典型振動減阻工具研究進展及展望

王建龍，祝鈺明，柳 鶴，劉 軒，鄭 鋒，韓自立，吳墨染

（1.中石油集團渤海鉆探工程技術研究院，天津 300450；2.中石油集團青海油田分公司，甘肅敦煌 736202；3.中石油集團渤海鉆探國際鉆采物資供應分公司，天津 300450；4.中石油集團渤海鉆探第四鉆井分公司，河北任丘 062550）

隨著水平井、大斜度井、大位移井等復雜結構井裸眼段的延伸、井斜角的增大，鉆柱與井壁之間摩阻不斷增加，當增加到一定程度時就會出現托壓，導致無法有效施加鉆壓，影響定向效率和機械鉆速，甚至誘發粘卡等井下事故[1-5]。針對定向托壓問題，國外相繼研發了不同種類的水力振蕩減阻工具，現場應用效果良好。目前，應用效果比較好、規模比較大的振動減阻工具有多種，結構、特點各不相同。因此，本文從結構、原理、優缺點等方面系統分析了三種典型振動減阻工具的研究現狀，提出了后續發展建議，為國內同類型工具的的研究提供參考依據。

1 研究進展

目前，國內外典型振動減阻工具有偏心螺桿式水力振蕩器、同心螺桿式水力振蕩器、射流式水力振蕩器等三種。其中偏心螺桿式水力振蕩器以美國國民油井公司（NOV）最為典型，同心螺桿式水力振蕩器以加拿大井星公司（WellStar）最為典型，射流式水力振蕩器以中石油渤海鉆探公司最為典型。下面著重分析這三種工具的結構、原理和優缺點等。

1.1 偏心螺桿式水力振蕩器

偏心螺桿式水力振蕩器是研究最早、應用規模最大的振動減阻工具，該工具以單頭螺桿為旋轉動力，以偏心閥為截流載體。該工具主要由振蕩部分、動力部分、閥軸部分等組成（如圖1所示）。該工具的動力部分主要由1:2單頭螺桿馬達組成；閥軸部分主要由動閥盤和定閥盤組成，其中動閥盤為偏心閥，定閥盤為同心閥。該工具是通過轉子旋轉帶動偏心閥門旋轉，產生間歇性截流，在振蕩部分形成周期性壓力波動釋放，從而實現整個工具規律的軸向振動[5-8]。

該工具優缺點：①結構簡單，緩解定向托壓效果明顯，目前在國內外應用數量最為廣泛；②單頭螺桿轉動 的穩定性略差，且轉速高，橡膠定子磨損速率快，影響工具整體壽命；③橡膠材質的螺桿定子在深井高溫深井中應用使用受限，耐溫極限150℃，限制了其在深部高溫地層中的應用；④橡膠定子在油基泥漿環境下適應性減弱，壽命較水基鉆井液環境大幅縮短，限制了其在頁巖氣水平井等油基鉆井液中的規?；瘧谩?/p>

目前，NOV 偏心螺桿式水力振蕩器有6 種系列尺寸工具（表1 所示），振動頻率12～26Hz，適用溫度150℃、工作壓差3.1～4.8MPa，工具壽命200h以上。

表1 NOV水力振蕩器性能參數表

1.2 同心螺桿式水力振蕩器

同心螺桿式水力振蕩器是近幾年新研發的振動減阻工具，以多頭螺桿為旋轉動力，以同心盤閥為截流載體。主要由振蕩短節、壓力吸收裝置、驅動總成、旋轉閥門系統等4部分組成，如圖2所示。其中驅動總成由5:6多頭螺桿馬達提供啟動閥盤旋轉的動力；旋轉閥門系統由同心動閥和定閥組成。當鉆井液流經工具時，帶動內部轉子轉動，轉子帶動動閥轉動，產生高頻振動，間歇性截流，在振蕩部分形成周期性壓力波動釋放，從而實現整個工具規律的軸向振動。

該工具優缺點：①壓降低，減少設備負載；②利用多頭馬達提供動力，穩定性好，工具持續穩定工作時間長；③多頭馬達和同心閥盤配合，轉速低，定子橡膠磨損率低，延長了工具的壽命；④橡膠材質的螺桿定子在深井高溫深井中應用使用受限，耐溫極限150℃，限制了其在深部高溫地層中的應用；⑤在油基泥漿環境下適應性減弱，壽命較水基鉆井液環境大幅縮短，限制了其在頁巖氣等油基鉆井液中規模化應用。

目前Wellstar水力振蕩器有3種系列尺寸工具（表2所示），振動頻率7～15Hz，適用溫度150℃、工作壓差2.0～3.8MPa，工具壽命300h以上。

表2 Wellstar 水力振蕩器性能參數表

1.3 射流式水力振蕩器

射流式水力振蕩器是以射流元件為驅動動力，整套工具無密封元件。該工具由脈沖短節和振蕩短節組成，脈沖短節主要由射流元件、節流桿和節流盤等組成，振蕩短節主要由碟簧組、芯軸和活塞等組成（圖3）。鉆井液通過脈沖短節的射流元件產生附壁作用（圖3），并在元件中的流動不斷換向，推動節流桿做往復運動，在節流盤處產生截流壓力脈沖。壓力脈沖向上作用在活塞上，帶動芯軸壓縮碟簧；當這個壓力釋放后，芯軸在碟簧作用下返回到原來的位置。壓力脈沖可以使振蕩短節不斷重復上述動作，從而使管柱在自身軸線方向上往復運動。

該工具優缺點：①以射流元件為驅動動力，壓降低，減少設備負載；②全金屬結構，耐溫性達到180℃，在深部高溫地層中的適應性較強；③全金屬結構，耐油基鉆井液，在頁巖氣水平井等油基鉆井液中適應性強，壽命高；④對鉆井液固相要求高，含砂過高對射流元件沖蝕嚴重，影響射流元件壽命；⑤對鉆井液清潔程度要求高，雜質過多容易堵塞射流元件，引起循環系統憋壓或工具無法正常工作。

目前中石油渤海鉆探射流式水力振蕩器有3 種系列尺寸工具（表3 所示），振動頻率8～12Hz，適用溫度180℃、工作壓差1.5～4.0MPa，工具壽命150h以上。

表3 渤海鉆探射流式水力振蕩器性能參數

2 技術研究重點和展望

2.1 提高工具壽命

（1）工作狀態可控的工具研發。目前國內外的水力振蕩器入井之后，只要入井開泵，始終處于工作狀態，無法在地面控制工具的啟停。當復合鉆進時，工具的振動基本是在做無用功，既增加了地面設備的負載，又降低了工具的壽命。工具后續更新換代過程中，建議設計地面可控的水力振蕩器，當滑動鉆進時讓工具處于工作狀態，當復合鉆進時讓工具處于休眠狀態，降低設備負載，延長工具壽命。

（2）材質優選，提高閥盤壽命。大量的應用效果表明，盤閥是影響螺桿式水力振蕩器壽命和效果的主要部件，無論是偏心盤閥，還是同心盤閥，都是采用硬質合金材料。由于動盤閥與定盤閥以600～1200r/min的相對運動高速旋轉，隨著工作時間的增加，因接觸磨損導致動盤閥和定盤閥間的接觸密封效果減弱，從而使產生的壓力脈沖值逐漸衰減，緩解定向托壓效果逐漸減弱。因此，后續設計中，需要優選盤閥的材質，提高耐磨性，提高壽命，保證工具密封正常，減緩振蕩力衰減。

2.2 提高減阻效果

每一種振動減阻工具都有其適用性，水力振蕩器只能緩解因摩阻增加導致的托壓問題，對于裸眼段長、井斜角增大的井段，需要集成2種或多種工具共同提高減阻效果。

（1）水力振蕩器+井眼清潔工具。對于井斜角超過65°的大斜度井，可以采用水力振蕩器與井眼清潔工具集成降低摩阻。水力振蕩器與井眼清潔工具集成緩解托壓技術，主要是從兩個角度降低摩阻：一是，利用井眼清潔工具破壞井斜角大于45°井段的巖屑床，減少鉆柱與井壁的接觸面積，降低摩阻；另一方面，利用水力振蕩器產生的軸向震動，實現鉆柱與井壁間的摩阻由靜摩阻向動摩阻的轉化，從而降低摩阻。實鉆數據表明，兩者共同作用，可以使大斜度井滑動摩阻降低40%～55%。

（2）水力振蕩器+水力加壓器。對于裸眼段長、摩阻較高，施加鉆壓非常困難的井，可以采用水力振蕩器與水力加壓器集成降低摩阻，為鉆頭施加有效鉆壓。該集成應用技術可以實現三個目的：利用水力振蕩器降低滑動鉆進鉆柱與井壁間的摩阻，緩解滑動鉆進托壓，提高滑動鉆進行程鉆速；利用水力加壓器，當摩阻增加到一定值，小幅托壓釋放時穩定工具面，同時滑動鉆進時鉆頭獲得足夠的穩定鉆壓，提高滑動鉆進機械鉆速。

（3）水力振蕩器+振蕩螺桿。對于水平段鉆井過程中，由于裸眼段長、井斜角大，摩阻高，調整井斜角難度非常大的井，可以采用水力振蕩器與振蕩螺桿集成降低摩阻。利用水力振蕩器降低長裸眼段鉆柱與井壁之間的摩阻，利用振蕩螺桿降低近鉆頭由于大尺寸穩定器等造成的托壓問題。

3 結論及建議

（1）螺桿式水力振蕩器都屬于遠鉆頭軸向振動減阻工具，能夠產生高頻軸向振動，能夠有效降低鉆柱與井壁間的摩阻，提高定向效率和機械鉆速。但是，由于定子橡膠材質的影響，耐溫和耐油型受限。

（2）射流式水力振蕩器整機無橡膠件，耐溫和耐油性能高，適合在高溫井、油基鉆井液環境中應用，彌補了螺桿式水力振蕩器在這一領域的短板。但是，這種類型工具對泥漿的固相含量、清潔程度要求比較高，現場應用過程中需要提高加強固控設備的使用。

（3）為了降低地面鉆井設備的負載，提高工具的工作壽命，建議開展地面可控的水力振蕩器研究，當需要工具工作時打開，當不需要工具工作時讓工具處于休眠狀態。