水力振荡器与井眼清洁工具集成缓解托压技术研究

王建龙， 陶成学， 王志玲， 胡安智

(1中石油集团渤海钻探工程有限公司工程技术研究院 2中国石油青海油田分公司采油四厂 3中国石油集团渤海钻探工程有限公司定向井技术服务分公司 4塔里木油田公司工程技术部)

定向钻井过程中，由于井斜角大、稳斜段长，导致钻柱与井壁间摩阻大；另外，当井斜角超过一定值后会在井眼下井壁堆积形成岩屑床，这就导致钻柱与井壁间的摩阻进一步增大[1-2]。上述两方面原因导致了定向时托压严重，定向效率低。

目前，常用的震动减阻、机械清除岩屑床、添加润滑剂等单一的方法，缓解大斜度井定向托压效果非常有限。因此，为了有效解决大斜度井定向托压问题，本文提出了水力振荡器与井眼清洁工具集成缓解托压技术。G1603井现场试验结果表明，该集成技术能有效解决大斜度井定向托压问题，大幅提高了定向效率。

一、技术原理

水力振荡器与井眼清洁工具集成缓解托压技术，主要是从两个角度降低摩阻：①利用井眼清洁工具破坏井斜角大于45°井段的岩屑床，减少钻柱与井壁的接触面积，降低摩阻；②利用水力振荡器产生的轴向震动，实现钻柱与井壁间的摩阻由静摩阻向动摩阻的转化，从而降低摩阻。实钻数据表明，两者共同作用，可以使滑动摩阻降低40%～55%。

井眼清洁工具是一种带有槽道的、具有清洁作用的短钻杆，如图1所示。

图1 井眼清洁工具示意图

这种特殊设计的槽道结构，可以产生机械效应和流体力学效应。井眼清洁工具的高边可以将沉积在下井壁的岩屑挖起来，并将它们向上输送；钻井液流经槽道结构时，在槽道中可以形成涡流，可以将岩屑吸入槽道，并向上推举。在机械和流体力学作用下，可以将已形成的岩屑床清除掉，并能预防新的岩屑床在下井壁沉积。

水力振荡器是一种震动减阻工具，主要由脉冲短节和振荡短节组成，如图2所示。钻井液通过脉短节时产生压力脉冲，驱动振荡短节内的活塞和碟簧结构，使振荡短节产生轴向振动，进而带动附近钻具振动，使定向时钻柱与井壁间的静摩阻变为动摩阻，增强钻压传递的有效性[3-6]。

二、关键参数优选图版

水力振荡器与井眼清洁工具集成缓解托压技术的关键是水力振荡器的安放位置和井眼清洁工具的安放个数及间隔距离。为方便现场应用，建立了关键参数优选图版。

图2 水力振荡器系统结构示意图

1.水力振荡器安放位置图版

水力振荡器安放位置距钻头太远，工具无法正常起震，起不到缓解托压的作用；距钻头太近，会影响定向测斜仪器强度和测量精度，而且摩阻降低率有限，无法有效缓解托压。因此，需要根据每口井的实际情况，综合考虑优化出最优安放位置。

采用水力振荡器安放位置计算软件模拟与现场实践相结合的方法，建立了大斜度井不同井斜角条件下，水力振荡器的推荐安放位置图版，具体如图3所示。随着井斜角的增加，水力振荡器推荐安放位置距钻头距离增大。井斜角在55°～80°范围内，推荐安放位置在220～400 m之间。

图3 大斜度井水力振荡器推荐安放位置图版

2.井眼清洁工具的个数及间隔距离图版

井眼清洁工具的个数及间隔距离主要由最大井斜角、造斜率、工具有效作用距离、工具长度、底部钻具组合长度等决定[7-9]。

采用理论分析和现场实践相结合的方式，拟合出了大斜度井不同井斜角条件下，井眼清洁工具的个数及间隔距离，具体如图4所示，随着最大井斜角的增加，井眼清洁工具的安放个数增加。当最大井斜角50°～60°时，至少需要安放4只井眼清洁工具；当最大井斜角70°～80°时，至少需要安放5只井眼清洁工具。

图4 大斜度井井眼清洁工具推荐安放个数和间隔距离图版

三、现场试验

G1603井是一口在大港油田实施的一口三开大斜度定向井，设计井深3 011 m，设计最大井斜角65°。该井三开钻进至2 581 m时，井斜角达到66.1°，地面返砂困难，滑动摩阻超过100 kN，定向出现严重的托压问题，钻具上提附加拉力超过150 kN，滑动行程钻速仅为1.65 m/h。软件预测结果显示，该井最大岩屑床厚度达到18 mm，悬浮岩屑体积超过6%。

为了有效缓解该井滑动钻进托压问题，同时下入了水力振荡器和井眼清洁工具，从图版中优选关键参数如下：水力振荡器距离钻头280 m；井眼清洁工具下入5只，具体安放位置(距离钻头)分别为：185、283、439、708、962 m。

本次工具入井总进尺430 m，下钻至井底，正常钻进时，滑动摩阻较未下入前降低23.5%左右；两个循环周以后，震动筛返砂量大幅增加，相同进尺条件下，返砂量是下入前的375%，此时的摩阻再次下降10.4%；总滑动摩阻由原来的100 kN下降至66.1 kN。

工具入井之后，定向时未出现托压问题，滑动行程钻速由原来的1.65 m/h提高至2.72 m/h，提高65.2%；滑动平均机械钻速由原来的4.14 m/h提高至5.45 m/h，提高31.5%。

四、结论

(1)水力振荡器与井眼清洁工具集成缓解托压技术，能有效的降低大斜度井滑动摩阻，缓解定向托压，提高滑动钻进效率。

(2)随着井斜角的增加，水力振荡器推荐安放位置距钻头距离增大，井斜角在55°～80°范围内，推荐安放位置在220～400 m之间。

(3)随着最大井斜角的增加，井眼清洁工具的安放个数增加。当最大井斜角50°～60°时，至少需要安放4只井眼清洁工具；当最大井斜角70°～80°时，至少需要安放5只井眼清洁工具。