国内外水力振荡器的研究现状及展望

明瑞卿， 张时中， 王海涛， 洪 毅， 姜书龙

(1.长江大学石油工程学院，湖北武汉 430100；2.中石化河南石油工程有限公司，河南郑州 450018；3.中国石油塔里木油田分公司，新疆库尔勒 841000；4.东北煤田地质局，辽宁沈阳 110013)

国内外水力振荡器的研究现状及展望

明瑞卿1， 张时中2， 王海涛3， 洪 毅4， 姜书龙1

(1.长江大学石油工程学院，湖北武汉 430100；2.中石化河南石油工程有限公司，河南郑州 450018；3.中国石油塔里木油田分公司，新疆库尔勒 841000；4.东北煤田地质局，辽宁沈阳 110013)

针对目前定向井段和水平段钻进过程中为提高机械钻速使用水力振荡器出现的问题，分析了水力振荡器的研究现状与现场应用状况。首先介绍了国内外不同水力振荡器的结构，分析了其优缺点；然后结合现场资料，通过实例对比了水力振荡器和旋转导向钻井工具的提速效果；最后针对水力振荡器在应用时出现的一系列问题给出了相关建议。现场应用效果统计资料表明，水力振荡器能降低摩阻，提高机械钻速，缩短钻井周期，降低钻井成本，与旋转导向工具相比，机械钻速可提高29.8%，钻井成本可降低38万元。但存在实际工作排量达不到设计要求、安放位置不合理、自身压耗高、损坏MWD等精密仪器和耐冲蚀性偏差等问题，严重影响了水力振荡器的应用。为解决这些问题，需要对水力振荡器进行持续完善和改进。

水力振荡器 机械钻速 摩檫损失 排量 研究现状 发展建议

自20世纪80年代以来，井下动力钻具由于具有提高机械钻速、增加单只钻头进尺、实现井眼轨迹定向控制等诸多优点,在定向井中的应用越来越多。随着各大油田开发的逐渐深入，大斜度井、水平井、多分支水平井等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焦点。然而,由于井斜角较大造成钻柱和井壁之间的摩阻较大，钻压传递效率低，严重限制了钻进速度。

自2000年以来，国内外各大研究机构研制了各种样式的水力振荡器，并广泛应用于国内外各大油田的定向井段和水平段钻井施工中，在取得一定提速效果的同时，也暴露出该工具的诸多问题。针对这些问题，笔者分析了国内外水力振荡器的研究现状，总结了该工具在国内各区块的应用情况，最后针对国内外水力振荡器现场应用中存在的问题提出了具体的发展建议。

1 国内外研究现状

自20世纪90年代以来，国外多家石油公司都致力于水力振荡器研究，目前国外水力振荡器提速技术已经比较成熟。其中，具有代表性并已经被商业化应用的是美国国民油井华高公司(National Oil-well Varco，简称NOV)研发生产的水力振荡器(以下简称NOV水力振荡器)，该水力振荡器最初被应用于连续管钻井中，但由于降摩效果较好，其应用范围逐渐扩大到大斜度井、水平井、多分支水平井钻井中[1-4]。与国外相比，国内水力振荡器的研究起步相对较晚，但发展速度较快，自2006年以来，在短短不到10年内，国内已成功研制了近10种水力振荡器，有的已投入商业化应用。

1.1 NOV水力振荡器

结构与工作原理 NOV水力振荡器一般由振动短节、动力短节、阀门和轴承系统组成(见图1)，靠周期性变化的流体压力，带动活塞做轴向往复运动(其主要技术参数见表1)。该水力振荡器结构简单，可与钻杆直接连接。其工作原理是：当钻井液经过动力短节时，驱动螺杆旋转，螺杆末端固定阀盘的过流孔设置在中心，与有偏心过流孔的振荡阀盘紧密配合，由于转子旋转，2个阀盘的过流孔发生周期性交错和重合，使工具下端过流面积发生周期性变化，导致工具上部压力产生周期性变化，形成脉冲压力。当压力升高时，钻井液压力推动活塞和心轴压缩碟簧组，心轴伸出；而当压力降低时，心轴回到原位，这样，脉冲压力就引起了工具的轴向振动，改变钻柱与井壁的摩擦条件，达到降低摩阻和提速的目的。

主要优缺点 1)造斜段和水平段提速明显。水力振荡器安装在钻柱中，使滑动钻进时钻柱和井壁之间的静摩擦转变为动摩擦，摩擦阻力降低75%～80%。2)定向效果好。可防止钻压堆积，精确控制工具面。3)工作寿命较短。影响水力振荡器寿命的主要部件是其动力总成，工具产生脉冲压力的同时，对零件冲蚀严重。4)井斜角大于60°，水平位移超过1 000.00 m时，钻速降低明显。5)对LWD仪器的信号采集有影响。长时间的高频振动会影响LWD内部零件的连接，导致连接零件松动甚至被振断，最终因连接断路影响信号采集。

表1 NOV水力振荡器的主要技术参数

Table 1 Main technical parameters of NOV hydraulic oscillators

1.2 水力脉冲诱发振动钻井工具

结构与工作原理 水力脉冲诱发振动钻井工具由钻头与钻柱连接短节、壳体、钻头驱动杆、缸套、水力振荡器组成(见图2)，其中钻头驱动杆和水力振荡器分别设有密封元件，防止在工作时有钻井液渗出。其主要技术参数：钻压70～80 kN，推荐排量30～32 L/s，泵压17 MPa，工作频率23 Hz。其工作原理是:通过适当的能量转换机构，将钻井液的部分动能周期性转化为破碎井底岩石的冲击能量，钻头工作时径向旋转和轴向振动相结合，而且水力脉冲可以改变井底岩石的受力状态，同时可以提高井底清洁效果，极大地提高钻头的破岩效率[5-6]。

主要优缺点 1)综合了振动冲击和水力脉冲的优势，提高了钻头的破岩效率；2)采用水力脉冲直接诱发机械振动,与旋转冲击钻井中的冲击锤等中间部件相比,结构简单，研制和应用成本低，安全性和可靠性高；3)适应性不佳，应用地层受限，目前该工具不适合钻进较坚硬的地层；4)耐冲蚀性较差，水力结构易损坏。

1.3 自激振荡式旋转冲击钻井工具

结构与工作原理 自激振荡式旋转冲击钻井工具由钻柱连接短节、自激振荡器、冲击传递杆和钻头驱动连接短节等4部分组成，其中自激振荡器包含一级和二级2种振荡器(见图3)。主要技术参数：应用井深不大于6 000.00 m，适用于φ152.4～φ406.4 mm井眼，钻压40.0～140.0 kN，转速60～120 r/min，泵压16～25 MPa，推荐排量20～60 L/s，振动频率45～50 Hz，钻井液密度1.1～1.7 kg/L，压力损耗约0.5 MPa，工作寿命超过200 h。其工作原理是：流体经过该工具内的一级和二级自激振荡器的转化，在二级振荡器出口形成水力脉动压力，经过钻头驱动杆转化为对钻头的机械振动冲击，同时脉动压力继续往下，在井底形成脉冲射流，在振动冲击与脉冲射流联合作用下，改变井底岩石的受力情况，强化对井底岩屑的清洗，提高破岩钻进效率[7-9]。

主要优缺点 1)该工具主要用性能较高的合金钢制造，整体强度与钻具基本相当；2)密封元件耐酸、碱、油，耐温高达200 ℃；3)根据声学原理设计，没有活动零件，高压钻井液进入水力振荡器后，经过谐振“反馈”选频及放大等自激振荡过程，形成水力脉冲射流；4)结合振动冲击、水力脉冲和射流破岩的优势，进一步增强破岩提速效果；5)耐冲蚀性强，钻头驱动杆顶端和水力振荡器的出入口等受钻井液固相冲蚀强烈部位，选用硬质合金等耐磨材料，并采用局部淬火“氮化”激光熔覆等表面强化技术；6)水力脉冲具有高频率、小幅度的特点，适用于任何钻具组合与钻头，安全性高；7)自身压耗较低(约1.0 MPa)，避免钻井泵在高压下作业带来不必要的损失；8)由于采用优化的水力结构和高耐磨材料，使用寿命大于200 h，可通过更换水力元件，延长其使用寿命；9)目前该工具只能用于直井段，极大地限制了其应用范围。

1.4 轴向水力振荡器

结构与工作原理 轴向水力振荡器一般由动力部分、阀门与轴承系统、振动部分等3部分组成,主要技术参数见表2。其工作原理与NOV水力振荡器类似，不同时刻阀门过流面积发生周期性变化，从而产生水力脉冲，带动工具的振动部分在轴向上做周期性的伸缩运动，改变钻杆和井壁之间的摩擦方式，提高钻进效率[10-13]。

主要优缺点 1)静摩擦转变为动摩擦，防止钻压堆积、钻柱屈曲、钻头黏滑和丢失工具面的发生，有助于提高钻进效率；2)与各种钻头均配合良好，且带动钻头在轴向上做有规律的往复运动，可有效减小横向与扭转振动，保护钻头，延长钻头的使用寿命；3)对MWD和LWD仪器无影响；4)定子、叶轮转子等部分零件在工作中冲蚀严重，工具耐冲刷性能偏弱；5)在三维扭方位钻进时，提速效果不明显。

1.5 径向水力振荡器

结构与工作原理 径向水力振荡器一般主要由激振机构单元、动力单元及旋转密封单元组成，其中动力单元的核心部件是螺杆马达，激振机构单元由偏心轴、外筒、密封总成、轴承以及下部转换接头等组成(见图4)。其主要技术参数：可用于φ152.4 mm井眼，工具最大外径121.0 mm，配合φ88.9 mm钻杆使用，激振力0.6～1.4 kN，推荐排量10～15 L/s，振动频率10～25 Hz，压耗1.2 MPa。其工作原理是：当高压钻井液通过径向水力振荡器时，马达开始工作，在马达主轴的带动下，偏心轴发生旋转，从而产生激振力，方向是由偏心轴偏心质量重心位置指向偏心轴中心线，并随着偏心轴的旋转而旋转，激振力带动与径向水力振荡器相连接的上部钻杆和下部钻杆产生周期性径向振动[14-15]。

主要优缺点 1)周期性减少钻杆对井壁的正压力，从而降低摩擦力，钻压能更有效地传递给钻头；2)采用较成熟的螺杆马达，其结构不影响流体传递，故对MWD仪器无影响；3)结构简单，零部件较少，安装、拆卸方便；4)目前该工具对于井斜角小于60°的造斜段应用效果明显，但对于井斜角大于60°的造斜段和水平段托压现象依然严重。

1.6 双向水力振荡器

2014年，川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司结合轴向水力振荡器和径向水力振荡器的技术特点，成功研制出井下钻柱三维水力振动器(俗称双向水力振荡器)。

结构与工作原理 双向水力振动器主要由轴向水力振动器和径向水力振动器2部分组成，其中轴向水力振动器必须配合径向振动器使用，径向水力振动器可以单独入井使用。

径向水力振动器主要由动力部分和变流阀组成。其工作原理是：当钻井液从上端入口进入马达时，转子在定子腔内作圆周运动，产生离心惯性力带动定子产生径向振动，变流阀在工作时，使流经钻柱钻井液的体积发生变化，从而形成水力液压脉冲。

轴向水力振动器一般由活塞、心轴、碟簧组成。其工作原理是：当轴向水力振动器在工作状态下，由径向振动器产生的液压脉冲作用于活塞，心轴上的碟簧被压缩，导致轴向水力振荡器产生轴线方向上的振动[16]。

主要优缺点 1)双向水力振荡器工作时，钻杆在径向上的正压力减小，轴向上的摩擦方式发生改变，摩擦力大大降低，钻进效率明显提高；2)不影响MWD仪器正常使用，使用寿命较长；3)最终使用效果受安放位置影响较大，需探寻最合适的安放位置。

1.7 自激振荡脉冲粒子射流钻井工具

除了上述几类水力振荡器产品外，最近中国石油集团钻井工程技术研究院研制出了专门用于侧钻水平段的自激振荡脉冲粒子射流钻井工具，目前仍处于工具结构优化的试验阶段。

结构与工作原理 自激振荡脉冲粒子射流钻井工具主要由钻头、下接头、风琴管、自激振荡腔衬套、双锥度喷嘴、壳体和上接头组成(见图5)。其工作原理是：在钻井过程中，高压流体经过钻杆进入壳体内部的双锥度喷嘴，经过喷嘴加速后形成高速射流，因为射流具有吸卷作用，在自激振荡腔内形成低压区，并伴随一定的脉动压力，在压差作用下，壳体的粒子吸入口将环空中的钢制粒子吸入其内部，与钻井液充分混合形成粒子脉冲射流，通过风琴管的作用放大脉冲，再由钻头水眼高速喷出，作用于井底岩石[17]。

主要优缺点 1)钢制粒子与脉冲射流对井底岩石进行打磨和高频率冲击，降低岩石破碎所需最大压力，使岩石更容易破碎；2)该工具结合自激振荡脉冲射流技术与粒子冲击钻井技术，钢制粒子自吸效果好，压力脉冲幅度大，能大幅提高坚硬地层的破岩效率。

2 现场应用分析

2.1 应用优势

提速效果明显 水力振荡器作为一种降摩阻、防托压、提钻速的有效工具,近年来在国内各区块得到了广泛应用。表3为各地区水力振荡器的应用情况统计。由表3可知，应用水力振荡器后，各地区滑动钻进速度均有显著提升，钻井周期均缩短了10%以上，大大加快了整体施工进度。

使用寿命较长，经济效益较好 大庆油田卫186-平142井、胜利油田高10-平11井、纯56-平6井和宁夏地区黄113-55井等多口井钻井时，应用了水力振荡器，其平均使用寿命均大于150 h，双向水力振荡器的使用寿命达到300 h以上。就经济性而言，由于应用水力振荡器后缩短了钻井周期，故钻井成本得到了大幅度降低[18-22]。

水力振荡器优于目前的旋转导向钻井工具 张海29-38L井、张海30-26L井和张海28-36井都位于埕海2-2 人工岛，具有相同的地层，深度相近，具有很强的对比性。张海29-38L井应用了水力振荡器，机械钻速比应用旋转导向钻井工具的张海30-26L井、张海28-36井分别提高了56.8%和12.1%(见表4)，钻井成本降低近38万元[23]。

表4 水力振荡器与旋转导向钻井的机械钻速对比

Table 4 ROP comparison between hydraulic oscillators and steering drilling tools

涪陵地区的焦页XX-2HF井自井深1 464.00 m到二开完钻应用了旋转导向钻井工具，进尺1 182.00 m，机械钻速仅为5.90 m/h。焦页XX-1HF井在水平段的2 644.00～3 993.00 m井段应用了水力振荡器，机械钻速为15.93 m/h，实现了水平井段“一趟钻”完钻[24-25]。与焦页XX-2HF井相比，焦页XX-1HF井的机械钻速提高了近170%,提速效果明显。

2.2 存在问题

水力振荡器在现场实际应用中，虽然取得了一定的效果，但也暴露出了很多问题[26-32]。

1) 排量达不到设计要求，在一定程度上阻碍了该工具工作性能的充分发挥。表5为不同地区水力振荡器的工作排量。由表5可知，仅有苏里格地区的苏36-8-18H井水力振荡器的实际排量在设计排量范围内，其余各应用地区在钻进过程中水力振荡器的实际排量均处于设计排量的下限。

2) 自身压耗偏大。目前在国内现场应用中，不论美国的NOV水力振荡器，还是国内研制的轴向、径向和双向水力振荡器等，压耗普遍偏大(约4.5～8.0 MPa),对钻井泵的要求较高，且长期在高压下作业易出现井下故障，造成财产损失和人员伤亡。

3) 水力振荡器的周期性振动影响井下高精密仪器的正常工作。水力振荡器在涪陵地区焦石坝区块的应用表明，水力振荡器的振动会对MWD的测量产生影响，有时会导致仪器无信号。

4) 水力振荡器的安放位置不合理。宁夏、长庆、川西等地区的多口井水力振荡器的安放位置不合理，导致提速效果不明显，甚至无效果。

5) 耐冲蚀性有待提高。水力振荡器在各应用地区多口井出井后，拆开检查，发现动力部分的定子、叶轮转子等零件被严重冲蚀。

3 发展建议

针对国内外各类水力振荡器的技术特点及现场应用中出现的诸多问题，提出以下发展建议。

1) 提高水力振荡器的工作排量。虽然水力振荡器的工作排量增大会提高对钻井泵的要求、加大管路的沿程水头损失，但其振荡充分、摩阻降低明显，能极大地提高定向井段和水平段的机械钻速，故在不影响其他钻井设备正常使用的前提下，尽可能达到设计排量，以充分发挥水力振荡器的性能。

2) 进一步优化水力振荡器内部结构。目前从各类水力振荡器现场应用效果来看，压耗普遍偏大，导致局部水头损失明显增大，钻井液对井底岩石的冲击破碎压力降低，钻井液的辅助破岩能力下降。因此，需继续改进和完善水力振荡器内部结构，降低水力振荡器自身的压耗。

3) 确定水力振荡器合理的安放位置。从国内各地区水力振荡器的应用情况看，由于水力振荡器安放位置不合理，时常导致MWD等井下精密仪器有不同程度的损坏，钻井效率明显降低。

4) 优选水力振荡器动力部分零件的材料，研制动力部件的涂层材料。在水平井钻井过程中，特别是长水平段水平井使用水力振荡器，动力部分零件冲蚀严重甚至损坏，因此应加快其表面涂层的研制，增强水力振荡器动力部分零件的耐冲蚀性能，延长其使用寿命，提高钻井效率。

5) 选用压耗小的测量仪器和钻井工具。如果条件允许，应尽量选择压耗小的工具，譬如上部钻具尽量使用大直径(如φ139.7 mm)钻杆以降低压力损耗，且尽量选择压耗小的测量仪器与工具。在钻井过程中，管路整体压耗降低，可提高钻井液的破岩能力，辅助水力振荡器提高机械钻速。

6) 提高钻井设备的工作能力。目前国内很多水平井的水平段长度超过1 500.00 m，钻井过程中托压严重，机械钻速较低。但在长水平段钻进过程中，安放1个水力振荡器通常不能满足钻井提速的需求，因此如果钻井设备能匹配更高的泵压，建议在钻具组合中安放2～3个水力振荡器，以进一步提高钻井效率。

4 结 论

1) 应用水力振荡器能降低摩阻和扭矩，提高机械钻速；可减小钻具的横向和扭转振动，保护井下高精密仪器和钻头。

2) 水力振荡器的使用寿命长，经济效益好。

3) 水力振荡器的提速效果比目前的旋转导向钻具好，且水力振荡器已实现国产化，应用成本相对较低，具有很好的推广价值。

4) 水力振荡器在应用时还存在一些问题，今后应分析存在问题的原因，对其进行持续改进，以提高水力振荡器的性能。

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[编辑 刘文臣]

Research Status and Prospect of Hydraulic Oscillator Worldwide

Ming Ruiqing1, Zhang Shizhong2, Wang Haitao3, Hong Yi4, Jiang Shulong1

(1.SchoolofPetroleumEngineering,YangtzeUniversity,Wuhan,Hubei, 430100,China；2.SinopecHenanOilfieldServiceCorporation,Zhengzhou,Henan, 450018,China; 3.PetroChinaTarimOilfieldCompany,Korla,Xinjiang, 841000,China; 4.NortheastCoalfieldGeologicalBureau,Shenyang,Liaoning, 110013,China)

Because drilling problems can occur when hydraulic oscillators are used to increase the rate of penetration (ROP) in directional and horizontal sectiondrilling, the application and research status of hydraulic oscillators were studied. Firstly, analysis was performed on various hydraulic oscillators in other parts of the world to determine advantages and disadvantages based on their structures. Then, a comparison study was carried out on the velocity improvement between hydraulic oscillators and rotary steering tools based on their field application. And finally, a series of recommendations were proposed. Hydraulic oscillators can decrease friction, improve ROP, shorten drilling cycle and reduce drilling cost. Compared with rotary steering tools, hydraulic oscillators can increase ROP by 29.8% and reduce drilling cost by RMB 380 000 Yuan. In practical operation, however, the application of the hydraulic oscillators isstrongly influenced by improper pumping rate and tools setting, and due to its high pressure consumption, precision instruments (e.g. MWD) may be damaged and resistance to erosion is not satisfactory. In order to solve these problems,it is necessary to continuously improve hydraulic oscillators.

hydraulic oscillator; rate of penetration; friction loss; displacement; research status; recommendations

2015-02-06；改回日期：2015-08-24。

明瑞卿(1989—)，男，湖北荆州人，2013年毕业于长江大学石油工程专业，在读硕士研究生，主要从事钻井工艺与技术方面的研究。

国家科技重大专项“海相碳酸盐岩油气井井筒关键技术”(编号：2011ZX05005-006)资助。

◀钻采机械▶

10.11911/syztjs.201505020

TE921

A

1001-0890(2015)05-0116-07

联系方式：18571510329，411478802@qq.com。