水力振荡器降低摩擦阻力影响的分析

孙庆春，郭宝林，赵利锋

(1．西安石油大学石油工程学院，陕西 西安710065;2．中石化华北石油工程有限公司五普钻井分公司，河南 新乡437000;3．中国石油集团西部钻探工程有限公司定向井技术服务公司 ，新疆乌鲁木齐830026)

0 引言

钻井过程中，钻具贴合下井壁会产生摩擦阻力，摩擦阻力贯穿于整个钻井作业中。其中旋转钻进中摩擦阻力会让钻柱所承受的扭矩是所有工况下的最大值，甚至会出现钻柱强度不够而导致钻具断裂。而滑动钻进会产生轴向摩阻，一旦轴向摩阻大到完全平衡掉上部钻柱重力在轴向上的分量［1－2］，钻头便难以得到钻压，钻头无钻压将无法钻进，产生“托压”现象［3］。这样不但会严重影响了水平井的钻井效率，也容易引起压差卡钻等井下故障。为此相关研究人员做了多种尝试。其中优化井眼轨迹、在钻井液中加入润滑剂和使用滚动扶正器等方法可以有效地降低摩擦阻力，同样的使用水力振荡器，利用机械振动将钻具与井壁之间的静摩擦力转化为动摩擦力以降低摩擦阻力，为我们水平钻进提供了一个新思路。

1 滑动钻进中摩擦阻力影响机械钻速的机理

在斜井的钻井施工中，无法保证给钻头施加真实有效的钻压是水平段钻进中面对的主要问题之一，目前这已成为影响全井平均机械钻速及钻井周期的主要因素。原因是在斜井段钻进过程中，钻柱重力在垂直于井壁方向的分力N会产生摩擦阻力，从而导致钻压不能完全有效地施加于钻头之上。由摩擦力公式:

F=μN

可知，摩擦阻力取决于摩擦系数μ和正压力N，正压力N越大钻具在井壁上的摩阻力F越大，因此在摩擦系数不变的情况下，井斜越大或者斜井段钻具越重，摩擦阻力越大。另一方面由于钻柱本身的重力以及摩擦力影响，钻柱在受压时可能发生不同形式的弯曲，也称为屈曲。屈曲的钻柱在很大程度上增加了钻柱与井壁之间的接触力，从而使摩阻扭矩增大。屈曲行为越严重，钻柱与井壁的压力越大，从而造成摩阻与扭矩的急剧增大。使钻头不能获得有效钻压，降低钻井机械钻速并缩短水平井水平段的极限长度［4］。

在滑动钻进施工中，施加在钻头上的真实钻压T=指重表上大钩载荷的减小值t－钻柱与井壁之间的摩擦力F。

当 t＜F静时，T=t－F静=0，钻头静止不动，钻具压缩，钻压T以钻柱弹性能量的形式积聚起来;这时司钻人员需要持续加压使钻压传递到钻头上。

当 t=F静时，T=t－F静=0。

若继续加压，则 t＞F静，T=t－F静＞0，钻柱弹性能量瞬间释放，钻柱突然下滑，钻具与井壁发生相对运动，静摩擦力向动摩擦力转化，摩擦阻力F迅速减小。

虽然静摩擦力与动摩擦力之间的比例关系与其材料有关，一般来说动摩擦力是最大静摩擦力的75%［5］。

这时，T=t－F动=t－0.75F静＞0.25F静。

这时钻头突然撞击井底，甚至出现顿钻、憋泵和憋马达等不正常现象，严重时损坏钻头和井下动力钻具，这种钻柱弹性能力突然释放的现象称为钻柱“蛙动”［6］。托压瞬间释放，憋泵和憋马达后，工具面往往会不稳定。一旦出现工具面不稳定就需要上提活动钻具，重新摆工具面，而在托压环境中摆工具面需要花费大量时间，托压严重时每次摆工具面所需时间30～60 min。一方面，托压势必会降低机械钻速，延长了滑动钻进的时间，工具面不稳定不但耽误时间又会降低造斜效率，从而增加滑动钻进段的长度和比例;另一方面，频繁的憋泵、憋马达会降低螺杆和钻头的使用时间和使用效率。

2 水力振荡器组成及作用机理

在使用水力振荡器后，钻井液的动能转化为机械能，使钻柱产生3～10 mm左右的轴向蠕动，这种蠕动使井底钻具组合与井壁处于动摩擦状态，通过钻具传递给钻头，形成周期性连续柔和变化的钻压［7］。由本文上述讨论可知这样可以减少1/4的摩擦阻力。这样可以降低钻具的屈曲效应，降低摩阻和扭矩，提高滑动钻进中钻压传递效率，提高滑动钻进中的机械钻速。

National Oilwell Varco公司生产出一种水力振荡器可以有效地实现静摩擦力向动摩擦力的转化，该水力振荡器主要有动力短节、盘阀短节和振荡短节3部分组成(见图1)。

图1 National Oilwell Varco公司生产的水力振荡器结构

当钻井液通过动力短节时便会驱动转子摆动，转子往复摆动带动动阀在平面做来回运动，与定阀的中心孔周期性重合与分开，引起过流面积的变化，从而产生压力脉冲。当钻井液受到周期性的限制时，就会产生沿钻柱上传的压力脉冲。振荡短节内部的蝶形弹簧吸收及释放冲击能量来实现振荡短节轴向上、下振荡，从而实现水力脉冲转化为轴向震动的机械能。当每个脉冲通过振荡短节后，其恢复到原来的状态。每次脉冲会产生3～10 mm的振幅和一定的轴向力［8］。足以将静摩擦力转化为动摩擦力。水力振荡器会产生4.5 MPa左右的压降，因为轴向力和轴向移动距离都不大，水力振荡器在工作期间不会对其他井下工具产生不利影响。其参数规格参见表1。

表1 National Oilwell Varco水力振荡器工具参数

3 水力振荡器现场使用效果与注意事项

2011年5月，川庆钻探50672井队在苏里格气田鄂尔多斯盆地伊陕斜坡苏5区块苏5－3－16H1井使用National Oilwell Varco公司水力振荡器滑动机械钻速提高100%。并创造了当时国内陆上油田最长水平段2606 m。同区块的苏76－1－20H井水平段进尺2856 m，刷新了国内陆上最长水平段记录。同时与未使用水力振荡器相比机械钻速提高了129%。

大庆油田大165－102－平106井在斜井段和水平段使用水力振荡器，从井深1580 m钻至1796 m，井斜从45°造斜至89°，进尺216 m，纯钻时30 h，平均钻速7.2 m/h。其中累计定向进尺173 m，平均定向钻速7.0 m/h;累计复合进尺43 m，平均复合钻速8.4 m/h。与临井大165－98－平106井同井段同型号钻头未使用水力振荡器相比定向钻进机械钻速提高了59%。

在榆37－2H井使用中有效地改善了钻井过程中钻压传递效果并提高了滑动钻速。在上趟钻未使用水力振荡器时，托压现象严重，工具面难以调整，机械钻速较低，使用水力振荡器之后平均滑动机械钻速由1.94 m/h提高到了2.87 m/h，提高幅度达到47.94%。

2013年2月8日22:30玉门鸭K1－7井组装水力振荡器，钻具组合:216 mm M1665SSD型钻头+172 mm螺杆+165 mm回压阀+165 mm悬挂短节+165 mm无磁钻铤×1根+165 mm钻铤×5 根 +6in(171 mm)力振荡器 +6in(171 mm)振荡短节(距钻头约66 m)+165 mm钻铤×4根+127 mm加重钻杆×6根+165 mm随钻震击器+127 mm加重钻杆×3根+127 mm钻杆。

使用井段2645.39～2835 m，累计进尺189.61 m，纯钻时111.3 h，综合平均机械钻速1.7 m/h。其中定向进尺118.88 m，定向钻进时间93.2 h，平均定向机械钻速1.28 m/h;复合进尺70.73 m，复合钻进时间18.1 h，复合平均机械钻速3.9 m/h。全部为造斜钻进，井斜从6.59°增到22°(预计井底)。所钻地层白杨河组E3b、中沟组K1z和下沟组K1g，棕红色泥岩。

对比本井上部没用水力振荡器的相邻井段:2540～2645.39 m，累计进尺 105.39 m，纯钻时52.67 h，综合平均机械钻速1.99 m/h。其中定向进尺45.69 m，定向时间37.49 h，平均定向机械钻速1.21 m/h;复合进尺59.7 m，复合时间15.18 h，复合平均机械钻速3.9 m/h。井斜从3.0°增到6.59°。所钻地层白杨河组E3b，棕红色泥岩。

使用水力振荡器后，在井斜增大和地层变硬的情况下，在定向进尺翻一倍的情况下，平均定向机械钻速略有提高，从1.21 m/h提高到1.28 m/h。对解决大井斜的定向托压和钻具粘附稍有改善。

4 总结与建议

(1)水力振荡器通过把静摩擦力转化为动摩擦力的方式来降低摩擦阻力是有效的，在钻井施工中可以与常规做法配合使用，比如加入润滑剂和短起下钻等。而且可以通过降低摩阻来减少摆工具面的时间，从而提高纯钻利用率。

(2)在定向钻井中，井眼状况十分复杂，实现安全快速钻进是一个系统工程，在泥浆方面必要的防粘附措施也一定要跟上，应及时添加足够量的润滑剂。

(3)水力振荡器是首次在鸭儿峡鸭K1－7井使用，在考虑还有1000 m非常长的造斜和稳斜井段，为了确保其使用效果，其位置安放在距钻头约66 m。但是所钻地层白杨河组和中沟组，主要为棕红色泥岩，其对钻铤的粘附作用非常强。建议在以后使用时，缩短其距钻头的安放位置，离钻头越近，其振荡作用越强;或者可以考虑在其上部适当位置再加装另外一套水力振荡器，效果会更好。

(4)从水力振荡器外径来分析:钻铤外径为165 mm，水力振荡器的外径为172 mm，比与其相连接的钻铤外径大7 mm，是否存在支点影响，有待进一步分析研究。以后可考虑选用与钻铤外径相同的水力振荡器或采用其他过渡方式，消除不良影响。

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