基于摩阻和振荡力的水力振荡器安放位置计算方法

2019-08-14王建龙于志强郑永锋张雯琼陈祖红白金银

石油矿场机械 2019年4期

王建龙，于志强，郑永锋，张雯琼，郭菲，陈祖红，白金银

(1.中国石油集团渤海钻探工程技术研究院，天津 300450； 2.中国石油集团渤海钻探工程有限公司第一钻井分公司，天津 300280； 3.中国石油集团渤海钻探工程有限公司第四钻井分公司，河北任丘 062550)

水力振荡器是目前缓解定向托压最有效的方法之一[1-6]。在大斜度井、大位移井、水平井等复杂结构井中应用越来越广泛，也取得了较好的应用效果[7-10]。大量的现场应用数据表明，安放位置对工具应用效果影响较大。本文基于摩阻和振荡力，建立了安放位置计算模型，并利用模型制作了优选图版，方便现场应用。现场应用效果表明，该方法确定的安放位置，能较好地兼顾摩阻和工具的振荡力，充分发挥了工具的作用。

1 水力振荡器概述

水力振荡器由振荡短节和脉冲短节组成，如图1所示。脉冲短节是产生压力波动的机构，主要由螺杆、动阀盘和定阀盘组成；振动短接是产生激励振动的机构，主要由碟簧组、活塞、密封总成组成。

图1 水力振荡器结构示意

水力振荡器产生的振荡力与压力脉冲和活塞有效截面积成正比。

F=p×S×10-4

(1)

式中：F为水力振荡器产生的振荡力，kN；p为水力振荡器产生的脉冲压力，MPa；S为活塞的有效截面积，mm2，若为两级活塞，则活塞的有效面积为两个活塞的面积之和。

若要提高振荡力，则需提高压力脉冲或活塞面积。压力脉冲与阀盘尺寸、钻井排量、钻井液密度、钻井液黏度等参数有关。通常采用缩小阀盘尺寸或提高钻井排量2种方式提高压力脉冲。活塞面积主要与活塞的级数有关，国内外主要有一级和两级活塞2种水力振荡器。目前，国内外为了降低水力振荡器的压耗，且保证振荡力不变，多采用两级活塞水力振荡器。

2 安放位置计算

安放位置直接决定了水力振荡器的应用效果。若安放位置距离钻头过远，工具产生的振荡力小于滑动摩阻fμ1，则无法振动，无应用效果；若安放位置距离钻头过近，工具产生的振荡力远大于滑动摩阻fμ2，则振荡力未充分利用，摩阻降低比例有限，应用效果将大打折扣。如图2所示。

图2 水力振荡器缓解定向托压示意

研究结果表明，水力振荡器的振荡力与滑动摩阻是决定安放位置的关键的参数。水力振荡器合理安放条件如式(2)，即，工具产生的振荡力F大于等于滑动摩阻fμ。

(2)

式中：fμ为钻柱与井壁之间的摩阻，kN；G为钻柱在钻井液中的浮重力，kN；μ为钻柱与井壁间的摩阻系数，一般取值0.2～0.35；θmax为水力振荡器应用井段最大井斜角，(°)。

国内外常用的水力振荡器产生的振荡力为30～60 kN。基于该振荡力和底部钻组合等参数，绘制了安放位置优选图版，方便现场应用。按照127 mm加重钻杆180 m+127 mm钻杆若干的钻柱组合和摩阻系数0.3，计算出振荡力、井斜角、合理安放位置关系，并制作出图版，如图3所示。

由图3可见，随着振荡力增加，安放位置与钻头的距离增加；随着井斜角的增加，安放位置与钻头的距离缩短。

图3 水力振荡器合理安放位置与井斜角、振荡力关系

3 现场应用

近两年，在大港、华北、冀东等油田，利用该计算方法确定了87口井水力振荡器安放位置，缓解定向托压效果显著，如图4所示。该方法计算的水力振荡器安放位置一般距钻头150～350 m，提速效果在45%～150%。

以大港油田某A井为例，该井是一口三段制定向井，设计井深3 912 m，最大井斜角67.14°。该井钻进至3 555 m时，滑动钻进托压值150～200 kN，滑动钻时45～70 min，钻具托压频繁释放，导致工具面跳动、蹩泵，需频繁活动钻具，定向困难。为此，自3 555 m下入水力振荡器，后续为65～68°稳斜段，所用水力振荡器振荡器力40 kN，确定安放位置距离钻头185 m。工具入井之后应用情况如表1。