水力振荡器在下扬子地区东深1井的应用

【摘要】： 定向钻进过程中存在不同程（度的“托压”现象，严重时会导致定向段机械转速成倍降低，甚至没有进尺。如何提高定向井段的钻压传递效率，减少摩阻，始终是一个技术难题。水力振荡器是一种可以把定向钻进过程中的静摩擦力转化为动摩擦力的有效工具。本文针对东深1井二开钻进中“托压”严重的问题，分析了水力振荡器的结构和工作原理，以及与定向工具的兼容性，并首次将该工具应用于江苏下扬子地区钻井。试验结果表明：水力振荡器可以明显的降低摩阻，保证了定向钻进中工具面的平稳，其中定向井段的机械钻速提高107%，该试验井段平均机械钻速提高97.9%，水力振荡器的应用在东深1井取得了显著的效果。

【关键词】： 水力振荡器；定向井段；托压现象；下扬子地区；降阻提效

Abstract： There will be a various “Backing Pressure " in the process of directional drilling，and it will lead to collapse of the ROP， even lose footage if the backing pressure becomes serious. How to improve the transmission efficiency and reduce the friction of the directional well is always a technical problem. The agitator is an effective tool to convert the static friction force into the dynamic friction force in directional drilling. According to the phenomenon of backing pressure in Dongshen 1well， it is decided to use agitator in this well， after the structure and working principle of the agitator， and compatibility with the directional tool have been studied. For the first time the tool is used in the Lower Yangtze area of Jiangsu. The test results show that agitator can significantly reduce the friction， ensure the smooth of the tool face orientation.The directional drilling speed has been increased 107%， and the average rate of penetration has been increased 97.9% in this testing section.The application of agitator in Dongshen 1 well has achieved remarkable results .

Keywords： directional drilling；Lower Yangtze area； reducing friction and increasing ROP；backing pressure；agitator

定向井、水平井的定向井段、稳斜段以及直井防斜打直等钻井施工过程中，需要进行连续或间断的井身轨迹调整。但是频繁的调整井眼轨迹，会导致井眼中的“拐点”增多，这样会造成定向中“托压”现象越发明显，工具面很难控制；定向井段的机械钻速成倍下降，延长钻井作业周期。托压严重时会造成钻具自锁，失去进尺。

东深1井在二开∮311.2mm井眼施工过程中，由于地层倾角的剧烈变化，1860m时井斜由1.76°迅速增加到2.68°，随后开始定向纠斜。定向井段钻时20—40min/m，钻进过程中基本无“托压”现象，井斜控制在3°以内。但是频繁的纠斜钻进导致井眼内的“拐点”不断增加（图1），定向钻进至2206m开始出现“托压”现象，2712m后“托压”现象严重，钻压由60KN上升到245.7KN，平均钻时108.6min/m，钻进中大部分时间都用来活动钻具、调整工具面，定向钻进几乎无法进行。尝试向钻井液中加入大量的润滑剂和多次短起下作业等方式来降低摩阻，但是效果不明显。为了能正常进行定向作业，达到提高定向井段机械转速的目的，鉴于国内外以往成功应用案例，东深1井在二开2724.17m后尝试使用国民油井8"水力振荡器，开创了下扬子区块首次使用水力振荡器的先例。

1、水力振荡器的结构和工作原理

水力振荡器是一种将定向中的静摩檫力转化为动摩擦力的钻井工具，与定向工具MWD/LWD兼容，可以配合螺杆和PDC钻头钻进。其主要结构由轴向振荡减阻器主要由轴向振动短节、动力短节、阀门和轴承系统这3部分组成，如图2所示。

螺杆转子的末端与阀门系统的动阀盘相连，但是定阀盘及其口径固定，当钻井液驱动转子旋转时，动阀盘相对定阀盘会做平面往复运动，周期性地相对运动会使流体经过工具的截面积（最大值和最小值） 产生周期性变化（图3），最终会使轴向振动短接的脉冲压力产生同步周期性变化。

动力短节压力脉冲周期性变化，使内部弹簧处于周期性的积蓄能量和释放能量状态，最终引起了水力振荡器的轴向振动。当下部的钻具组合在工具的带动下往复运动时，定向钻进中钻具与井壁的静摩擦力会转化为动摩擦力。

2、现场应用情况

2.1东深1井概况

东深1井是部署在下扬子地区无锡断隆带锡北构造锡北-1块构造区上的一口区域探井，设计井型为直井，实钻井深6501米。钻探目的是探索锡北构造含油气性，查验无锡—黄桥断褶带中南部的沉积建造，获取钻遇地层的生储盖参数。使用水力振荡器的层位为志留系下统高家边组，地层岩性为灰、深灰色泥岩、粉砂质泥岩夹灰绿色含泥长石石英细砂岩。

2.2钻具组合及钻井参数

结合实际井眼情况，经过软件模拟计算，确定水力振荡器加在距离井底135.54m处。具体钻具组合如下：Φ311.1PDC钻头+Φ244无扶单弯螺杆（1.25°）+浮阀+Φ203无磁钻铤（MWD）+扶正器+Φ203钻铤×12+水力振荡器+Φ139.7钻杆。钻井参数：钻压40—160KN，转速 40+L，泵压 19Mpa，排量 45L/s，钻井液性能：密度 1.32g/cm3，粘度 48s。

2.3钻进过程

本次钻进井段为2724.17m—2997.77m，该井段的地层倾角变化十分明显，最大地层倾角50.118°（2882 m），这次钻具组合的目的主要为纠斜钻进。2016年2月13日2：00开始下入水力振荡器，后因定向仪器MWD电池耗尽，于2月17日21：00起钻更换定向仪器电池和钻头，起钻检查水力振荡器工况良好。总进尺273.6m，纯钻时间93.5h，平均机械钻速2.93m/h。其中定向井段进尺33.08m，平均机械钻速1.95m/h；复合井段进尺240.52m，平均机械钻速3.14m/h。该井段定向钻进时钻时在13—18min左右，2899m最高钻时为21.4min，井斜由3.72°↓2.68°。

3、使用效果分析

3.1“托压”现象明显减少

东深1井使用水力振荡器后，“托压”现象明显减少。定向井段的最大钻压由原来的24.6T降低到15.2T，降低幅度38.2%。对比录井曲线图5、图6可知，定向钻进过程中钻压施加平稳，不再需要频繁活动钻具，从根本上改变了前期无法定向钻进的情况。有效的控制了井斜和井眼轨迹，保障下部井段正常施工。

3.2定向井段机械转速明显提高

水力振荡器使用后，定向和复合井段的每米钻时明显加快，定向井段的钻时由原来的85min/m↓21min/m，提高75.3%，如7图所示。

由上表分析可知水力振荡器不但改善了以往无法正常定向钻进的情况，而且定向井段和平均井段的机械钻速均得到了成倍的提高。水力振荡器轴向振动克服摩阻可以提高定向井段的机械钻速，另一方面其轴向的高频振动可以对钻头形成类似于冲击钻井的效果，进一步提高平均机械钻速。东深1井采用水力振荡器钻进后，定向井段的钻进机械钻速提高107%、平均井段的机械钻速提高97.9%，取得了非常显著的钻井效果。

4、结论及建议

1）东深1井二开井段使用水力振荡器后，不仅极大的减少了“托压”现象，而且定向井段和平均井段的机械钻速均得到成倍的提高，可见水力振荡器在降低摩阻和提高机械钻速方面的效果十分明显。

2）高家边组地层自然倾角大，定向纠斜过程中发现摩阻有增大趋势时，要尽早使用水力振荡器。避免因“拐点”增多、摩阻增大，出现“托压”严重和无法正常定向钻进的被动局面。

3）高家边地层岩性致密，压实程度高，可钻性较差，尝试使用水力振荡器+无扶正器弯螺杆+PDC组合，可以明显改善钻压传递效果，避免了PDC冠状齿、外排齿因大钻压冲击形成的早期破坏，且该钻具组合降斜效果明显。

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作者简介：程彦红（1981—），男，山西左权人，2005年毕业于中国石油大学（华东）石油工程专业，工程师，主要从事石油工程钻井现场施工、钻井技术研究及技术管理工作。