國產新型水力振蕩器在陜北YB536-H02井的應用

李大彬，蔣洪亮，錢偉強，錢德松，邱 睿

(1.中石化 石油機械股份有限公司研究院，武漢430223；2.中石化 石油機械裝備重點實驗室，武漢 430223； 3.中石化 江鉆石油機械有限公司，武漢 430223)

近年來，陜北地區開始大規模開采天然氣。根據天然氣儲層特征，鉆探井位以大斜度井、水平井為主，以提高單井產量。在井斜較大的井段鉆進過程中，尤其在滑動鉆進、定向作業時，鉆柱托壓現象嚴重，鉆壓難以高效傳遞至井底，導致機械鉆速大幅降低，甚至出現了粘卡現象，成為影響該地區鉆井提速，實現降本提效的主要因素[1-3]。

1 水力振蕩器特點及改進

1.1 水力振蕩器

水力振蕩器將流經鉆井液的液體動能轉化為鉆柱往復運動的機械能，進而帶動相鄰鉆具實現同步軸向往復振動，將鉆柱與井壁間的靜摩擦轉為動摩擦，降低摩擦阻力。其主要特點為：①帶動BHA軸向振動，減小摩阻，改善鉆壓傳遞；②提升地面對定向工具面的控制力；③與各種LWD/MWD系統兼容；④提高機械鉆速，降低鉆井成本[4-5]。

1.2 水力振蕩器主要類型及優缺點

目前應用較多的水力振蕩器根據動力短節作用方式不同，主要分為螺桿式水力振蕩器、金屬渦輪式水力振蕩器和射流式水力振蕩器[4-5]。螺桿式水力振蕩器以NOV的AGitator為主要代表，其耐污能力強，但壓耗較高[4-7]；金屬渦輪式水力振蕩器以達坦公司產品為主要代表，其壓耗較低，耐高溫，但耐污能力較弱[4-5]。射流式水力振蕩器主要有渤海鉆探工程技術研究院研制的BH-HVT型水力振蕩器，其結構簡單，耐高溫能力強，但輸出力較小，耐沖蝕性較差，水力結構易損壞[8-9]。

1.3 結構改進及參數優化

針對現有水力振蕩器存在的上述問題，通過以下2方面進行結構改進及參數優化：①采用穩定性好、耐污能力強的螺桿式動力短節，對關鍵部件進行仿真計算+室內試驗，理論與試驗相結合的方法進行動、靜閥盤結構尺寸優化，降低工具的作業壓耗；②在振蕩短節上增加功率放大機構，以提高水力振蕩器的輸出載荷，如圖1所示。

改進后的水力振蕩器既能實現低壓耗，更安全，解決使用水力振蕩器循環系統壓力過高的問題，又能保證較大的輸出功率，提升工具使用效果[10-11]。

a 低壓耗動力短節的動、靜閥盤

2 現場應用[12-17]

2.1 井位基本情況

YB536-H02井是延長石油在延133區塊布置的1口水平井，位于陜西省延安市寶塔區馮莊鄉窯子溝村，設計井深4 346 m，垂深3 012.26 m。該井采用四開四完井身結構，目的為開采山西組山23砂體層位的天然氣儲量，并評價石盒子組和山西組山1的儲層，完鉆層位為山西組山23砂體。

YB536-H02井身結構如圖2所示。

圖2 YB536-H02井井身結構

該井鉆井設計中，在三開造斜段采用水基鉆井液，鉆經地層有石千峰、石盒子，鉆至山西組儲層著陸，從井深2 401 m鉆進至3 346 m，井斜從0°增至90°。計劃分兩趟鉆完成施工，第一趟鉆將井斜從0°增至50°，第二趟從50°增斜至90°。造斜段井斜角要求實際偏差控制在3°范圍以內，同時最大全角變化率不大于6(°)/30m。

該井造斜段鉆進過程大鉤載荷與鉆井深度變化關系模擬如圖3所示。由圖3可知，無論是旋轉鉆進還是滑動鉆進，隨著造斜段井深增加，鉤載與井深呈非線性變化，摩阻越來越大。約3 000 m以后，鉤載隨井深增加而減小，說明井眼摩阻增幅越來越大；特別是滑動鉆進摩阻增加更為顯著(如圖3a)，過大摩阻會導致鉆壓無法有效傳遞至鉆頭，甚至造成嚴重托壓問題。井隊計劃第二趟鉆使用國產新型的172型水力振蕩器解決鉆壓傳遞及托壓問題。

a 滑動鉆進 b 旋轉鉆井

2.2 鉆具組合及工具測試

本趟鉆入井鉆具組合為：?215.9 mm PDC鉆頭+?172 mm×1.5°螺桿+4A11×410轉換接頭+浮閥+坐鍵接頭+411×520轉換接頭+LWD+521×410+?172 mm無磁鉆鋌+限流短接+?127 mm加重鉆桿×3根+?127 mm鉆桿×13根+?172 mm水力振蕩器+?127 mm鉆桿×62根+?127 mm加重鉆桿×18根+?127 mm鉆桿。水力振蕩器安放位置距離井底179.72 m。

入井前對水力振蕩器進行井口測試，工具運行正常，測試參數如表1所示。

表1 水力振蕩器井口測試參數

測試結果為：壓耗2 MPa；振幅5～10 mm，頻率約10～15 Hz。

壓耗2 MPa，相比在類似工況下NOV水力振蕩器4.1～4.8 MPa的壓耗[5]，或BH-HVT型水力振蕩器3.5～6.0 MPa的壓耗[9]，國產新型水力振蕩器壓耗更低，對循環系統的負擔更小，更安全。振幅5～10 mm，頻率約10～15 Hz，震蕩效果達到設計要求。

2.3 使用前后對比

本趟鉆施工作業135 h，井深從2 935 m鉆至3 326 m，提前20 m中完。鉆頭純鉆時間51.98 h，總進尺390 m，滑動鉆進70.77 m，滑動純鉆時間為20.88 h。三開第一趟鉆鉆頭純鉆時間85.55 h，總進尺535 m，滑動鉆進111 m，滑動純鉆時間47.16 h。

應用該工具后，定向托壓得到明顯緩解，鉆壓能夠順利傳遞至鉆頭，機械鉆速提升明顯。同時MDW儀器信號正常，未受到水力振蕩器振蕩頻率的影響。三開兩趟鉆滑動鉆進機速與平均機速，如圖4所示。由圖4可知，使用水力振蕩器的第二趟鉆在井斜更大，摩阻更大的情況下，滑動機速提高44%，平均機速提高20%。

2.4 與鄰井對比

YB046-H03井與YB536-H02井相鄰，2口井位無論在鉆井設計，還是鉆機、鉆頭、螺桿等鉆井設備都無明顯改變。YB046-H03井三開第二趟鉆實際施工從3 151 m鉆至3 501 m，井斜同樣由50°增加至90°，但未使用水力振蕩器。YB046-H03井鉆進過程中，頻繁出現定向托壓或鉆壓無法有效傳遞，有時甚至發生鉆壓突然釋放損傷鉆頭等井下工具或憋泵等問題。在該井三開第二趟鉆鉆頭純鉆時間60.57 h，總進尺350 m，滑動鉆進80 m，滑動純鉆時間26.59 h。2口井三開第二趟鉆鉆井機械鉆速如圖5所示。由圖5可知，帶水力振蕩器的YB536-H02井與不帶水力振蕩器的YB046-H03井相比，滑動機械鉆速提高13%，平均機械鉆速提高30%。

圖4 YB536-H02井水力振蕩器使用前后機械鉆速對比

圖5 YB536-H02井與YB046-H03井機械鉆速對比

3 結論

1) 在陜北YB536-H02井，將國產新型水力振蕩器加入鉆具組合，在保持正常輸出力情況下，相對其他類型水力振蕩器，在類似工況下國產新型水力振蕩器壓耗更低，使循環系統的主要設備的壓力更小，鉆井更安全。

2) 國產新型水力振蕩器在定向水平井鉆進過程中，特別是滑動鉆進，能夠提高鉆井效率。應用該工具后，定向托壓得到明顯緩解，鉆壓能夠順利傳遞至鉆頭。通過YB536-H02井兩趟鉆對比，帶水力振蕩器比不帶水力振蕩器的滑動機械鉆速提高44%，平均機械鉆速提高20%。通過與鄰井對比，帶水力振蕩器比不帶水力振蕩器的滑動機械鉆速提高13%，平均機械鉆速提高30%，機械鉆速提升明顯。

3) 國產新型水力振蕩器振蕩柔和，兼容性好。未對動力鉆具、鉆頭等井下工具的使用造成負面影響，振蕩頻率也未干擾定向儀器信號，同時可降低因鉆具突然釋放引起瞬時鉆壓過大而損傷井下工具或憋泵的風險。