水力振蕩器在渤海某油田鉆井中的應用

陳清正，聶光輝，侯得景，秦天寶(.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 30045；.中海石油(中國)有限公司蓬勃作業公司，天津 30045)

1 渤海某油田地質情況介紹及井身結構

渤海某油田儲層巖性為細、中細、含礫中粗砂巖，巖石學定名為巖屑長石砂巖和長石砂巖，分選中等～較好，磨圓度為次圓～次棱狀。根據渤海灣區域沉積研究成果、結合2個油田的生物地層特征、巖心和壁心描述、分析化驗資料及測井曲線等各種信息認為，該區明化鎮組為曲流河沉積，館陶組為辮狀河沉積，砂體呈北東或近東西向展布。本區目的層段儲層單層厚度變化比較大，從不足1.0 m到大于25.0 m，單層厚度小于4.0 m的儲層按層數統計所占比例比較高，約68%。砂巖、泥巖層位交互，層間交界面較多。

以G平臺G06井為例，采用二開井身結構，表層套管下深508.03 m，二開12-1/4”井眼鉆至完鉆井深2 354.00 m，裸眼段長度1 845.97 m，下9-5/8”套管。由于裸眼段較長，使用常規馬達鉆具，深層定向時，托壓嚴重，無法保證滑動效果，而且嚴重影響機械鉆速，滯后整體鉆井效率。井身結構數據如表1所示。

表1 G平臺類似井井身結構數據

2 水力振蕩器結構及工作原理

水力振蕩器通過自身產生的縱向振動，改善鉆壓的傳遞，減少底部鉆具與井眼之間的摩阻，減少扭轉振動。這就意味著水力振蕩器在解決拖壓、防止鉆具粘卡和在幫助解決卡鉆方面有明顯優勢，隨著水力振動器在渤海油田的使用，使得井下動力馬達在井深時的滑動效果提高，并提高了滑動段機械鉆速，提升整體鉆井效率，實現馬達導向鉆具在部分井中比旋轉導向鉆具更有優勢，提高了經濟效益。

2.1 水力振蕩器結構

水力振蕩器主要由三部分機械組成部分：(1)振蕩短節；(2)動力部分；(3)閥門和軸承系統，如圖1所示。

2.2 水力振蕩器工作原理

水力振蕩器在鉆井液流經時， 通過其閥盤組合產生壓力脈沖。置于其上的振蕩短節在鉆井液壓力脈沖作用下產生軸向的蠕動， 并帶動鉆具振動， 從而將鉆具與井眼之間的靜摩擦轉換為動摩擦，降低摩擦力并改善鉆壓傳遞提高機械鉆速。水力振蕩器的動力部分由一個2:1頭的馬達組成，馬達轉子的下端固定一個閥片，流體流過動力部分時，驅動心軸轉動，由于螺桿的特征，末端會在一個平面上下往復運動(稱之為動閥片)。

圖1 水力振蕩器結構圖

與動力部分相連的是閥門和軸承系統，主要連接耐磨套和一個固定的閥片(定閥片)，動閥片和靜閥片緊密配合，由于轉子的轉動導致兩個閥片相錯或者重合，相錯或重合導致上流的壓力發生變化，周期性的相對運動造成流體流經工具的截面積周期性的變化，動力部分使上游周期性的壓力變化作用在一個彈簧短節上，就形成彈簧短節不斷的壓在彈簧上，形成振動運動。

水力振蕩器閥塊壓力脈沖示意圖，如圖2所示。(1)兩個閥門最大(完全)重合時，此時流體通過截面積最大，所以通過工具后，產生的壓降最小；(2)兩個閥門最小重合時，此時流體通過截面積最小，所以通過工具后，產生一個最大的壓降；(3)截面積周期性變化，導致上游壓力同步的周期變化。

圖2 水力振蕩器閥塊壓力脈沖示意圖

2.3 水力振蕩器工具兼容特性

水力振蕩器可以配合所有公司的MWD系統使用，在滑動鉆進過程中，減少鉆具組合粘卡次數，保證平滑穩定的鉆壓傳遞，降低工具面調整頻率，提高滑動效果，有效地地提高機械鉆速，提升滑動效果，進而增加深井中適用馬達鉆具的可能性。

(1) MWD、LWD工具的兼容性。①水力振蕩器在工作狀態是產生振動，不會干擾MWD、LWD工具和系統的信號；②減少橫向振動和扭轉振動；③鉆具組合中，安放水力振蕩器位置比較自由，在MWD上下均可；④不會對鉆頭和鉆柱產生振動破壞。

(2)鉆頭的兼容性。①可以和任何廠家牙輪鉆頭、PDC鉆頭配合使用；②產生的振動，不會對鉆頭切削齒產生破壞，也不會破壞牙輪鉆頭的軸承；③鉆進過程中，持續穩定的施加小鉆壓，延長PDC鉆頭的使用壽命。

2.4 渤海某油田應用情況

以渤海某油田G06井為例，本井二開井身結構，二開12-1/4”井眼鉆至完鉆井深2 354.00 m，裸眼段長度1 845.97 m，最大井斜69.68°。井身結構如圖3所示。

圖3 PL19-4-G06井井身結構

PL19-3-G06井，屬于典型的“S”井型結構，本井在表層即采用預斜模式，表層鉆進至508 m，井斜32°，12-1/4”井眼MD 508～909 m井段，持續滑動增斜至69.68°，狗腿度3.0°/30 m;MD 909～1662m井段，穩斜鉆進；MD 1662～2047 m井段，滑動降斜至36.48°；MD 2047～2348 m 井段，穩斜鉆進至完鉆深度。

本井鉆具組合：12-1/4”PDC + 9-5/8”Motor(單彎1.15°) +11-3/4”STB + 8”PM + 8”M5 + 8”HOC + 8”Screen Sub + 8”F/V +7-3/4”Drilling Jar + X/O + 5-1/2”HWDP*14+ X/O + 8”水力振蕩器；

鉆進參數：旋轉鉆進參數：鉆壓1-10 T，排量3 700 L/min，泵壓14.0～17.5 MPa，轉速70 rpm，扭矩8.5-14.5 KN*m；滑動鉆進參數：鉆壓2-12 T，排量3 700 L/min，泵壓14.5～18.0 MPa；本井12-1/4”井段，裸眼進尺：1 845.97 m，純鉆時間：41.50 h，平均機械鉆速44.48 m/h，而本區塊其他井平均機械鉆速32.6 m/h，平均提高36%。出井鉆頭檢查，復合金剛石片基本完好，無明顯磕痕。

通過幾口井對比，明顯看出使用水力振蕩器后，機械鉆速提高明顯，有效解決了深部地層，滑動拖壓現象，減少滑動過程工具面調整時間。

3 結語

(1)水力振蕩器在渤海地區的滑動鉆進中，能夠有效降低摩阻，改善鉆壓，提高機械鉆速，縮短鉆井周期。(2)使用水力振蕩器后，提升了馬達鉆具的使用空間，在渤海2 000 m左右井深，可以部分替代旋轉導向鉆具，減少起鉆更換旋轉導向時間，縮短鉆井周期，同時降低了鉆井成本。(3)水力振蕩器可以與常規定向工具及測井儀器匹配使用，將水力振蕩器的位置安裝正確后，不會對井下儀器、定向鉆具的信號傳輸產生影響。(4)水力振蕩器缺點之一是工作壓降較大，與馬達鉆具配合使用時，在鉆進至井深時，可能會排量開不起來，進而影響環空返速，不利于攜沙等井眼清潔要求。(5)由于水力振蕩器在進入工作排量后，震動非常劇烈，在上部淺部地層使用，會對鉆井頂驅等設備的零件震松、脫落，長時間劇烈震動也會對設備內部密封產生損壞，建議在井深1 000米之后使用，避免震壞地面設備。