水力振荡器在中深水平井中的提效应用

2018-01-29刘阳陈鹏张鸥甘淋淋

中国设备工程 2018年21期

刘阳，陈鹏，张鸥，甘淋淋

（中国石油渤海钻探工程有限公司第一钻井工程分公司，天津 300280）

螺杆+MWD是定向井控制井眼轨迹的主要方式，但是在井深超过2500m以后，使用螺杆+MWD滑动钻进过程中，发生的钻压不易传递和钻柱蛙动问题逐渐严重，在滑动钻进过程中，钻压逐渐增大,但未将压力作用于钻头，产生托压现象,造成无进尺；钻具所承受的压力至一定数值，会突然挣脱井壁的粘阻力，瞬间向下传递压力，产生“顿钻”现象，致使螺杆的内部转动受阻、螺杆压降升高。这些现象严重降低了机械钻速,带来重大的井下钻具安全隐患。在中深水平井的钻进过程中，通过改善泥浆润滑性能、进行短程起下钻刮划井壁等措施来降低摩擦阻力，提高滑动钻进的效率，但效果不显著。因此，钻井工程师在中深井中利用水力振荡器解决钻压传递与托压的问题，较好的提高滑动钻进机械的钻速。

1 水力振荡器的结构与原理

水力振荡器主要由3个核心部件组成：动力端、阀门和轴承系统、振荡短节部分。动力端是由1个2：1的动力马达组成，马达转子下部固定1个阀片，流体或者钻井液通过动力端，驱动心轴转动，由于螺杆钻具的特性，末端在一个平面上往复运动（称为动阀片）。与动力端连接的是阀片和轴承系统，是耐磨套和1个固定的阀片（称之为定阀片）。动阀片和定阀片紧密配合，加上转子的转动，导致两个阀片相错和重合，相错和重合就导致上游的压力发生变化,周期性的相对运动将造成流体流经工具的截面积发生周期性变化。使上游周期性变化的压力作用在振荡短节上，振荡短节不断地压内部弹簧，形成振动。

通过流体压力的周期性变化，作用在工具内在的弹簧上,由于压力大小的变化,内部活塞在压力和弹簧共同作用下，产生轴向的往复运动，从而将钻具与井壁之间的摩擦力由静摩擦变成动摩擦,以提高破岩效率。

2 在中深水平井中的应用

2.1 地层情况

官88-18H井位于王官屯油田官88断块，为1口3开水平井，设计井深 3555m，属于中深水平井类型。

地质设计提示本井地质分层，从上到下分别为：平原组主要岩性为黄土和散砂；明化镇组为砂泥岩互层；馆陶组上部为砂岩、泥岩，底部为含砾不等的粒砂岩,砂岩；东营组主要岩性为大段泥岩及砂泥岩互层。沙河街上部生物灰岩，中部泥岩与细砂岩,下部油页岩与泥岩，孔店组顶部为泥膏岩、大段泥岩,下部为砂泥岩互层。本井孔一段泥岩段长可钻性差,使用螺杆+MWD滑动钻进机械钻速交底。

2.2 钻井难点的分析

（1）馆陶组底部存在35m厚的砾岩，研磨性强、可钻性差，钻头的选择比较重要。

（2）孔一井段上部存在石膏,泥浆易被石膏污染，且井眼轨迹不易控制。

（3）孔店组存在大段泥岩,机械钻速低,滑动钻进效果差,钻具长时间静止,容易发生粘附卡钻。

2.3 轨迹数据

官88-18H 井设计为1口水平井，设计井斜角90°,水平段长410m。根据临井资料分析，上部井段使用常规螺杆+MWD钻具组合：φ311.1mmPDC+φ244.5mm 1.5°螺杆 +φ203mm 浮阀 +φ305mm稳定器 +φ203mm 无磁钻铤 +φ203mmMWD +φ 203.2mm 无磁钻铤 +φ127mm 加重钻杆×21根。采用 5刀翼 PDC 钻头，钻井参数（钻压 4～6t，排量3.6m3/min，转速 70r/min）钻完中完进尺。三开下入水力振荡器配合螺杆+MWD控制井眼轨迹。

2.4 水力振荡器位置的确定

（1）确定安放位置。通过模拟计算，在本井215.9mm井眼的施工中，将水力振荡器安放于钻头上约280m的位置，配套 58.4mm的阀板，泥浆泵排量1.85～2m3/min，水力振荡器压降 4～4.2MPa，振动频率15～16Hz。

（2）下井前井口测试。水力振荡器被连接好后，以 0.4、0.8、1.2、1.6、2m3/min 在井口进行测试，在排量 0.8m3/min 时起振，排量逐渐提升时，振动更加明显。在井口测试水力振荡器的结果表明，工具振幅与泥浆泵排量（在排量0.8～2m3/min时）成正比关系。

（3）水力振荡器与MWD信号干扰测试。水力振荡器测试正常后，再测试定向井MWD信号,在排量1.85～2m3/min时信号正常。结果表明，在工具距离钻头280m的位置时,工具对MWD信号无影响,可以正常下入。

2.5 钻进效果试验

（1）机械钻速对比。钻井完后，收集数据，本井官88-18H 井与邻井管88井相比，官88-18H井的平均滑动机械钻速比官88井提高了 20.4%，并且官88-18H 井的井斜更大，造斜率更高，钻进难度更高。

（2）钻头定损。官88-18H井和官88井在215.9mm钻头钻进时，均使用国产的新PDC钻头，官88井起出后，钻头IADC磨损定级：2-1-BT-A-XI-NO-TD；官88-18H 加入水力振荡器后，完钻起出后钻头IADC磨损定级：2-1-BT-A-X-I-NO-TD，从而得出：使用水力振荡器后，不会加剧钻头的磨损，可以正常使用。