水力振荡器在三段制定向井中的应用

2018-11-15陈佳杰刘泳敬马光东

石油化工应用 2018年10期

郑锋，于琛，陈佳杰，徐旺，刘泳敬，马光东

（1.渤海钻探工程技术研究院，天津 300280；2.大港油田滩海开发公司，天津 300280；3.渤海钻探新青玉石油工程事业部，天津 300280；4.渤海钻探第三钻井分公司，天津 300280；5.青海油田采油一厂，青海茫崖 816400）

随着油田勘探开发的进行，大位移、大斜度定向井数量不断增加，该类井钻井过程中，钻具所受摩阻大，在滑动钻进过程容易产生托压，钻头难以得到钻压，会出现机械钻速低、工具面不稳定等现象[1-3]。一般采取向泥浆中加入润滑剂或进行短起下的方法，可有效降低摩阻、减缓托压[4]。但是，受制于现场施工要求，应用范围有一定局限性，如：在目的层井段加入润滑剂，会影响综合录井数据。频繁短起下会增加钻井作业时间，提高井壁垮塌风险。使用水力振荡器的轴向振动，将井内钻具所受静摩擦转变为动摩擦，可良好解决滑动钻进托压引起的系列问题，提高施工效率[5-7]。

C16x井是一口三段制定向井，二开裸眼段长、井斜大，依据WELLPLAN软件计算结果，在造斜井段，井斜达到10°后，钻具所受摩阻开始明显增大，并与井深近似呈线性关系，在井深2 700 m时摩阻即达到42.1 kN，预计开始出现滑动钻进托压问题。实际钻井过程中，在井深2 640 m的造斜段，井斜约28°，托压值达到50 kN～80 kN，滑动钻进中工具面变得不稳定，需频繁活动钻具，增加了井眼轨迹控制难度。在距离钻头193 m位置安放水力振荡器，滑动钻进效率得到明显改善。

1 技术难点

C16x井为一口二开定向井，设计井深3 805.67 m、最大井斜51.85°，一开Φ339.7 mm套管下深380 m，二开钻头直径215.9 mm。使用WELLPLAN软件对二开施工摩阻变化情况进行了分析，计算结果（见图1）。

本井造斜段井斜达到10°后，随井斜角的增大，钻具所受摩阻迅速增加，在2 400 m至井底井段，摩阻基本与井深呈线性关系。在井深2 700 m摩阻即达到42.1 kN，滑动钻进产生托压的风险增大，且随着井深增加，摩阻还会进一步变大，最大摩阻达174.6 kN。为有效解决托压问题，提高滑动钻进效率，解决井眼轨迹控制难题，制定了自井深2 700 m使用水力振荡器的应对措施。

2 水力振荡器技术分析

2.1 工作原理

水力振荡器主要由振荡短节和脉冲短节组成，脉冲短节产生周期性的压力脉冲，振荡短节在该压力脉冲的作用下，产生轴向振动（见图2）。具体而言，钻井液进入水力振荡器后，驱动脉冲短节部分的转子转动，转子带动其下端连接的动阀做周向往复运动，引起动阀和定阀之间过流面积产生周期变化，进而产生周期性的压力脉冲并传递至振荡短节内，引起碟簧轴向蠕动，进而带动工具上下端连接的钻具产生轴向振动，将井下钻具所受静摩擦力转变为动摩擦力，钻具所受托压大幅减小。

图1 C16x井摩阻变化模拟图

图2 水力振荡器结构图

2.2 设计性能参数

研制的Φ178 mm型水力振荡器适用Φ215.9 mm尺寸井眼，工具设计参数如下。

工具外径：178 mm；抗拉强度：4 500 kN；抗扭强度：80 kN·m；耐温：150 ℃；排量：28 L/s～35 L/s；工作压差：3.0 MPa～5.0 MPa；工作频率：10 Hz～15 Hz；扣型：4-1/2IF。

2.3 室内测试

水力振荡器完成室内组装后，对其性能进行了测试，分析了不同排量下工具的压降、振幅、频率。测试结果表明：排量达到15 L/s，工具出现明显且规律的振动，随着排量的增大，工具压降提高、振幅变大、频率变快，在排量30 L/s时，泵压3.2 MPa，工具振动幅度11.1 mm，振动频率15 Hz，与设计值基本相符（见表1）。

表1 水力振荡器室内测试数据

3 应用效果评价

3.1 施工概况

C-16x井水力振荡器应用井段2 701 m～2 932 m，工具入井总时间61 h，工作总时间39 h，完成造斜段钻井后起钻。依据该井摩阻计算结果和水力振荡器室内测试情况，通过水力振荡器最优安放位置选择方法[8]，确定工具位置距离钻头193 m，施工排量28 L/s～32 L/s，结合地面设备额定压力情况，尽量维持在较高排量，以保证井眼清洁。应用过程中，定向仪器信号正常，工具性能稳定。

井下钻具组合：Φ215.9 mmPDC+Φ172 mm1.25°螺杆+浮阀+Φ172 mm无磁钻铤+MWD短节+Φ172 mm钻铤+Φ127 mm加重钻杆+Φ178 mm水力振荡器+Φ127 mm加重钻杆+Φ127 mm钻杆。

施工参数：钻压40 kN～80 kN，钻速55 r/min+螺杆，排量 32 L/s，泵压 19 MPa。

3.2 效果分析

为分析水力振荡器的应用效果，对比了造斜井段、同地层的施工情况：在沙河街组沙一段2 641.71 m～2 699.04 m井段，井斜由28.14°增加至34.38°，未使用工具；在2 703.32 m～2 798.83 m井段，井斜由34.98°增加至48.28°，使用工具，具体分析结果如下。

3.2.1 托压减小、工具面稳定性明显改善水力振荡器通过自身振荡作用，带动上下钻具振动，将井下钻具所受静摩擦力转变为动摩擦力，钻具所受托压大幅减小。应用工具前，滑动钻进过程中，为克服托压突然释放引起的工具面跑开、憋泵等问题，一般采取缓慢加钻压的形式，将钻压控制在100 kN内，但钻压较难传递至钻头，实际托压值50 kN～80 kN，定向过程工具面非常不稳定，需要频繁活动钻具，应用工具后，托压一般小于20 kN，托压值降低明显。

本井2 312.07 m～2 830.60 m为造斜段，造斜率3°/30m。应用工具前，沙河街组沙一段造斜段滑动钻进需要频繁活动钻具，下入工具后，造斜段定向工具面稳定性明显改善：2 641.71 m～2 699.04 m造斜井段，平均每根钻杆需定向8.83 m，活动钻具16.5次（见图3）；在应用水力振荡器的2 703.32 m～2 798.83 m造斜井段，平均每根钻杆需定向4.55 m，活动钻具3.5次（见图4），平均定向钻进比例减少48.47%，相同长度井段的定向钻进，钻具活动次数减少58.82%。

3.2.2 机械钻速大幅提高应用水力振荡器后，钻具所受摩阻降低，托压缓解，钻压更容易传递至钻头，机械钻速相应得到提高，对比了应用工具前后滑动钻进的机械钻速。应用工具前，滑动钻进平均机械钻速1.90 m/h，应用工具后，滑动钻进平均机械钻速2.76 m/h，提高45.01%，提速效果明显（见表2）。

3.2.3 造斜效率提高应用工具前，2 641.71 m～2 699.04 m造斜井段，滑动钻进53 m，滑动进尺比例92.45%，井斜增加6.24°，造斜率3.27°/30m。应用工具后，2 703.32 m～2 798.83 m造斜井段，滑动钻进45.5 m，滑动钻进比例47.64%，井斜增加13.3°，造斜率4.18°/30m。通过对比，应用工具后，滑动进尺减少48.47%的情况下，造斜率增加27.83%。