水力振蕩器在三段制定向井中的應用

鄭 鋒 ，于 琛 ，陳佳杰 ，徐 旺 ，劉泳敬 ，馬光東

（1.渤海鉆探工程技術研究院，天津 300280；2.大港油田灘海開發公司，天津 300280；3.渤海鉆探新青玉石油工程事業部，天津 300280；4.渤海鉆探第三鉆井分公司，天津 300280；5.青海油田采油一廠，青海茫崖 816400）

隨著油田勘探開發的進行，大位移、大斜度定向井數量不斷增加，該類井鉆井過程中，鉆具所受摩阻大，在滑動鉆進過程容易產生托壓，鉆頭難以得到鉆壓，會出現機械鉆速低、工具面不穩定等現象[1-3]。一般采取向泥漿中加入潤滑劑或進行短起下的方法，可有效降低摩阻、減緩托壓[4]。但是，受制于現場施工要求，應用范圍有一定局限性，如：在目的層井段加入潤滑劑，會影響綜合錄井數據。頻繁短起下會增加鉆井作業時間，提高井壁垮塌風險。使用水力振蕩器的軸向振動，將井內鉆具所受靜摩擦轉變為動摩擦，可良好解決滑動鉆進托壓引起的系列問題，提高施工效率[5-7]。

C16x井是一口三段制定向井，二開裸眼段長、井斜大，依據WELLPLAN軟件計算結果，在造斜井段，井斜達到10°后，鉆具所受摩阻開始明顯增大，并與井深近似呈線性關系，在井深2 700 m時摩阻即達到42.1 kN，預計開始出現滑動鉆進托壓問題。實際鉆井過程中，在井深2 640 m的造斜段，井斜約28°，托壓值達到50 kN～80 kN，滑動鉆進中工具面變得不穩定，需頻繁活動鉆具，增加了井眼軌跡控制難度。在距離鉆頭193 m位置安放水力振蕩器，滑動鉆進效率得到明顯改善。

1 技術難點

C16x井為一口二開定向井，設計井深3 805.67 m、最大井斜51.85°，一開Φ339.7 mm套管下深380 m，二開鉆頭直徑215.9 mm。使用WELLPLAN軟件對二開施工摩阻變化情況進行了分析，計算結果（見圖1）。

本井造斜段井斜達到10°后，隨井斜角的增大，鉆具所受摩阻迅速增加，在2 400 m至井底井段，摩阻基本與井深呈線性關系。在井深2 700 m摩阻即達到42.1 kN，滑動鉆進產生托壓的風險增大，且隨著井深增加，摩阻還會進一步變大，最大摩阻達174.6 kN。為有效解決托壓問題，提高滑動鉆進效率，解決井眼軌跡控制難題，制定了自井深2 700 m使用水力振蕩器的應對措施。

2 水力振蕩器技術分析

2.1 工作原理

水力振蕩器主要由振蕩短節和脈沖短節組成，脈沖短節產生周期性的壓力脈沖，振蕩短節在該壓力脈沖的作用下，產生軸向振動（見圖2）。具體而言，鉆井液進入水力振蕩器后，驅動脈沖短節部分的轉子轉動，轉子帶動其下端連接的動閥做周向往復運動，引起動閥和定閥之間過流面積產生周期變化，進而產生周期性的壓力脈沖并傳遞至振蕩短節內，引起碟簧軸向蠕動，進而帶動工具上下端連接的鉆具產生軸向振動，將井下鉆具所受靜摩擦力轉變為動摩擦力，鉆具所受托壓大幅減小。

圖1 C16x井摩阻變化模擬圖

圖2 水力振蕩器結構圖

2.2 設計性能參數

研制的Φ178 mm型水力振蕩器適用Φ215.9 mm尺寸井眼，工具設計參數如下。

工具外徑：178 mm；抗拉強度：4 500 kN；抗扭強度：80 kN·m；耐溫：150 ℃；排量：28 L/s～35 L/s；工作壓差：3.0 MPa～5.0 MPa；工作頻率：10 Hz～15 Hz；扣型：4-1/2IF。

2.3 室內測試

水力振蕩器完成室內組裝后，對其性能進行了測試，分析了不同排量下工具的壓降、振幅、頻率。測試結果表明：排量達到15 L/s，工具出現明顯且規律的振動，隨著排量的增大，工具壓降提高、振幅變大、頻率變快，在排量30 L/s時，泵壓3.2 MPa，工具振動幅度11.1 mm，振動頻率15 Hz，與設計值基本相符（見表1）。

表1 水力振蕩器室內測試數據

3 應用效果評價

3.1 施工概況

C-16x井水力振蕩器應用井段2 701 m～2 932 m，工具入井總時間61 h，工作總時間39 h，完成造斜段鉆井后起鉆。依據該井摩阻計算結果和水力振蕩器室內測試情況，通過水力振蕩器最優安放位置選擇方法[8]，確定工具位置距離鉆頭193 m，施工排量28 L/s～32 L/s，結合地面設備額定壓力情況，盡量維持在較高排量，以保證井眼清潔。應用過程中，定向儀器信號正常，工具性能穩定。

井下鉆具組合：Φ215.9 mmPDC+Φ172 mm1.25°螺桿+浮閥+Φ172 mm無磁鉆鋌+MWD短節+Φ172 mm鉆鋌+Φ127 mm加重鉆桿+Φ178 mm水力振蕩器+Φ127 mm加重鉆桿+Φ127 mm鉆桿。

施工參數：鉆壓40 kN～80 kN，鉆速55 r/min+螺桿，排量 32 L/s，泵壓 19 MPa。

3.2 效果分析

為分析水力振蕩器的應用效果，對比了造斜井段、同地層的施工情況：在沙河街組沙一段2 641.71 m～2 699.04 m井段，井斜由28.14°增加至34.38°，未使用工具；在2 703.32 m～2 798.83 m井段，井斜由34.98°增加至48.28°，使用工具，具體分析結果如下。

3.2.1 托壓減小、工具面穩定性明顯改善 水力振蕩器通過自身振蕩作用，帶動上下鉆具振動，將井下鉆具所受靜摩擦力轉變為動摩擦力，鉆具所受托壓大幅減小。應用工具前，滑動鉆進過程中，為克服托壓突然釋放引起的工具面跑開、憋泵等問題，一般采取緩慢加鉆壓的形式，將鉆壓控制在100 kN內，但鉆壓較難傳遞至鉆頭，實際托壓值50 kN～80 kN，定向過程工具面非常不穩定，需要頻繁活動鉆具，應用工具后，托壓一般小于20 kN，托壓值降低明顯。

本井2 312.07 m～2 830.60 m為造斜段，造斜率3°/30m。應用工具前，沙河街組沙一段造斜段滑動鉆進需要頻繁活動鉆具，下入工具后，造斜段定向工具面穩定性明顯改善：2 641.71 m～2 699.04 m造斜井段，平均每根鉆桿需定向8.83 m，活動鉆具16.5次（見圖3）；在應用水力振蕩器的2 703.32 m～2 798.83 m造斜井段，平均每根鉆桿需定向4.55 m，活動鉆具3.5次（見圖4），平均定向鉆進比例減少48.47%，相同長度井段的定向鉆進，鉆具活動次數減少58.82%。

3.2.2 機械鉆速大幅提高 應用水力振蕩器后，鉆具所受摩阻降低，托壓緩解，鉆壓更容易傳遞至鉆頭，機械鉆速相應得到提高，對比了應用工具前后滑動鉆進的機械鉆速。應用工具前，滑動鉆進平均機械鉆速1.90 m/h，應用工具后，滑動鉆進平均機械鉆速2.76 m/h，提高45.01%，提速效果明顯（見表2）。

3.2.3 造斜效率提高 應用工具前，2 641.71 m～2 699.04 m造斜井段，滑動鉆進53 m，滑動進尺比例92.45%，井斜增加6.24°，造斜率3.27°/30m。應用工具后，2 703.32 m～2 798.83 m造斜井段，滑動鉆進45.5 m，滑動鉆進比例47.64%，井斜增加13.3°，造斜率4.18°/30m。通過對比，應用工具后，滑動進尺減少48.47%的情況下，造斜率增加27.83%。

圖4 應用工具后大鉤高度變化圖

表2 水力振蕩器應用前后滑動鉆進機械鉆速對比

4 結論

（1）使用WELLPLAN軟件計算了三段制定向井C16x井摩阻數據，在造斜段井斜達10°后，隨井斜角的增大，鉆具所受摩阻迅速增加，基本與井深呈線性關系。

（2）對組裝完成的水力振蕩器進行了性能測試，隨著排量的增大，工具壓降提高、振動幅度變大、振動頻率變快，測試值與設計參數基本相符。

（3）對比C16x井沙河街組沙一段造斜段數據，水力振蕩器的應用使滑動鉆進托壓降至20 kN，平均機械鉆速提高45.01%，鉆具活動次數減少58.82%，造斜率增加27.83%，明顯改善滑動鉆進作業效率。

（4）使用WELLPLAN軟件計算摩阻數據，結合室內測試的方法，可為水力振蕩器的應用提供參考，為施工參數優化提供依據。