水力振荡器提速原理分析与现场试验

明瑞卿

长江大学 （湖北 武汉 430100）

随着油田开发的逐渐深入，大斜度井、水平井、多分支水平井等非常具有挑战性的复杂结构井数量越来越多。如何实现快速钻进和提高水平段长度成为关注的核心。然而由于井斜较大造成钻柱和井壁之间摩阻较大，钻压传递效率降低；水平段长度越长，出现托压、粘滑、丢失工具面等现象更严重，限制了钻进速度并制约了水平段长度的延伸[1]。为此，各大油田在钻井施工中采用了水力振荡器。因此，开展水力振荡器提速原理分析对于推动水力振荡器的优化和合理使用具有重要的实际意义

1 水力振荡器的基本结构及原理

水力振荡器一般由动力、阀门与轴承系统、振动等3个部分组成[2]。其基本原理为：阀门定阀片和动阀片相对运动，动力部分使上游压力周期性地作用在弹簧短节上，弹簧短节不断地压缩其内在的弹簧而形成振动，通过短节的流体压力周期性变化，作用在短节内的弹簧上，因为压力大小周期变化，短节的活塞就在弹簧和压力的双重作用下产生轴向往复运动，这样就会使与工具连接的其他钻井工具在轴向上也往复运动，由于弹簧的压缩是损耗能量的，所以当能量释放时，有75%的作用力向下而指向钻头方向，其余25%作用力与钻头反方向，振动频率与通过工具的流量呈线性关系，频率为9～26Hz，工具的瞬间冲击加速度为1～3倍的重力加速度[3]。

水力振荡器安装到钻柱中，一方面使得滑动钻进时的静摩擦转变为动摩擦，另一方面它所带来的振动和钻柱本身破岩的振动相叠加，必然会改变钻柱的动力学性能。下面就从这几个方面来分析该工具的作用机理。

1.1 静摩擦转换为动摩擦

目前，钻井主要有通过转盘旋转带动钻柱钻进和井下动力钻具滑动钻进2种钻进方式。在定向钻井的时候，常常使用井下动力马达滑动钻进。此时钻柱不旋转，而轴向速度很慢，几乎可以忽略，因此可认为在滑动钻进时钻柱和井壁为静摩擦。需要克服的摩擦阻力就由转盘转动时的滑动摩擦力变为静摩擦力。最大静摩擦力大于动摩擦力,故滑动钻进时的摩阻往往会大于转盘钻进的摩阻。目前已经建立的摩擦力模型多达几十种，最常用的有库伦（Coulomb）摩擦力模型、库仑+粘滞模型、Stribeck摩擦模型等。丛爽于1998年提出另外一种与速度呈指数关系的非线性摩擦模型形式，该模型采用简化的方法，同时抓住非线性摩擦的本质特点，只需要较少的实验既可以确定模型中的参数，与其他非线性摩擦模型相比更加易于在实际工程中的应用[4]。

Tf(ω)=Tcsgn(ω)+ΔT·e-α|ω|sgn(ω)

其中：Tf为最大静摩擦力矩；Tc为库伦力矩；ΔT=Ts-Tc；ω 为相对速度；α 为摩擦系数。

最大静摩擦力可由实验获得，对线性系统模型加上所提摩擦力模型后所得到的系统进行仿真实验，通过调整值使得其输出与相同输入下实际系统的输出一致，以此来得到精确的摩擦力矩的补偿模型和的值[5]。摩擦力矩在低速条件下，是随着速度的增大从静摩擦力矩逐渐以指数形式下降到库伦摩擦力矩值的。

国外做了大量的振动装置减摩阻实验，在一定频率和振幅下，摩擦力变化大，最高降低了94%[6]。对于全井段而言，水力振荡器影响的钻柱范围越大，其减摩阻效果也就越好。可见仅仅是钻柱动静摩擦力之间的转换也会引起整个钻柱摩阻的较大变化。摩阻的减小导致在钻压传递过程中损耗的能量减少，整个钻井系统的效率也就提高了。

1.2 静刚度和动刚度

在细长的井眼中，钻柱往往表现出“柔软”的特性，这也是“软绳”摩阻模型假设条件和应用基础。杆件在静载荷下抵抗变形的能力称为静刚度，在动载荷下抵抗变形的能力称为动刚度，即引起单位振幅所需的动态力。如果干扰力变化很慢（即干扰力的频率远小于结构的固有频率），动刚度与静刚度基本相同；干扰力变化极快（即干扰力的频率远大于结构的固有频率），结构变形比较小，动刚度将大于静刚度；当干扰力的频率与结构的固有频率相近时，有共振现象，此时动刚度最小，即最易变形，其动变形可达静载变形的几倍乃至十几倍[7]。

因此，当水力振荡器安装到钻柱中，不仅仅给钻柱带来了动摩擦，还改变了钻柱的动力学特性。对于钻柱的轴向振动固有频率已有很多学者做过研究，钻柱轴向振动前几阶固有频率如表1。

水力振荡器的输出频率为9～26Hz，远大于钻柱的一阶固有频率 0.987Hz，且振幅很小（3～10mm），因此会造成钻柱的动刚度大于静刚度。换言之，在安装水力振荡器附近的钻柱刚度变大了，变的更“硬”了，而刚度的增加降低了钻柱出现正弦屈曲、螺旋屈曲的风险，因此传递钻压效率更高了，更容易控制工具面。

表1 钻柱轴向振动各阶固有频率

1.3 振动的叠加

在钻进过程中，钻头的破岩、地层的非均质性、钻柱接触的不连续等因素都会引起钻柱的不规则振动[8-10]。其中一些振动会对钻柱及昂贵的井下设备如旋转导向系统、井下测试工具、录井工具等造成损害。如钻柱在涡动过程中产生的侧向振动和粘滑过程中产生的扭转振动，研究和实验证明这2种振动对钻柱和井下设备是非常有害的。

通常情况下，由于钻柱和井壁之间存在和旋转方向相反的摩擦力，故最容易出现反向涡动。反向涡动会导致钻柱中产生特别有害的反向弯曲应力。当反向涡动发生时，稳定器的叶片和其他BHA组件将分担这些振动伤害。如果是正向涡动，则反向弯曲应力出现的趋势将大大减少。如果正向涡动是和旋转同步的，则反向弯曲应力将会消失。然而，在自然条件下，正向涡动是不可能发生的，需要诱导产生。

在安装水力振荡器以后，工具附近的钻柱会受到振荡工具输出的频率和振幅影响，而这一振动是平稳且有规律的。大量的室内实验和井场应用表明,当安装水力振荡器并按推荐参数运行时，可降低粘滑趋势并抑制钻柱侧向振动。降低这些有害的振动模式出现不仅有利于保护底部钻具组合，还进一步提高了机械钻速。

2 现场试验

苏XX-20H井为一口超长水平井，该井于2011年7月14日开钻。一开二开都非常顺利，较计划周期缩短46%。在三开水平段，通过前期方案论证，若采用全101.6mm钻具，水平段最长仅能2 590m。通过计算，在滑动钻进中钻柱将有发生螺旋屈曲的危险，限制进一步钻进，影响井下安全。故更改钻具组合，采用101.6mm+88.9mm组合钻具钻进，完全满足设计要求，钻柱未发生螺旋屈曲。施工单位根据预测结果及建议，采取了有效措施，保证了泥浆的携砂性及润滑性，井眼轨迹控制方面力求保证复合稳斜钻进；同时，于水平段2 413m处下入水力振荡器，有效降低钻具摩阻，为长水平段的顺利完成起到了有效的理论性指导作用。

第一次入井：井段4 951～4 960m，转动进尺9m,滑动进尺0m，滑动钻速0m/h。第二次入井：井段4 960～4 964m，转动进尺4m，滑动进尺 0m，滑动钻速0m/h。该工具在前2次使用过程中，均因为仪器无信号起钻，严重影响了施工进度。经定向井公司及工具厂家人员分析原因为：水力振荡器距离仪器太近，应该安装在水平段距钻头1/2至1/3处，否则水力振荡器高频率震动容易对仪器造成机械性损坏，导致仪器无信号。第三次下入水力振荡器，由于该井段伽马值突然升高，岩性变致密，因此在滑动钻进过程中，钻速提高并不明显。第四次入水力振荡器，效果显著，如表2所示。由于钻具复合稳斜效果不错，因此只定向10m，但机械钻速高达5m/h,较未下入水力振荡器时滑动钻速提高了79.21%，达到了减少拖压，提高钻速的目的。

表2 水力振荡器水平段使用效果分析

3 结论与认识

1）水力振荡器改变了滑动钻进时的摩擦状态，从近似静摩擦变为动摩擦，影响了附近钻柱的摩阻，减小了整个钻柱的摩阻力。因此，托压、粘滑现象将得到缓解，钻压传递效率提高，机械钻速也就提高了。

2）水力振荡器的高频低幅振动改变了附近钻柱的动力学特性，造成了其动刚度大于静刚度。换言之，钻柱变“硬”了，该段钻柱出现正弦屈曲、螺旋屈曲的趋势将大大减小，丢失工具面的情况也将减少，故间接提高了钻进效率。

3）钻柱本身破岩的振动和水力振荡器产生的振动叠加在一起，缓和了一些有害的振动。并且一些特殊外形的振动工具可诱导钻柱产生正向同步涡动，阻止其它一些有害的振动模式如：混沌涡动、反向涡动的产生。降低这些有害的振动模式出现不仅有利于保护底部钻具组合，还进一步提高了机械钻速。

4）现场试验结果表明，水力振荡器可明显提高水平井段的机械钻速，工具面容易控制；为保护井下精密仪器不受损坏，工具应该安装在水平段距钻头1/2至1/3处。

[1]廖腾彦,余丽彬,李俊胜.吉木萨尔致密砂岩油藏工厂化水平井钻井技术[J].石油钻探技术,2014,42(6)：30-33.

[2]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.

[3]张辉,吴仲华,蔡文军.水力振荡器的研制与现场试验[J].石油机械,2014,42(6)：12-15.

[4]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.

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[7]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.

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