水力振荡器在定向井中应用的实践探索

2016-09-18刘秋霞胡家森

西部探矿工程 2016年8期

关键词：机械钻速进尺井眼

刘秋霞，胡家森

（中石化西南石油工程有限公司广西钻井分公司，广西南宁530023）

水力振荡器在定向井中应用的实践探索

刘秋霞*，胡家森

（中石化西南石油工程有限公司广西钻井分公司，广西南宁530023）

随着石油天然气开发定向井规模日益增大，定向井水平井在滑动钻进时，托压、粘卡严重，如何提高滑动钻进钻压传递的有效性，减少钻具与井壁间的静摩擦，一直是待解决的技术难题。详细说明了水力振荡器的机械振动理论，该工具是以钻井液作为动力源，驱动水力振荡器轴向运动带动井下钻柱沿轴向振动，可以将钻具与井壁之间的静摩擦转变为动摩擦。通过13口井是否使用振荡器进行对比分析，使用水力振荡器钻进确实可以适当解决受到地层因素影响的问题，井斜也容易控制，水力振荡器可以使常规的钻具组合克服定向钻进过程中遇到的常见问题，能够提高机械钻速，缩短钻井周期。

水力振荡器；定向井；实践探索；使用优势

1　定向井的特点

近年来，随着钻井技术的不断发展，石油天然气开发定向井规模日益增大，尤其是大位移井、长水平段水平井总量与日俱增。在水平井钻井过程中，钻具在井眼曲率较大的井段，或在过长水平段会产生较大摩阻、托压现象，无法有效施加钻压，并且在定向段普遍具有低孔、致密、非均质性强等地质特征，因此造斜井段普遍存在严重的托压、粘卡、钻头对工具面控制力差、钻压无法有效且真实地传递至钻头等现象，严重制约了钻速和钻井效率的进一步提高，成为阻碍水平井顺利开发的问题。国内外油田开展了优化井眼轨迹、井筒润滑剂、刚性扶正器等研究，目前还不能经济有效地解决水平段摩阻大、托压等问题。

2　水力振荡器的使用优势

2.1工具结构

水力振荡器主要由动力部分、阀门和轴承系统、配套部分（振荡短节）3个机械部分组成，如图1所示。

2.2工作原理

图1　水力振荡器工具结构图

工具的动力部分是由一个2∶1的马达组成，马达转子的下端固定一个阀片，所以流体通过动力部分时，驱动心轴转动，由于螺杆的特性，末端在一个平面上往复运动（称之为动阀片）。与动力部分连接的是阀门和轴承系统，主要部件就是耐磨套和一个固定的阀片——定阀片，动阀片和定阀片紧密配合。由于转子的转动，导致2个阀片相错和重合相错和重合就导致上流的压力发生变化，期性相对运动造成流体流经工具的截面积（最大值和最小值）周期性的变化。动力部分使上游压力周期性的变化作用在弹簧短节上，就形成弹簧短节不断的压内在的弹簧，形成振动。

水力振荡器通过自身产生的纵向振动来提高钻进过程中钻压传递的有效性和减少底部钻具与井眼之间的摩阻，这就意味着水力振荡器可以在各种钻进模式中，特别是在使用动力钻具的定向钻进中改善钻压的传递，减少钻具组合粘卡的可能性，减少扭转振动。

随着大位移井数量的增加和水平位移的不断延伸，其钻进模式面临着更大的挑战，水力振荡器通过简单有效的方式解决这个难题，提出了一个独特而又有效的途径。平稳的钻压传递，甚至在方位角变化很大的复杂地层中，提高对钻头工具面的调整能力，以使钻达更远的目的层；在钻进中不需过多的工作来调整工具面，保持工具面的稳定，提高机械钻速。

2.3工作优势

水力振荡器在工作状态中，具有其独特的优势。首先，工作产生的振动不会破坏MWD、LWD工具和干扰系统信号，减少横向振动和扭转振动，钻具组合中可以在MWD工具的上下，位置比较自由，不会对钻头和管柱产生振动破坏。其次，工具和钻头有很强的兼容性，可以和牙轮钻头和有固定镶齿钻头仪器使用，产生的振动不会对钻头切削齿产生破坏，同时也不会破坏牙轮钻头的轴承，延长PDC钻头使命寿命（钻进过程中小钻压的传递）。再次，水力振荡器工作防止钻压集中和对工具面的控制，改善滑动钻进过程中钻压的传递方式，改善钻压传递过程中钻杆的压缩量，加强定向钻进。

3　水力振荡器现场应用实例

3.1钻井组合

综合国内外水力振荡器的使用分析，目前在8-1/2″和12-1/4″井眼中使用水力振荡器的几率最高，主要因为8-1/2″和12-1/4″井眼处在定向段、水平段的可能性远远高于其它尺寸的井眼。水力振荡器安放在距离钻头150～500m之间，以300m左右居多。

各尺寸水力振荡器使用钻井组合具有普遍性，以8-1/2″井眼为例，使用的基本钻具组合如下：8-1/2″PDC钻头+6-3/4″螺杆+6-1/2″浮阀+接头+6-3/4″LWD（Neoscope675）+6-3/4″MWD（Telescope）+6-3/4″NMDC+6-3/4″（F/J+JAR）+5″加重钻杆+6-3/4″水力振荡器+5″钻杆+接头+5-1/2″钻杆。

3.2地面组合测试

在钻台组合工具时，不可在水力振荡器动力部分施加外力，包括坐卡瓦、安全卡瓦、上/卸扣等。水力振荡器安放位置视具体情况而定，振荡短节直接接在振荡器之上。在地面进行功能测试，振荡短节振荡频率与流量成正比，在地面测试中，其产生的振动或许会使整个钻具发生强烈的振动，为安全起见，尽可能使用较低的排量，尽量降低其振荡频率。

在地面测试中以能观察到振荡短节的蠕动即止，蠕动范围在3～10mm之间。如果工具之下的钻具组合相对较轻，必须达到一定的排量才能驱动工具工作。

3.3钻进操作原则

开始钻进时，不宜过大，应逐渐加压，找到一个机械钻速最快的最佳契合点（最优值），然后保存该钻压钻进，切勿期望值过高。在滑动工况，第一次滑动，先将排量提起来，再逐渐加压；在复合工况，也要注意钻压，不宜过大。

水力振荡器在小钻压钻进中，可有效地消除钻具重量在井壁某段的聚集效应，如使用大钻压钻进，振动短节的弹簧将受到压缩，这样就会降低工具的使用效果。在井斜较小的井眼钻井中，水力振荡器应安放在受压位置（中性点以下），以避免跳钻发生。

3.4工具使用基本情况

3.4.1水力振荡器在渤海湾、川西使用的效果

（1）以中海油服公司、渤海钻探公司在渤海湾一带施工的井，使用水力振荡器的效果如表1所示。

（2）以四川钻井公司在川西施工的井，使用水力振荡器的效果如表2所示。

3.4.2水力振荡器使用效果分析

（1）根据表1数据，代号1、2、5、6、7井为同组井位，具有很强的可比性。在水力振荡器的使用中，1号井累计进尺567m，总机械钻速41.45m/h；2号井累计进尺696m，总机械钻速36.15m/h。相比之下5、6、7井没有使用水力振荡器，5号井累计进尺604m，总机械钻速23.87m/h；6号井累计进尺680m，总机械钻速16.09m/h；7号井累计进尺676m，总机械钻速17.56m/h。通过对比，使用水力振荡器的1号井总机械钻速比没有使用水力振荡器的6号总机械钻速提高了157.61%，使用水力振荡器机械钻速有了质的提高。这5口井相对比，使用水力振荡器的2号井滑动钻进机械钻速最高为23.33m/h，比未使用水力振荡器滑动钻进机械钻速为6.51m/h的7号井，机械钻速提高了258.37%。

根据表1数据，代号3、4、8为另一组相似井位，也具有较强的可比性。3号井累计进尺717m，总机械钻速10.58m/h；4号井累计进尺987m，总机械钻速29.91m/h；8号井累计进尺642m，总机械钻速9.27m/h。3、4号井使用了水力振荡器，8号井未使用水力振荡器，4号井的总机械钻速比8号井提高了222.65%。这3口井滑动钻进钻速提速更加明显，4号井19.69m/h的滑动机械钻速远远大于8号井的3.64m/h。

（2）根据表2数据显示，马蓬23-3HF、新沙21-28H井使用水力振荡器，总机械钻速和滑动机械钻速都有一个层次的提高。马蓬23-3HF井使用水力振荡器从井深1390m钻至1733m，其中累计滑动钻进进尺为221m，纯钻时间为50.8h，滑动机械钻速为4.4m/h。与同井场2口未使用水力振荡器的邻井马蓬23-1H井、马蓬23-2H井相比，在机械钻速上大大的提高。马蓬23-3HF井配合使用水力振荡器后，钻具发生周期性震荡，基本消除了托压现象，滑动时工具面稳定，调整工具面时间大幅减少，综合平均机械钻速比邻井最高纪录提高了84.6%，滑动平均钻速比邻井最高纪录提高了50%。

表1　水力振荡器渤海区块使用效果分析表

表2　水力振荡器川西区块使用效果分析表

新沙21-28H井使用水力振荡器从井深2048m钻至2468m，井斜从28.6°增至89°并进入水平段。其中累计滑动钻进进尺为175m，纯钻时间为87.23h，滑动机械钻速为2.01m/h，累计复合钻进进尺为245m，纯钻时间为29.13h，复合机械钻速为8.41m/h，总机械钻速为3.62m/h。相对于没有使用水力振荡器的新沙21-27H井，该井段总机械钻速为3.37m/h，比新沙21-28H井总机械钻速低了7.4%，滑动机械钻速低了3.1%。

（3）通过表1、表2的数据分析，使用水力振荡器对提高机械钻速具有良好效果。

4　认识和建议

根据渤海区块8口井和川西区块5口井的对比，对水力振荡器的使用有如下认识：

（1）在这些区块类似井段推广水力振荡器的使用，可以降低滑动和水平钻进中的托压现象，提高了机械钻速，降低了钻井周期，减少了钻井事故发生的机率。同时，对其它区块具有相似井身结构以及新区块，推荐对水力振荡器进行试验，为定向钻进找到有一个提高机械钻速的途径。

（2）水力振荡器可与常规定向工具和仪器同时使用，不会对无线随钻信号产生不利影响，也不会对仪器和动力钻具的使用寿命产生影响。

（3）在水平井钻进过程中，通过水力振荡器的作用，可使钻压缓慢地施加到钻头上，减小钻头与井底的冲击，提高钻头使用寿命。

（4）轴向振荡发生工具对井下钻具无不利影响，对MWD、LWD信号传输不会产生干扰。

（5）水力振荡器现场试验表明，同一井段的滑动钻进机械钻速和复合钻进机械钻速均有不同程度的提高，钻进摩阻减小，可在水平井钻井中推广应用。

（6）在定向钻进施工中，对于使用水力振荡器的井段，工具面稳定，减轻了钻具在大斜度井段的摩阻，同时也形成了更好的井眼轨迹。在降低摆工具面时间和起下钻频率的同时，也有效地降低了下步施工中的风险，提高了综合钻井效益。

根据渤海区块8口井和川西区块5口井的施工情况，对水力振荡器有如下几点建议：

（1）水力振荡器推荐的正常工作排量为25～38L/s，但由于高密度和井队设备配套的影响，实际排量最大只能达到27L/s，仅达到水力振荡器要求的排量下限多一点，在一定程度上也会影响水力振荡器工作性能的充分发挥。在条件允许的情况下，推荐选用降低水头损失的工具，如上部钻具使用较大直径的钻杆（5寸半）以减少管内压力损耗，在井下选用压降较小的工具和测量仪器等。

（2）进一步改进水力振荡器以降低工作压耗，增大应用范围。目前所用水力振荡器工作压降高达4～6MPa，如果使用动力工具配合，对钻井泵要求较高，同时长期高压作业造成的施工风险也急剧增大。

（3）进一步提高水力振荡器部分零件的耐冲蚀性能，延长其使用寿命，更好地发挥其提速作用。

（4）在高密度钻井液井段采用水力振荡器时需要充分考虑钻井设备的工作能力，避免因设备能力限制导致工具潜力不能正常发挥。

（5）根据水力振荡器性能，若钻进设备能够满足更高的泵压条件，还可在钻具组合上再串接1～2个振荡器，提高克服钻进的钻具与井壁间摩阻扭矩的能力，提升大位移井和长水平段水平井延伸能力。

（6）水力振荡器工具具备提高破岩效率、降低摩阻、防阻卡、增加钻压、提高钻速、增加单只钻头进尺等功能。国内在旋冲钻井、提高井身质量、降低摩阻、增加钻压等方面均做了大量研究，而且在这些单一研究方面跟国外存在一定差距；目前国内未见研发用于钻井提速的同时具有改变破岩方式为旋冲破岩方式、形成光滑井眼轨迹、降低摩阻、增加钻压的水力振荡器工具，重点在这个方向进行研究。

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