水力振荡器在海洋钻井中的矿场应用

戴 杰，张 野，张庆春

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452）

水力振荡器在海洋钻井中的矿场应用

戴 杰*，张 野，张庆春

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452）

海上钻井作业费用高昂，作业类型多为丛式井，具有井眼深、轨迹复杂、摩阻大、下部井段滑动钻进困难的特点。为了降低摩阻、提高时效，钻进困难时，通常使用旋转导向钻具钻进，但是其费用高昂，增加了作业成本，而水力振荡器具有降低摩阻、提高机械钻速、减少粘附卡钻、作业费用低的优点，近两年，在渤海地区投入试验使用。通过渤海地区应用实例分析，总结表明，水力振荡器配合合理的钻具组合和井身结构，可以显著提高机械钻速，达到降本增效的目的。

海洋钻井；机械钻速；渤海地区；降本增效

1 概述

随着中海油“二次跨越”的实施，海上丛式井井网加密，井眼轨迹日益复杂，摩阻越来越大，在造斜井段普遍存在着托压、粘卡现象，钻压难以有效施加，为了确保钻井作业高效实施，通用方法：先利用常规马达钻具滑动钻进造斜，滑动钻进困难时，更换旋转导向钻具造斜。虽然旋转导向工具成功克服这一技术难点，但是其作业费用高昂，所钻井眼规则、扩眼率较小，不利于下套管作业。相比旋转导向工具，水力振荡器具有作业费用少、降低滑动摩阻、提高机械钻速、减少粘附卡钻的优点[1-4]。中海油天津分公司自2013年以来，在渤海地区在12-1/4″井眼和8-1/2″井眼对水力振荡器进行了多口井的应用试验。因此，搞清水力振荡器的工作原理，优选与海上钻井施工的最佳方案，对海洋钻井作业降本增效变得至关重要。

2 水力振荡器的结构及工作原理

2.1 水力振荡器的结构

水力振荡器主要由动力部分、阀片与轴承系统和配套部分(振荡/弹簧短节)组成（如图1所示）。其中在使用过程中，阀片为水力振荡器的易损原件；挠性强的钻具可以不使用振荡短节。

图1 水力振荡器结构示意图

2.2 工作原理

水力振荡器的动力部分由一个2∶1的马达组成，马达转子的下端固定一个动阀片，与动力部分连接的是阀片和轴承系统，主要由耐磨套和固定阀片组合称之为定阀片（如图2所示）。

当钻井液通过动力部分时，驱动心轴转动，带动动阀片在一个平面上往复运动，动阀片与定阀片位置相错或重合，周期性地改变流体的过流面积，导致上游的压力发生周期性的变化。当两阀片最小重合时，钻井液通过工具的截面积最小产生最大压降；当两阀片最大重合，钻井液通过截面积最大产生最小压降，截面积周期性变化，使上游压力同步周期性变化（如图3所示）。

动力部分使上游压力周期性地作用在振荡短节上，振荡短节不断地压缩其内在的弹簧而形成振动。在压力和弹簧的双重作用下产生轴向往复运动，从而带动与工具连接的其他钻井工具在轴向上往复运动。通过带动整个钻具的振动，达到降低摩阻，改善钻压传递的目的[5-6]。由于弹簧的压缩是消耗能量的，所以当能量释放时，75%的作用力向下，指向钻头方向，其余25%作用力向上，与钻头方向背向。振动频率与通过的流量呈线性关系，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。

图2 阀片结构图

图3 水力振荡器阀门系统与压降关系示意图

3 工具性能参数

渤海使用的泛亚科瑞诚公司代理NOV公司生产6-3/4″、8″水力振荡器，其工具主要参数[7]如表1所示。

表1 水力振荡器性能参数

4 矿场应用效果分析

4.1 12-1/4″井眼使用效果分析

QHD32-6-J29H和QHD32-6-J36H位于渤海海域秦皇岛区块，在二开12-1/4″井眼钻进时，使用8″水力振荡器与常规马达预斜钻具配合用于水平段着陆，使用效果如表2所示。

表2 水力振荡器12-1/4″井眼应用效果对比表

根据表2数据对比，并结合QHD32-6-J平台现场使用情况分析得出：

（1）水力振荡器振动频率对MWD信号无影响，但是使用压耗较大，并且4口井皆使用5″钻杆，循环压耗大，造成泵压过高，排量受限。

（2）2200m左右的水平井12-1/4″井眼使用水力振荡器机械钻速没有提高，二开建井周期相对增加，主要原因：使用时排量受限较大，携砂不好；工作排量达不到最佳排量，水力振荡器工作状态不佳。

（3）在滑动定向钻进过程中，水力振荡器确实有降摩阻、减小托压的作用，但是由于排量受限，携砂不好，效果不佳。

（4）在12-1/4″井眼上部井段水力振荡器工作时，振动剧烈、泵压高对设备负荷较大，使用时易造成设备损害，耽误生产时间，如表3所示。

4.2 钻具对水力振荡器的影响

根据上面分析，水力振荡器在二开12-1/4″井眼使用时，工具压耗大和中浅层振动剧烈是影响水力振荡器工作效果的主要原因。因此，与QHD32-6-I7H井和QHD32-6-H17H井12-1/4″井眼水力振荡器配合5-1/2″钻杆的使用效果进行了对比分析，如表4所示。

表3 二开12-1/4″井眼使用水力振荡器复杂情况汇总表

表4 水力振荡器配合不同钻杆使用效果对比分析表

水力振荡器与5-1/2″钻杆配合使用中完排量最大可到3600L/min，与J29H井、J36H井对比，二开12-1/4″井眼行程钻速提高36%左右，排量增加500L/min。现场应用时，携砂较好，滑动钻进平稳，减小托压效果明显，但是由于工具振动剧烈，也发生了工具设备损害情况。

4.3 8-1/2″井眼使用效果分析

根据表3数据，水力振荡器在12-1/4″井眼使用效果并不理想。因此，对渤海地区绥中区块和曹妃甸区块的SZ36-1-N23M井、CFD5-5-3D井在8-1/2″井眼水力振荡器使用情况进行了对比分析，如表5所示。

表5 水力振荡器8-1/2″井眼应用效果对比表

根据表5对比得出，CFD5-5-3D井与CFD12-6-1井对比行程钻速提高238%；SZ36-1-N23M井与SZ36-1-G34H井对比行程钻速提高163%。水力振荡器在8-1/2″井眼使用表现排量不受限制，形成钻速提高明显，并且井眼较深，钻台振动较小，对设备负荷不大。

5 总结与建议

（1）水力振荡器技术优点：降低摩阻，提高机械钻速，减少粘附卡钻的风险；技术缺点：工具压耗大，排量受限较大，影响携砂效果和滑动效果，加大倒划眼起钻难度，增加非生产时间；浅层工具振动剧烈，对设备负荷较大。

（2）使用水力振荡器时，为了提高排量，提高携砂能力，优选5-1/2″钻杆与水力振荡器配合使用，若条件允许也可以适当放大喷嘴，减小钻头水力压降。

（3）建议在大位移、大斜度井等摩阻大、托压严重深井使用；或者在8-1/2″及以下井眼使用试验；油藏允许可用于常规水平井三开钻进。

（4）使用水力振荡器前，应对泥浆泵、顶驱等设备做好维修保养，降低工具振动的影响。

[1]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.

[2]胥豪，牛洪波，唐洪琳，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.

[3]刘志坚，李榕，等.Ø172mm水力振荡器在川西中浅水平井的应用[J].天然气技术与经济，2012，6(6)：37-38.

[4]李子丰，杨海滨，等.定向井滑动钻进送钻原理与技术[J].天然气工业，2013，33（12）：94-98.

[5]李博，等.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.

[6]A.Al Ali，S.Barton.A.Mohanna.Unique Axial Oscillation Tool Enhances Performance of Directional Tools in Extended Reach Applications.SPE[C]143216，2011.

[7]J.P.McCarthy，B.H.Stanes，K.W.Clark，C.R.Kollker，G.E. Leuenberger.A Step Change in Dilling Efficiency:Quantify the Effects of Adding an Axial Oscillation Tool Within Challenging Wellbore Environments.SPE/IADC 119958，2009.

TE95

B

1004-5716(2015)11-0053-04

2014-11-05

戴杰（1982-），男（汉族），天津人，工程师，现从事钻井监理技术工作。