振动减阻工具的研制与现场试验*

穆总结 李根生 臧传贞 马军

(1.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室 2. 中国石油大学(北京)克拉玛依校区油气资源与探测国家重点实验室 3. 中国石油新疆油田分公司 4.中国石油西部钻探工程公司)

0 引 言

钻井提速是钻探行业的永恒主题，并已成为油田高效开发和降本增效的重要技术手段[1-3]。随着非常规油气资源开发的不断深入，水平井已成为开发页岩油气的主要井型，水平井段也在不断延伸。如我国已在西南油气田和新疆油田等非常规油气开发过程中钻成了3 000 m及以上水平段[4-6]，且水平段长度还在延伸。在长水平井钻井过程中，如何提高机械钻速已成为业内人士亟待解决的关键技术问题。

在水平井钻井过程中，井底钻柱因受重力作用与下井壁接触，产生较大的摩擦阻力，导致钻压无法有效传递，即形成托压现象。特别是在定向造斜段与长水平段钻进过程中，由于需要对井斜进行调整而频繁采用滑动钻进，托压现象更为明显。托压现象导致机械钻速降低、井身质量难以保证，甚至造成严重的井下事故[7]。因此，托压现象已成为制约水平段钻井提速和井眼延伸的重要技术因素。为了减少或消除托压现象，需要频繁地进行短起下钻作业，修复井壁以及防止井下卡钻风险，严重影响钻井工期，同时导致钻井成本大幅增加。因此，高摩阻引起的托压现象已成为制约水平井钻井提速以及井眼延伸的技术难题[3]。

减小钻柱与井壁之间的摩擦因数是减少托压现象的重要手段。为了实现定向造斜段和长水平段钻井提速技术需求，业内进行了大量的理论与钻井实践探索[8-17]。随着钻井工艺以及钻井软、硬件的快速发展，采用大功率螺杆+减摩降阻技术已成为实现低成本钻井提速的重要技术手段。

本文在对水平井钻井提速技术深入研究的基础上，结合钻柱振动冲击机理，进行了振动减阻技术的研究工作，研制了振动减阻工具。振动减阻工具是减摩降阻技术的重要体现，其通过振动冲击作用，使钻柱在井底产生轴向高频低幅振动作用，将钻柱与井壁之间的静摩擦转换为动摩擦，大幅度降低摩擦因数，减少托压现象，提高钻头破岩效率，实现钻井提速。目前，该技术已在新疆玛湖油田FNHW4084井进行现场试验，并取得良好的提速效果。本文对振动减阻工具的结构、工作原理与现场试验结果进行阐述，以期对相关技术的研发起到一定的借鉴作用。

1 振动减阻工具技术分析

1.1 结构

振动减阻工具由心轴、振动外筒、碟簧组、下外筒、活塞、定子橡胶、转子、动阀以及下接头等组成，结构如图1所示。

1—心轴；2—振动外筒；3—碟簧组；4—下外筒；5—活塞；6—定子橡胶；7—转子；8—动阀；9—下接头。

振动外筒与心轴之间通过花键组合在一起，确保在钻井过程中扭矩的有效传递，并通过组合密封实现轴向往复运动的有效密封。碟簧组设计在心轴与振动外筒之间，确保往复振动效果。下外筒与振动外筒之间通过特殊的螺纹连接在一起，螺纹连接处的密封与API钻杆扣型一致，即通过连接处的端面确保密封效果。活塞设计在心轴与下外筒之间的空腔内，并通过组合密封确保往复密封效果。定子橡胶设计在下外筒下方，并通过硫化工艺与下外筒形成一体；定子橡胶为左旋结构设计，其设计思路与螺杆钻具定子橡胶设计思路一致，即与转子之间形成容积式密封。转子与定子之间为容积式马达设计，头数之比为1∶2，确保钻井流通时驱动转子转动。动阀设计在转子下方，其与转子之间的连接形式为过盈配合连接；在动阀上设计有多个可供钻井液流通的通孔。下接头设计在下外筒下方，并通过螺纹连接在一起。

1.2 工作原理

心轴与下接头分别连接上下钻柱。在钻井过程中，钻井液通过心轴内孔进入定子橡胶与转子之间的容积空间，并经过转子下方设计的3个均布斜孔和动阀设计的通孔，最后从下接头内孔流出至下部钻柱。当钻井液流通时，流体驱动转子产生顺时针转动，转子转动过程中将驱使动阀产生转动。动阀转动过程中，其上设计的偏心通孔将与下接头之间产生周期的往复滑动。

动阀转动过程中与下接头产生往复运动，并产生连续脉冲压降，如图2所示。当动阀上设计的通孔转动至与下接头处于偏心位置时，此时产生的压降达到最大值Δp(见图2a)；转子在钻井液的驱动下继续转动，并驱使动阀通孔转动至与下接头通孔处于同心位置时，此时产生的压降达到最小值(见图2b)；随着转子的继续转动，并驱使动阀继续转动至与下接头通孔处于偏心位置时，再次产生最大的压降Δp(见图2c)。动阀与下接头之间的高低压转换是一个连续过程，此过程将产生一个连续的脉冲高低压转换。

图2 连续脉冲压降示意图

此连续的脉冲压降Δp将作用于心轴下端设计的活塞环形端面处，从而给活塞一个脉冲的作用力，驱动活塞产生向上的运动，行程为Δs，即产生一次振动冲击作用(见图3a)。在活塞向上作用过程中，将压缩碟簧组做功。当动阀与下接头处于同心位置时，压降最小，此时碟簧将恢复预紧状态，即驱动心轴及活塞向下运动至初始状态(见图3b)。此时，完成一个周期的振动冲击。当脉冲压降再次达到Δp时，活塞再次上行，并压缩碟簧做功，驱动心轴向上运动，再次产生一个冲击振动作用；当压降达到最小时，心轴及活塞再次恢复到初始状态。由于心轴产生连续的高频低幅冲击作用，该振动冲击力作用于井底钻柱，从而将驱动井底钻柱高频振动，使得钻柱与井壁之间的静摩擦转换为动摩擦，大幅降低摩擦因数，从而保证钻压的有效传递，消除或减少托压现象。

图3 振动减阻工具往复振动示意图

2 现场试验

2.1 试验井基本情况

图4 FNHW4084井井身结构图

该井于2 395.22 m开始进行定向造斜，地层为克上组(T2K2)，地层岩性为粉砂质泥岩；造斜完钻井深为2 899.58 m。在造斜段进行定向钻进时，在未使用振动减阻工具井段(2 395.22～2 490.00 m)，钻柱与井壁之间的摩阻大，托压现象严重，平均机械钻速仅为1.34 m/h。其中，在2 440.00～2 490.00 m井段，机械钻速仅为0.47 m/h，严重影响钻井工期。为了有效缓解托压现象，提高定向造斜段的机械钻速，开展了振动减阻工具的现场试验工作。

2.2 试验井振动减阻工具主要参数

FNHW4084井为振动减阻工具的首次入井试验，振动减阻工具主要参数如下：工具外径127.0 mm，工具内径50.0 mm，工具总长6.2 m，工具上下连接扣型API 3IF，振动频率11～15 Hz，振幅6～8 mm，系统压降≤3 MPa。

2.3 试验情况

振动减阻工具于2020年10月15—26日进行现场试验，工具入井照片如图5所示。

图5 振动减阻工具入井照片

采用的钻具组合为：ø165.1 mm PDC钻头+ø135.0 mm螺杆(每160 mm 1.5°直扶)+ø130.0 mm双外接头+ø120.0 mm电阻率+ø130.0 mm双外接头+ø120.0 mm悬挂短节+ø120.0 mm保护接头+ø101.6 mm加重钻杆3根+ø101.6 mm斜坡钻杆17根+转换接头+ø127.0 mm振动减阻工具+转换接头+ø101.6 mm斜坡钻杆73根+ø101.6 mm加重钻杆36根+ø101.6 mm斜坡钻杆。

现场试验中，钻压20～50 kN，转速0～50 r/min，钻井液密度1.25～1.27 g/cm3，钻井液黏度50～57 s，钻井液含砂质量分数0.1%～0.3%，钻井液排量17～20 L/s，地面泵压18～20 MPa。

表1 试验井段机械钻速数据对比

表1中的邻井FNHW4026井的2 400.00～2 639.00 m井段位于试验井的相同造斜层位。

从表1可以看出：使用振动减阻工具后，与上部未使用振动减阻工具的井段相比，机械钻速提高254%；与邻井FNHW4026井相同造斜段相比，趟钻进尺提高150%，机械钻速提高126%，趟钻进尺及机械钻速均大幅提高。所钻井段井斜参数变化如表2所示。

表2 试验井段井斜参数变化

振动减阻工具出井照片如图6所示。工具提出井口后测试，结果表明振动减阻工具工作正常，从而验证了振动减阻工具可大幅消除托压现象，同时工具的井下使用寿命也得到验证。

图6 振动减阻工具出井照片

3 振动减阻工具优势分析

(1)技术优势：振动减阻工具通过井底产生高频低幅振动冲击作用，大幅降低钻柱与井壁之间的摩擦因数，从而消除或减少托压现象，保证钻压的有效传递，进而达到提高机械钻速的目的。

(2)成本优势：振动减阻工具结构设计简单，易于加工。

(3)使用寿命优势：振动减阻工具轴向振动部分为纯金属结构设计，在加工过程中对于动密封进行特殊表面处理，可保证井底使用寿命；定子及转子部分为容积式马达设计，我国已在容积式马达材料研究以及机械加工方面实现突破，其单趟井底使用寿命可达300 h以上，从而保证了振动减阻工具在井底的使用寿命。

4 结论及建议

(1)振动减阻工具通过井底产生高频低幅振动，实现井底钻柱与井壁之间的往复运动，消除或减小钻柱与井壁之间的摩擦力，从而实现轴向钻压的有效传递，提高钻头破岩效率。现场试验结果表明，振动减阻工具具有良好的减阻效果，可以大幅提高定向造斜段的机械钻速。

(2)加强振动减阻技术井底钻具组合设计研究工作，深入进行振动减阻工具井底安放位置优化设计，从而避免因振动冲击而造成对井底MWD/LWD的信号干扰，即避免对井底仪器产生影响的前提下，可确保振动减阻效果，提高机械钻速。

(3)建议加强振动减阻技术的研究和现场试验力度，并结合我国不同区域油气田井身结构特点，进行相应尺寸的工具研发设计，从而为我国油气田低成本高效开发做出贡献。