水力振荡器在新场气田新沙21－28H井的应用

胥 豪 牛洪波 唐洪林 张晓明

1.中国石化胜利石油管理局钻井工艺研究院 2.长江大学石油工程学院

四川盆地川西新场气田地区蕴含着丰富的天然气资源，但钻井作业却普遍存在钻速慢、钻井周期长、钻井成本高的问题，严重地制约了该区气藏的勘探开发[1－3]。一般来说，影响钻速的因素无外乎地质因素、井身结构、钻进方式、钻井设备及钻井液[4－5]，但是在相同井深，相同地层及钻具组合和设备能力时，采用滑动钻进和复合钻进，机械钻速却能相差3～6倍，因此，如何提高滑动钻进时的机械效率成为川西钻井提速的重点目标之一。鉴于水力振荡器具有降低钻进的钻具与井壁间摩阻扭矩，提高钻进机械效率的优点[6]，且在国外具有较多成功应用的实例，因此新沙21－28H井对Andergauge公司生产的水力振荡器进行了应用试验。

在常规钻井过程中，钻具组合和钻杆部分或者全部与井壁接触，这样在运动中就要产生摩阻。水力振荡器可通过水力的作用产生沿钻具组合或者钻杆轴线方向上的振动，利用振动将静态摩阻转变为动态摩阻，从而大大减小钻进过程中的摩阻。水力振荡器的优势在于降低钻进时的摩阻和扭矩，使得钻压更容易传递，工具面更加容易控制，从而提高钻进时的机械效率；同时扩大了常规导向马达进行大位移井或者长水平段水平井的钻进能力[7]。

1 水力振荡器的结构及工作原理

1.1 结构及工作原理

水力振荡器（AGT）主要由3部分结构组成（图1）：①动力部分；②阀门和轴承系统；③配套振荡短节。刚性的由钻杆单根连接成的管柱使用振荡短节，挠性的管柱则不使用振荡短节[8－11]。

图1 水力振荡器结构示意图

动力部分下端的阀门部分可使流体流经工具后的压力发生变化而产生压力脉冲，压力脉冲向上作用于振荡短节或者挠性强的连续油管从而使管柱在自己轴线方向上来回运动，这样原来的静摩擦阻力就变成了动摩擦阻力[7]。

独特的阀门系统是整个工具的核心部分（图2），它能把流经动力部分流体一部分能量转化为压力脉冲，通过一对阀门周期性的相对运动来实现，因为这一对阀门周期性相对运动造成流体流经工具的截面积周期性的变化[9]。

图2 水力振荡器阀门系统与压降关系示意图

当流经的截面积为两个阀门相对运动的最少重合部分时，是压力脉冲波峰的位置；反之就是波谷的位置。

压力脉冲的频率和经过工具的流量呈线性关系，以工具在作业中的工作参数来选择阀门系统中阀片的尺寸，确保工具在工作中发挥最好的效果和使工具的压降在允许的范围内。

水力振荡器本身仅产生压力脉冲，为了使这个能量转化成可用的机械动力，需要加入振荡短节，然后再与油管或者钻杆连接，使水力振荡器上下的管柱产生沿轴线方向的振荡。振荡短节一般安装在动力部分之上。

振荡短节主要由一个对外密封的心轴和密封心轴外围轴向上安装的弹簧组成，当内部的压力作用到心轴的下端面时，在压力的作用下，心轴向下方移动并且压缩弹簧，当这个压力释放后，心轴在弹簧作用下返回到原来的位置[8]。所以当振荡短节直接连接于水力振荡器的动力部分之上，压力脉冲可以使振荡短节不断重复上述动作，从而带动周围的工具产生轴线方向上的蠕动。这个系统可以连在钻柱中任何地方，现场可从实际需要出发，将工具连接在最理想的位置。

1.2 与现有钻井工具兼容

首先，在钻进过程中，水力振荡器振动频率和MWD系统不同，所以不会影响MWD的信号，水力振荡器可以和MWD配套使用；其次，水力振荡器的蠕动距离一般在3～10mm，蠕动频率一般小于25Hz[9，12]，且工作原理与动力钻具有类似之处，水力振荡器可以和动力钻具协同使用，不会对动力钻具造成破坏；再次，由于水力振荡器减小了钻进的钻具与井壁间摩阻扭矩，使得钻压更加均匀、稳定，减少了顿钻发生的频率；水力振荡器不会对钻头造成破坏，无论牙轮钻头还是PDC钻头均可与其配合使用，延长了钻头使用寿命；最后，由于水力振荡器减小了钻进的钻具与井壁间摩阻，可以避免钻具应力过度集中在某一井段，有助于降低钻具事故风险。

2 应用试验情况

2.1 新沙21－28H井概况

新沙21－28H井是部署在川西新场构造北翼的一口长水平段开发水平井，目的层上沙溪庙组，埋深2 100～2 300m。该井采用二次开钻井身结构设计。造斜段集中在蓬莱镇组、遂宁组和沙溪庙组，地层岩性以略等厚砂泥岩互层为主，夹杂少量石英砂岩；该区地层致密，可钻性差，定向钻进效率低下，且随着井斜的增加，钻进中钻具与井壁间摩阻扭矩逐渐增大，黏卡频繁发生，已施工井的定向井段施工周期通常大于15d。该井第一次开钻311.15mm钻头钻至500m，下入244.50mm表层套管，第二次开钻采用215.90 mm钻头钻至完钻井深3 206m，下入139.70mm套管完井，设计造斜点在井深1 880m。

2.2 钻具组合及钻井参数

2.2.1 钻具组合

由于是在造斜井段采用水力振荡器，下入井深2 048m处井斜为32°，滑动钻具与井壁间摩阻还较低，因此在钻具组合方面首先考虑提高机械钻速，另一方面为了避免水力振荡器对MWD仪器和动力钻具的破坏，所以在距钻头约120m位置处接水力振荡器；同时为了避免在倒装钻具部位接入172mm水力振荡器对钻具造成应力破坏，分别在振荡器上下各接入1根加重钻杆进行应力过渡。实际钻具组合为：215.9mmPDC钻头＋172mm 单弯螺杆（1.5°）＋回压阀＋127mm无磁承压钻杆＋177.8mm MWD短节＋127mm钻杆＋127mm加重钻杆＋172mm水力振荡器＋127mm加重钻杆＋127mm钻杆＋127mm加重钻杆＋165mm震击器＋127mm加重钻杆＋127mm钻杆。

2.2.2 钻井参数

图3 水力振荡器振荡频率与排量对应关系示意图

172mm水力振荡器排量和震动频率关系如图3，排量与震动频率成正比关系。但该工具有约3MPa的压降，由于钻井液密度高达1.86～1.89g／m3，现场受制于设备能力，钻进排量为24～26L／s，此时泵压达到22～24MPa，接近设备使用上限；复合钻进转速为80～100r／min。

2.3 应用情况

新沙21－28H井于4月24日自井深2 048.28m下入水力振荡器，5月3日钻进到井深2 468.30m因动力钻具使用寿命原因起钻，入井时间共计196.75 h，开泵工作时间158.00h，总进尺420.02m，在井下期间工具工作正常。

3 应用效果评价

3.1 机械钻速提高

新沙21－28H井定向段共采用2趟钻完成，第一趟钻未使用水力振荡器，第二趟钻使用，钻头性能一致，地层岩性相差不大，具有良好的对比性。对比结果见表1。

表1 新沙21－28H井水力振荡器使用效果表

由于水力振荡器接入位置距钻头较近，轴向振动克服摩阻扭矩提高机械钻速，另一方面轴向的高频振动对钻头形成类似于冲击钻井的效果，进一步提高机械钻速，采用水力振荡器时滑动钻进机械钻速提高45.16%、复合钻进机械钻速提高30.00%，取得了非常显著的效果。

3.2 钻压传递改善

水力振荡器产生轴向振动时，将滑动钻进时钻具的静摩阻转变为动摩阻，使得滑动钻进中钻具与井壁间摩阻明显降低，钻压的传递变得更有效率。滑动钻井时，指重表所显示的钻压为钻头钻压与滑动摩阻之和，采用水力振荡器之后，滑动钻进中钻具与井壁间摩阻明显减小，因此指重表所显示钻压也相应减小，降低了钻进的钻具与井壁间摩阻突然释放后憋泵的概率，提高了钻井效率。

3.3 经济效益评价

新沙21－28H井水力振荡器服务时间196.75h，服务费2.7万元／d，服务费共约23万元；根据区块相同井型钻井情况估算，大约节约钻井周期4.5d，若按照50D钻机作业费5.2万元／d，定向服务费3.5万元／d，录井费0.5万元／d，钻井液费1.0万元／d，则可节约钻井投资24万元，下井期间平均每日可节约钻井投资3万元，具有良好的经济效益。

4 结论及建议

1）水力振荡器可与常规定向工具和仪器同时使用，不会对无线随钻信号产生不利影响，也不会对仪器和动力钻具的使用寿命产生影响。

2）采用水力振荡器对于提高机械钻速和降低滑动钻进中钻具与井壁间摩阻具有明显的作用，有利于节约钻井周期，降低钻井投资，具有明显的经济效益。

3）新沙21－28H井由于受到钻井设备能力限制，排量仅仅达到了水力振荡器推荐排量的下限值，但是仍然取得了良好的应用效果，若采用更高的排量，有望获得更好的效果。

4）在高密度钻井液井段采用水力振荡器时需要充分考虑钻井设备的工作能力，避免因设备能力限制导致工具潜力不能正常发挥。

5）根据水力振荡器性能，若钻进设备能够满足更高的泵压条件，还可在钻具组合上再串接1～2个振荡器，提高克服钻进的钻具与井壁间摩阻扭矩的能力，提升大位移井和长水平段水平井延伸能力。

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