）鉆完中完進尺。三開下入水力振蕩器配合螺桿+MWD控制井眼軌跡。

2.4 水力振蕩器位置的確定

（1）確定安放位置。通過模擬計算，在本井215.9mm井眼的施工中，將水力振蕩器安放于鉆頭上約280m的位置，配套 58.4mm的閥板，泥漿泵排量1.85～2m3/min，水力振蕩器壓降 4～4.2MPa，振動頻率15～16Hz。

（2）下井前井口測試。水力振蕩器被連接好后，以 0.4、0.8、1.2、1.6、2m3/min 在井口進行測試，在排量 0.8m3/min 時起振，排量逐漸提升時，振動更加明顯。在井口測試水力振蕩器的結果表明，工具振幅與泥漿泵排量（在排量0.8～2m3/min時）成正比關系。

（3）水力振蕩器與MWD信號干擾測試。水力振蕩器測試正常后，再測試定向井MWD信號,在排量1.85～2m3/min時信號正常。 結果表明，在工具距離鉆頭280m的位置時,工具對MWD信號無影響,可以正常下入。

2.5 鉆進效果試驗

（1）機械鉆速對比。鉆井完后，收集數據，本井官88-18H 井與鄰井管88井相比，官88-18H井的平均滑動機械鉆速比官88井提高了 20.4%，并且官88-18H 井的井斜更大，造斜率更高，鉆進難度更高。

（2）鉆頭定損。官88-18H井和官88井在215.9mm鉆頭鉆進時，均使用國產的新PDC鉆頭，官88井起出后，鉆頭IADC磨損定級：2-1-BT-A-XI-NO-TD；官88-18H 加入水力振蕩器后，完鉆起出后鉆頭IADC磨損定級：2-1-BT-A-X-I-NO-TD，從而得出：使用水力振蕩器后，不會加劇鉆頭的磨損，可以正常使用。

3 結語

（1）水力振蕩器可與定向井MWD儀器同時使用，工具距離鉆頭280m時，不會干擾MWD儀器信號。

（2）中深水平井官88-18H井在使用水力振蕩器以后,托壓效果明顯改善,滑動機械的鉆速提高了20.4%,并且減少活動鉆具后，重擺定向井儀器工具面的時間,造斜段時效明顯提高。