浅谈水力振荡器的原理与应用

王笑强 朱轩呈

摘要：在斜井钻进中，钻具基于重力影响会自然贴合下井壁，并与井壁产生静摩阻，滑动钻进中则进一步演变为托压现象，常导致工具面摆置困难、机械钻速降低、单趟钻进尺减少等问题;若活动钻具不及时，则有可能引发钻具粘卡事故，严重时可致单井报废。因此，降低摩阻、减缓托压已然成为安全钻井的重要环节。摩阻大小由钻柱自重在井眼轨迹法线方向上的分力和静摩擦系数来决定。在滑动钻进中，技术人员往往通过向泥浆中添加润滑剂或进行短起下（目的为修整井壁）等方式来降低静摩擦系数，从而达到降低摩阻、减缓托压的目的。由经典物理可知静摩阻大于滑动摩阻，因此，可以通过把静摩阻转化为动摩阻来减缓托压。

关键词：摩擦阻力;扭矩;水力振荡器;托压

0 前言

钻井过程中，钻具贴合下井壁会产生摩擦阻力，摩擦阻力贯穿于整个钻井作业中。其中旋转钻进中摩擦阻力会让钻柱所承受的扭矩是所有工况下的最大值，甚至会出现钻柱强度不够而导致钻具断裂。而滑动钻进会产生轴向摩阻，一旦轴向摩阻大到完全平衡掉上部钻柱重力在轴向上的分量，钻头便难以得到钻压，钻头无钻压将无法钻进，产生“托压”现象。这样不但会严重影响了水平井的钻井效率，也容易引起压差卡钻等井下故障。为此相关研究人员做了多种尝试。其中优化井眼轨迹、在钻井液中加入润滑剂和使用滚动扶正器等方法可以有效地降低摩擦阻力，同样的使用水力振荡器，利用机械振动将钻具与井壁之间的静摩擦力转化为动摩擦力以降低摩擦阻力，为我们水平钻进提供了一个新思路。

1 结构与原理

1.1 结构

水力振荡器主要由动力部分（定子和转子）、阀轴系统（动阀和定阀等）和振荡短节部分（心轴和碟簧等）等组成。其中，花键心轴用于传递扭矩，碟簧通过压缩或者拉伸释放能量，产生轴向振动，钻井液驱动转子旋转，在定子末端进行平面往复摆动，定阀与动阀做相对运动，使过流面积发生变化。

1.2 工作原理

动力部分将钻井液动能通过转子转换为旋转的机械能，使动阀旋转，并使其工作时产生的流量呈周期性变化（尽可能为正弦波），使压力产生水击现象，水击作用于阀座上产生的温和振荡力通过钻具传递给钻头，形成周期性连续柔和变化的钻压。交变压力作用振荡短节活塞，压缩弹簧，放大冲击力。钻具的应变速率变小，使钻具承受的载荷作用效果与静载荷相同，从而延长钻头等钻具的工作寿命。依靠振动钻具组合，消除钻具与井壁之间的静摩阻，使井底钻具组合与井壁处于动摩擦状态，摩擦因数大大减小，避免管串螺旋弯曲的发生，降低摩阻和扭矩，延伸钻达范围，改善钻压传递效果并提高转速，能够施加小钻压钻进，减小横向振动和扭转振动。

2 现场应用分析

2.1应用必要性

在斜井的钻井施工中，无法保证给钻头施加真实有效的钻压是水平段钻进中面对的主要问题之一，目前这已成为影响全井平均机械钻速及钻井周期的主要因素。原因是在斜井段钻进过程中，钻柱重力在垂直于井壁方向的分力N 会产生摩擦阻力，从而导致钻压不能完全有效地施加于钻头之上。由摩擦力公式：F =μN可知，摩擦阻力取决于摩擦系数μ和正压力N，正压力N越大钻具在井壁上的摩阻力F 越大，因此在摩擦系数不变的情况下，井斜越大或者斜井段钻具越重，摩擦阻力越大。另一方面由于钻柱本身的重力以及摩擦力影响，钻柱在受压时可能发生不同形式的弯曲，也称为屈曲。屈曲的钻柱在很大程度上增加了钻柱与井壁之间的接触力，从而使摩阻扭矩增大。屈曲行为越严重，钻柱与井壁的压力越大，从而造成摩阻与扭矩的急剧增大。使钻头不能获得有效钻压，降低钻井机械钻速并缩短水平井水平段的极限长度。

2.2应用优势

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%，钻井成本降低近38万元。

2.3 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。

（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。

（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4.5-8.0MPa），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。在实际使用中能够看出，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）如果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 總结与建议

（1）水力振荡器通过把静摩擦力转化为动摩擦力的方式来降低摩擦阻力是有效的，在钻井施工中可以与常规做法配合使用，比如加入润滑剂和短起下钻等。而且可以通过降低摩阻来减少摆工具面的时间，从而提高纯钻利用率。

（2）依靠振动钻具组合，消除钻具与井壁之间的静摩阻，使井底钻具组合处于动态摩擦状态，摩擦因数大大减小，避免了管串螺旋弯曲的发生，其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。

（3）在定向钻井中，井眼状况十分复杂，实现安全快速钻进是一个系统工程，在泥浆方面必要的防粘附措施也一定要跟上，应及时添加足够量的润滑剂。

（4）水力振荡器在应用中还存在一些问题，今后应分析存在的问题，对其进行持续改进，以提高水力振荡器的性能。

参考文献：

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