水力振荡器在大位移井张海29-38L井的应用

许京国，陶瑞东，杨静，张连水，张建荣，王永路，杨杰

（中国石油渤海钻探工程公司第三钻井工程公司，天津 300280）

0 引言

大港油田埕海2-2人工岛是为实现海油陆采而建设的。受地面条件和地质靶点的制约，岛上大多数井型设计为大斜度井、大位移井及水平井。钻井实践中发现：大斜度井及大位移井因井眼清洁问题滑动钻进时井壁对钻具的摩阻太大［1-4］，导致钻压无法平滑地传递，经常出现托压、压差卡钻现象；水平井由于水平段钻柱所受摩阻较大［5］，钻压无法有效传递到钻头上；大位移井的长距离稳斜段由于井斜角较大，大部分钻压损失在克服井壁摩阻上，产生托压现象［6］，降低了钻探效率。

除了增加钻井液的润滑性能，常规减小钻柱摩阻和扭矩的途径主要是优化井眼轨迹、钻具组合及钻井液性能，应用减摩阻/扭矩工具以及旋转导向钻井系统等［7］。 其中最有效的是旋转导向钻井技术［8-10］，旋转导向钻井系统应用旋转钻进模式替代常规滑动钻进模式，使钻柱与井壁之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，显著减小了钻柱摩阻/扭矩。但该技术目前受到国外技术封锁，国内研究尚无突破性进展。研究表明，一般静摩擦因数比动摩擦因数大25%左右。水力振荡器正是利用这一机理设计的钻井提速工具，将滑动钻进时钻具与井壁之间的静摩阻转变为动摩阻，使得滑动钻进中钻具与井壁间的摩阻明显降低［11-13］，减少钻具托压现象。张海29-38L井应用结果表明，水力振荡器显著提高了滑动钻进时的钻压传递效率，工具面更容易控制，大大提高了常规导向马达在大斜度井、大位移井和水平井的钻进效率。

1 水力振荡器简介

1.1 结构及工作原理

水力振荡器由动力部分、阀门和轴承系统、振荡短节3部分组成（见图1）［14-16］。动力部分与泥浆马达类似，实际为1∶2螺杆，由钻井液驱动螺杆做旋转运动，从而带动其下端阀片做往复运动。阀门和轴承系统是整个工具的核心部分，通过一对阀门周期性地相对运动，将流经动力部分流体的一部分能量转化为压力脉冲。振荡短节有一个对外密封的心轴，密封心轴外围轴向安装弹簧，心轴在压力脉冲作用下，上下运动压缩弹簧，从而带动工具产生轴向振动。

水力振荡器使上下的钻具在井眼产生纵向的往复运动，钻具在井下的静摩擦就变成动摩擦，从而使滑动钻进工况下钻具受到的摩擦阻力大大降低。

图1 水力振荡器结构示意

1.2 技术特点

水力振荡器可以提高大斜度井、大位移井滑动钻进施工的钻压传递效率，并与各种MWD，LWD工具以及钻头兼容。

2 现场应用

2.1 设计及前期施工情况

埕海2-2人工岛位于河北省黄骅市张巨河村以东滩涂海域水深0～2 m的浅海地区，面积14 000 m2。该人工岛采用丛式井布井73口，应用整体移动模块钻机取代了频繁的钻机搬迁、安装，预先已下入φ660 mm导管×63 m，钻探的主要目的层为沙河街组地层。

张海29-38L井是部署在埕海2-2人工岛的一口三开大位移定向井，最大水平位移2 625.38 m，最大井斜76.24°（见图2）。三开一开始使用常规导向钻具组合进行二次定向，钻具组合为：φ216 mm钻头×0.33 m+φ172 mm 马达×7.53 m+φ201 mm 稳定器×1.51 m+φ165 mm无磁钻铤×8.97 m+φ170 mm MWD短节×1.96 m+φ165 mm无磁钻铤×9.06 m+φ127 mm加重钻杆×187.29 m+411/NC52×0.45m+φ127 mm 钻杆×3 126.9 m，钻头选用江汉钻头厂的PDC钻头KM1942SGRA。所钻井段3 050～3 344 m，纯钻时间55 h，机械钻速5.35 m/h。随着井斜的增加，钻进中钻具与井壁间的摩阻、扭矩逐渐增大，托压、憋泵现象频繁发生，使得机械钻速降低，间接造成生产周期延长，生产成本增加，工作效率降低。2013年11月8日钻至3 344 m时，井斜49.16°，方位79.15°。为有效克服定向钻进中的托压现象，提高三开井段的钻井速度，决定采用水力振荡器配合斯伦贝谢MWD仪器进行定向钻进和复合钻进。

图2 张海29-38L井身结构示意

2.2 水力振荡器应用

为了避免水力振荡器对MWD仪器和动力钻具的破坏，在距钻头约462.42 m处接水力振荡器；同时为了避免水力振荡器对钻具造成应力破坏，在振荡器上部接入17根加重钻杆进行应力过渡。使用的钻具组合为：φ216 mm 钻头×0.33 m+φ172 mm 马达×8.22 m+φ172 mm 浮阀×0.80 m+φ212 mm 稳定器×1.75 m+φ170 mm无磁钻铤×2.94 m+φ170 mm MWD短节×8.84 m+φ172 mm无磁钻铤×9.32 m+φ127 mm加重钻杆×28.09 m+411/NC52×0.45 m+φ127 mm 钻杆×400.53 m+NC52/410×1.15 m+φ170 mm 水力振荡器×7.56 m+φ127 mm加重钻杆×159.20 m+411/NC52×1.15 m+φ127 mm 钻杆×3 547.67 m。经厂家推荐及试验探索，张海29-38L井应用水力振荡器钻进参数如表1所示。

本井在完钻之后将钻具全部取出，对钻具进行超声波探伤，结果为全部合格，无损伤；又对钻头进行清洗、检查、丈量，结果为外径磨损1 mm，复合片基本完好，无明显损伤。

表1 张海29-38L井应用水力振荡器钻进参数

3 应用效果评价

3.1 机械钻速对比

3.1.1 与本井使用常规导向钻具组合对比

张海29-38L井在应用水力振荡器+导向马达钻具组合之前，使用常规导向钻具组合钻进。与使用导向马达相比，应用水力振荡器井段的平均机械钻速提高了 218%（见表 2）。

表2 机械钻速对比情况

3.1.2 与邻井使用旋转导向钻井技术对比

张海29-38L井与张海30-26L井、张海28-36同位于埕海2-2人工岛，地层完全相同，钻进深度相近，具有较强的可比性。从表2可以看出，应用水力振荡器的张海29-38L井，平均机械钻速比使用旋转导向钻井技术的张海30-26L井、张海28-36井分别提高了57%，12%。

综上所述，就提高机械钻速而言，在埕海2-2人工岛大位移井中应用水力振荡器+导向马达钻具组合优于目前的旋转导向钻井技术。

3.2 经济效益对比

3.2.1 与本井使用常规导向钻具组合对比

张海29-38L井采用水力振荡器服务时间共计5.29 d，水力振荡器服务费为4万元/d，斯伦贝谢公司定向服务费为4万元/d，共计42.32万元。根据本井应用常规导向钻具组合估算，缩短钻井周期4.45 d，节约钻井投资47.43万元，具有良好的经济效益。

3.2.2 与邻井使用旋转导向钻井技术对比

邻井张海30-26L井、张海28-36井应用旋转导向钻井技术，平均机械钻速低于本井应用水力振荡器井段的机械钻速，而旋转导向服务费为15万元/d，两者相比，应用水力振荡器节约钻井投资37.03万元。

4 结论

1）在大位移井及水平井应用水力振荡器，能够减小钻具与井壁间的摩阻，提高钻井施工的钻压传递效率，提高机械钻速，缩短钻井周期。

2）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、动力钻具、钻头使用寿命产生负面影响。

3）与应用旋转导向钻井技术及常规导向马达钻井技术相比，在大港油田埕海2-2人工岛大位移井中应用水力振荡器+导向马达钻井技术，不仅可以提高钻井速度，而且节约钻井投资，具有良好的经济效益。

［1］孙晓峰，闫铁，王克林，等.复杂结构井井眼清洁技术研究进展［J］.断块油气田，2013，20（1）：1-5.

［2］汪志明，翟羽佳，高清春.大位移井井眼清洁监测技术在大港油田的应用［J］.石油钻采工艺，2012，34（2）：17-19.

［3］陈修平，王明波，仲冠宇.大斜度井段小尺寸岩屑临界再悬浮速度力学模型［J］.断块油气田，2013，20（4）：498-501.

［4］陈德信，陶瑞东.红9-1浅层大位移定向井钻井技术实践［J］.石油钻采工艺，1998，20（3）：10-14.

［5］胥豪，唐洪林，张晓明，等.新沙21-27H长水平段水平井钻井实践［J］.断块油气田，2013，20（1）：111-114.

［6］易先中，宋顺平，陈霖，等.复杂结构井中钻柱托压效应的研究进展［J］.石油机械，2013，41（5）：100-104，110.

［7］杨利，郭先敏.钻机与井下工具新进展［J］.断块油气田，2013，20（5）：674-677.

［8］薛启龙，丁青山，黄蕾蕾，等.旋转导向钻井技术最新进展及发展趋势［J］.石油机械，2013，41（7）：1-6.

［9］姜伟，蒋世全，付鑫生，等.旋转导向钻井技术应用研究及其进展［J］.天然气工业，2013，33（4）：75-79.

［10］闫光庆，张金成.中国石化超深井钻井现状与发展建议［J］.石油钻探技术，2013，41（2）：1-6.

［11］刘华洁，高文金，涂辉，等.一种能有效提高机械钻速的水力振荡器［J］.石油机械，2013，41（7）：46-48.

［12］王先洲，蒋明，邓增库，等.苏 76-1-20H 井钻井技术［J］.石油钻采工艺，2013，35（2）：26-30.

［13］张晓明，胥豪，张远军.新场气田新沙21-28H井钻井技术与应用［J］.石油地质与工程，2013，27（3）：94-97.

［14］李博.水力振荡器的研制与现场试验［J］.石油钻探技术，2014，42（1）：111-113.

［15］胥豪，牛洪波，唐洪林，等.水力振荡器在新场气田新沙21-28H井的应用［J］.天然气工业，2013，33（3）：64-67.

［16］石崇东，党克军，张军，等.水力振荡器在苏36-8-18H井的应用［J］.石油机械，2012，40（3）：35-38.