淺談水力振蕩器的原理與應用

2020-07-23 16:33:36王笑強朱軒呈

石油研究 2020年6期

王笑強朱軒呈

摘要：在斜井鉆進中，鉆具基于重力影響會自然貼合下井壁，并與井壁產生靜摩阻，滑動鉆進中則進一步演變為托壓現象，常導致工具面擺置困難、機械鉆速降低、單趟鉆進尺減少等問題;若活動鉆具不及時，則有可能引發鉆具粘卡事故，嚴重時可致單井報廢。因此，降低摩阻、減緩托壓已然成為安全鉆井的重要環節。摩阻大小由鉆柱自重在井眼軌跡法線方向上的分力和靜摩擦系數來決定。在滑動鉆進中，技術人員往往通過向泥漿中添加潤滑劑或進行短起下（目的為修整井壁）等方式來降低靜摩擦系數，從而達到降低摩阻、減緩托壓的目的。由經典物理可知靜摩阻大于滑動摩阻，因此，可以通過把靜摩阻轉化為動摩阻來減緩托壓。

關鍵詞：摩擦阻力;扭矩;水力振蕩器;托壓

0?前言

鉆井過程中，鉆具貼合下井壁會產生摩擦阻力，摩擦阻力貫穿于整個鉆井作業中。其中旋轉鉆進中摩擦阻力會讓鉆柱所承受的扭矩是所有工況下的最大值，甚至會出現鉆柱強度不夠而導致鉆具斷裂。而滑動鉆進會產生軸向摩阻，一旦軸向摩阻大到完全平衡掉上部鉆柱重力在軸向上的分量，鉆頭便難以得到鉆壓，鉆頭無鉆壓將無法鉆進，產生“托壓”現象。這樣不但會嚴重影響了水平井的鉆井效率，也容易引起壓差卡鉆等井下故障。為此相關研究人員做了多種嘗試。其中優化井眼軌跡、在鉆井液中加入潤滑劑和使用滾動扶正器等方法可以有效地降低摩擦阻力，同樣的使用水力振蕩器，利用機械振動將鉆具與井壁之間的靜摩擦力轉化為動摩擦力以降低摩擦阻力，為我們水平鉆進提供了一個新思路。

1?結構與原理

1.1 結構

水力振蕩器主要由動力部分（定子和轉子）、閥軸系統（動閥和定閥等）和振蕩短節部分（心軸和碟簧等）等組成。其中，花鍵心軸用于傳遞扭矩，碟簧通過壓縮或者拉伸釋放能量，產生軸向振動，鉆井液驅動轉子旋轉，在定子末端進行平面往復擺動，定閥與動閥做相對運動，使過流面積發生變化。

1.2 工作原理

動力部分將鉆井液動能通過轉子轉換為旋轉的機械能，使動閥旋轉，并使其工作時產生的流量呈周期性變化（盡可能為正弦波），使壓力產生水擊現象，水擊作用于閥座上產生的溫和振蕩力通過鉆具傳遞給鉆頭，形成周期性連續柔和變化的鉆壓。交變壓力作用振蕩短節活塞，壓縮彈簧，放大沖擊力。鉆具的應變速率變小，使鉆具承受的載荷作用效果與靜載荷相同，從而延長鉆頭等鉆具的工作壽命。依靠振動鉆具組合，消除鉆具與井壁之間的靜摩阻，使井底鉆具組合與井壁處于動摩擦狀態，摩擦因數大大減小，避免管串螺旋彎曲的發生，降低摩阻和扭矩，延伸鉆達范圍，改善鉆壓傳遞效果并提高轉速，能夠施加小鉆壓鉆進，減小橫向振動和扭轉振動。

2 現場應用分析

2.1應用必要性

在斜井的鉆井施工中，無法保證給鉆頭施加真實有效的鉆壓是水平段鉆進中面對的主要問題之一，目前這已成為影響全井平均機械鉆速及鉆井周期的主要因素。原因是在斜井段鉆進過程中，鉆柱重力在垂直于井壁方向的分力N 會產生摩擦阻力，從而導致鉆壓不能完全有效地施加于鉆頭之上。由摩擦力公式：F =μN可知，摩擦阻力取決于摩擦系數μ和正壓力N，正壓力N越大鉆具在井壁上的摩阻力F 越大，因此在摩擦系數不變的情況下，井斜越大或者斜井段鉆具越重，摩擦阻力越大。另一方面由于鉆柱本身的重力以及摩擦力影響，鉆柱在受壓時可能發生不同形式的彎曲，也稱為屈曲。屈曲的鉆柱在很大程度上增加了鉆柱與井壁之間的接觸力，從而使摩阻扭矩增大。屈曲行為越嚴重，鉆柱與井壁的壓力越大，從而造成摩阻與扭矩的急劇增大。使鉆頭不能獲得有效鉆壓，降低鉆井機械鉆速并縮短水平井水平段的極限長度。

2.2應用優勢

水力振蕩器優于目前的旋轉導向鉆井工具。張海29-38L井、張海30-26L井和張海28-36井都位于埕海2-2人工島，具有相同的地層，深度相近，具有很強的對比性。張海29-38L井應用了水力振蕩器，機械鉆速比應用旋轉導向鉆井工具的張海30-26L井、張海28-36井分別提高了56.8%和12.1%，鉆井成本降低近38萬元。

2.3 存在問題

水力振蕩器在現場實際應用中，雖然取得了一定的效果，但也暴露出了很多問題。

（1）排量達不到設計要求，在一定程度上阻礙了該工具工作性能的充分發揮。表5為不同地區水力振蕩器的工作排量。

（2）自身壓耗偏大。目前在國內現場應用中，不論美國的NOV水力振蕩器，還是國內研制的軸向、徑向和雙向水力振蕩器等，壓耗普遍偏大（約4.5-8.0MPa），對鉆井泵的要求較高，且長期在高壓下作業易出現井下故障，造成財產損失和人員傷亡。

（3）水力振蕩器的周期性振動影響井下高精密儀器的正常工作。在實際使用中能夠看出，水力振蕩器的振動會對MWD的測量產生影響，有時會導致儀器無信號。

（4）如果水力振蕩器的安放位置不合理，導致提速效果不明顯，甚至無效果。

（5）耐沖蝕性有待提高。水力振蕩器在各應用地區多口井出井后，拆開檢查，發現動力部分的定子、葉輪轉子等零件被嚴重沖蝕。

3?總結與建議

（1）水力振蕩器通過把靜摩擦力轉化為動摩擦力的方式來降低摩擦阻力是有效的，在鉆井施工中可以與常規做法配合使用，比如加入潤滑劑和短起下鉆等。而且可以通過降低摩阻來減少擺工具面的時間，從而提高純鉆利用率。

（2）依靠振動鉆具組合，消除鉆具與井壁之間的靜摩阻，使井底鉆具組合處于動態摩擦狀態，摩擦因數大大減小，避免了管串螺旋彎曲的發生，其提速效果比目前的旋轉導向鉆具好，且水力振蕩器已實現國產化，應用成本相對較低，具有很好的推廣價值。

（3）在定向鉆井中，井眼狀況十分復雜，實現安全快速鉆進是一個系統工程，在泥漿方面必要的防粘附措施也一定要跟上，應及時添加足夠量的潤滑劑。

（4）水力振蕩器在應用中還存在一些問題，今后應分析存在的問題，對其進行持續改進，以提高水力振蕩器的性能。