水力振蕩器與旋轉導向系統兼容性分析

董云峰

中海油能源發展股份有限公司工程技術湛江分公司 廣東 湛江 524057

“十四五”以來，隨著我國海上能源安全戰略的發展，大位移井已是海上開發“低、邊、稠”油氣田的重要手段。大位移井通過單井筒延伸出較長的水平位移提高油氣藏的開發覆蓋面積，能夠大幅度提高單井產量，提高油氣藏的動用系數降低單井開發成本，提高鉆井平臺的利用率[1]，還可以減少對生態環境的破壞，實現油氣開發的可持續性發展[2]，已在邊際油田、復雜油氣藏及非常規油氣開發中取得了較為顯著的應用效果。

近年來，由于用海矛盾突出，平臺周邊滾動擴邊需求增多，受到航路、錨地等影響，海上邊際油田動用難度較大、開發受限，逐漸要求海上大位移井的水平位移突破6000米。面對大位移井開發過程中常出現的摩阻扭矩大、長裸眼段鉆具托壓嚴重、硬地層機械鉆速慢等瓶頸難題，國內外油田企業及科研院所逐步開拓出高攻擊性鉆頭、高性能鉆井液、高效率提速工具等多項核心技術提高鉆井時效及安全性[3]。

水力振蕩器作為一種降摩減阻提速工具，可以通過壓力脈沖產生軸向振動，將靜摩擦轉變為動摩擦，有效解決大位移井復合鉆進中的托壓問題，減少粘附卡鉆并提高機械鉆速。旋轉導向技術作為目前石油鉆井領域先進的井眼軌跡控制技術，可以使鉆具在旋轉鉆井的過程中按照預設井眼軌道實施鉆進[4]。這兩種技術工具的應用對于大位移井鉆井的時效提升和定向控制能力提升具有重要意義，但當兩種工具同時應用時，水力振蕩器提供的振動沖擊是否會對旋轉導向系統的指向性造成影響，始終被作業者所擔憂和質疑。本文將對水力振蕩器及旋轉導向系統的技術現狀以及兩種工具兼容使用的情況進行分析，旨在為大位移井作業中兩種工具的使用提供參考。

1 技術現狀

1.1 水力振蕩器

水力振蕩器通常由動力部分和振蕩部分組成，動力部分主要通過鉆井液流經定子、轉子、動閥盤、定閥盤等部件產生壓力脈沖。振蕩部分主要通過芯軸、碟簧組、活塞和密封系統等部件產生周期性往復軸向運動[5]，將靜摩擦轉變為動摩擦，實現鉆具與井壁間降低摩擦阻力，提升井眼延伸能力和機械鉆速。水力振蕩器主要適用于大位移井、大斜度井的復合鉆進作業，主要解決托壓問題，能夠對付粘附卡鉆以及幫助鉆具解卡。依據其結構特點和工作原理的不同，主要可分為同心/偏心螺桿式、渦流式、自激式、射流式等幾種水力振蕩器。

目前，水力振蕩器已在陸地及海上油田大位移井、大斜度井及探井中獲得了較為廣泛的應用，提速效果明顯，能夠大幅縮短鉆井周期，降低成本。

1.2 旋轉導向系統

旋轉導向系統通常由地面監控中心、雙向通信系統、LWD/MWD、導向裝置、控制單元與穩定平臺組成，適用于大位移井、復雜水平井、大斜度井等造斜及定向鉆井作業，可以保證井眼軌跡的平滑和連續性，具有高可靠性、高造斜、高井眼質量等特點[6]。國內外各大油田服務公司近年來都開發出了具有自主知識產權的各類旋轉導向系統并廣泛應用，按其不同的定向原理主要分為推靠式、指向式、混合式三種。

使用旋轉導向系統的井通常鉆進難度較大，井下頻繁的扭轉振動和粘滑極易導致旋轉導向工具、鉆頭及MWD/LWD等隨鉆測量工具消耗損壞，產生非生產時間及高昂的維修費用。同時，由于大位移井井眼軌跡的復雜性，定向段地層鉆井不可避免產生能量損失，使鉆壓難以傳遞至鉆頭，也會導致鉆井效率偏低。

2 兼容優勢分析

針對以上問題，使用水力振蕩器配合旋轉導向系統使用，可以補足其使用短板，提高旋轉導向系統整體表現，具體體現在：

降低摩阻損耗，提高定向效率。應用水力振蕩器帶動井下鉆具產生規律一致的軸向振蕩運動，使管柱始終處于可控的運動狀態，將管柱與井筒間的靜摩擦轉變為動摩擦，使旋轉導向系統的定向功能不受到外力影響，改善旋轉導向系統的定向能力，控制井眼軌跡在目標范圍內，提升軌跡最優儲層鉆遇率，即提升井筒生產能力。

有效輸送鉆壓，提高鉆井效率。水力振蕩器提供的動力可以大大降低粘滑和扭轉振動，使鉆柱更加穩定，將均勻的鉆壓、平穩的扭矩、更高的壓差輸送到位，減小無效鉆壓需求，以更低的鉆井參數獲得更高的鉆井效率。

降低鉆具磨損，延長使用壽命。使用水力振蕩器后，所需鉆壓、轉速及壓差參數降低，工具穩定性提高，可以減輕井下不規律震動對鉆具和井底組件的磨損，延長井下工具使用壽命和工具失效平均間隔時間，降低旋轉導向系統及MWD/LWD等隨鉆測量工具的失效概率。

鉆井穩定可控，提高井筒質量。水力振蕩器可以減少HFTO（高頻扭轉振動），提高旋轉導向及鉆具穩定性，使整個鉆井過程參數穩定可控。隨著鉆具及參數的穩定，鉆頭處的無序振動得到減輕，使得井筒更加規則光滑。

降低綜合成本，縮短鉆井周期。在水力振蕩器的帶動下，管柱鉆進變得更加順暢，可以減少潤滑劑的使用成本，也可以降低井下工具部件損壞失效、疲勞監測、等停和維修等成本和時間，縮短工期。

綜合來看，水力振蕩器與旋轉導向系統同時使用，可以將兩種工具的優勢相結合，消除單獨使用旋轉導向系統的常見問題，相輔相成，以更低的鉆井參數獲得更高的鉆井效率，達到“1+1＞2”的使用效果。

3 作業案例

3.1 63/4″水力振蕩器+貝克休斯AutoTrak 旋轉導向系統

位于卡塔爾陸地油田的A井使用水力振蕩器配合貝克休斯 AutoTrak 旋轉導向系統鉆進7501～11535ft井段。鄰井B井單獨使用旋轉導向系統鉆進7204～11040ft井段，多次發生高頻扭轉振動，導致工具時常處于難以定向的狀態，出現了未預見的狗腿度變化，增加了井眼曲度。

A井將水力振蕩器安裝在距離鉆頭1149ft的位置，大幅降低了斜井段的切向不良振動。由于水力振蕩器提高了旋轉導向系統的定向能力，A井相較于鄰井B井整趟鉆發送指令總時間降低25%，指令次數減少了36%，在切向振動頻發層段的指令次數減少了70%。

此外，相較于未安裝水力振蕩器的B井，A井整體所需的鉆壓和排量更低，達到的扭矩更大，鉆壓參數更為穩定，機械鉆速水平基本相似。

3.2 43/4″水力振蕩器+斯倫貝謝PowerDrive 旋轉導向系統

某多分支井使用水力振蕩器配合斯倫貝謝PowerDrive旋轉導向系統在主井眼L0兩側的兩個分支井眼L1、L2中鉆進。主井眼L0鉆進過程中未使用水力振蕩器，單獨使用PowerDrive旋轉導向系統和脈沖MWD，記錄到了嚴重的粘滑和井下振動，旋轉導向工具在井下發生兩次嚴重失效被迫增加2趟起下鉆，導致全井共使用3趟鉆鉆完。兩個水平分支井眼L1、L2將水力振蕩器安裝在距離鉆頭1500ft的位置，配合旋轉導向系統鉆進共計進尺超8500ft，兩個井眼均一趟鉆完鉆。

從鉆進效果上看，水力振蕩器的使用提高了旋轉導向系統的使用效率，共計節省了3天的鉆井周期且沒有發生井下旋轉導向工具損壞的情況。與常規旋轉導向鉆柱組合相比，水力振蕩器的使用明顯緩解了井下的粘滑情況，同時，水力振蕩器與旋轉導向系統的合理配合，使全井的機械鉆速由30.8ft/h提高至57.8ft/h，即效率提高了20%。

4 結束語

大位移井的水平位移大，能夠大范圍地開發含油儲層，提高單井產量降低成本，是邊際油田、復雜油氣藏和非常規油氣的重要手段。

水力振蕩器能夠通過軸向脈沖運動將動力輸送至井底鉆具，有效緩解復合鉆進中托壓問題、粘附卡鉆等問題，提高大位移井鉆井的整體效率。

使用水力振蕩器配合旋轉導向系統使用，可以降低摩阻損耗、有效輸送鉆壓、降低損耗和成本，提高鉆井效率和定向效率，使鉆進過程穩定可控，相輔相成，獲得更好的鉆井表現。