国产新型水力振荡器在陕北YB536-H02井的应用

李大彬，蒋洪亮，钱伟强，钱德松，邱 睿

(1.中石化 石油机械股份有限公司研究院，武汉430223；2.中石化 石油机械装备重点实验室，武汉 430223； 3.中石化 江钻石油机械有限公司，武汉 430223)

近年来，陕北地区开始大规模开采天然气。根据天然气储层特征，钻探井位以大斜度井、水平井为主，以提高单井产量。在井斜较大的井段钻进过程中，尤其在滑动钻进、定向作业时，钻柱托压现象严重，钻压难以高效传递至井底，导致机械钻速大幅降低，甚至出现了粘卡现象，成为影响该地区钻井提速，实现降本提效的主要因素[1-3]。

1 水力振荡器特点及改进

1.1 水力振荡器

水力振荡器将流经钻井液的液体动能转化为钻柱往复运动的机械能，进而带动相邻钻具实现同步轴向往复振动，将钻柱与井壁间的静摩擦转为动摩擦，降低摩擦阻力。其主要特点为：①带动BHA轴向振动，减小摩阻，改善钻压传递；②提升地面对定向工具面的控制力；③与各种LWD/MWD系统兼容；④提高机械钻速，降低钻井成本[4-5]。

1.2 水力振荡器主要类型及优缺点

目前应用较多的水力振荡器根据动力短节作用方式不同，主要分为螺杆式水力振荡器、金属涡轮式水力振荡器和射流式水力振荡器[4-5]。螺杆式水力振荡器以NOV的AGitator为主要代表，其耐污能力强，但压耗较高[4-7]；金属涡轮式水力振荡器以达坦公司产品为主要代表，其压耗较低，耐高温，但耐污能力较弱[4-5]。射流式水力振荡器主要有渤海钻探工程技术研究院研制的BH-HVT型水力振荡器，其结构简单，耐高温能力强，但输出力较小，耐冲蚀性较差，水力结构易损坏[8-9]。

1.3 结构改进及参数优化

针对现有水力振荡器存在的上述问题，通过以下2方面进行结构改进及参数优化：①采用稳定性好、耐污能力强的螺杆式动力短节，对关键部件进行仿真计算+室内试验，理论与试验相结合的方法进行动、静阀盘结构尺寸优化，降低工具的作业压耗；②在振荡短节上增加功率放大机构，以提高水力振荡器的输出载荷，如图1所示。

改进后的水力振荡器既能实现低压耗，更安全，解决使用水力振荡器循环系统压力过高的问题，又能保证较大的输出功率，提升工具使用效果[10-11]。

a 低压耗动力短节的动、静阀盘

2 现场应用[12-17]

2.1 井位基本情况

YB536-H02井是延长石油在延133区块布置的1口水平井，位于陕西省延安市宝塔区冯庄乡窑子沟村，设计井深4 346 m，垂深3 012.26 m。该井采用四开四完井身结构，目的为开采山西组山23砂体层位的天然气储量，并评价石盒子组和山西组山1的储层，完钻层位为山西组山23砂体。

YB536-H02井身结构如图2所示。

图2 YB536-H02井井身结构

该井钻井设计中，在三开造斜段采用水基钻井液，钻经地层有石千峰、石盒子，钻至山西组储层着陆，从井深2 401 m钻进至3 346 m，井斜从0°增至90°。计划分两趟钻完成施工，第一趟钻将井斜从0°增至50°，第二趟从50°增斜至90°。造斜段井斜角要求实际偏差控制在3°范围以内，同时最大全角变化率不大于6(°)/30m。

该井造斜段钻进过程大钩载荷与钻井深度变化关系模拟如图3所示。由图3可知，无论是旋转钻进还是滑动钻进，随着造斜段井深增加，钩载与井深呈非线性变化，摩阻越来越大。约3 000 m以后，钩载随井深增加而减小，说明井眼摩阻增幅越来越大；特别是滑动钻进摩阻增加更为显著(如图3a)，过大摩阻会导致钻压无法有效传递至钻头，甚至造成严重托压问题。井队计划第二趟钻使用国产新型的172型水力振荡器解决钻压传递及托压问题。

a 滑动钻进 b 旋转钻井

2.2 钻具组合及工具测试

本趟钻入井钻具组合为：ø215.9 mm PDC钻头+ø172 mm×1.5°螺杆+4A11×410转换接头+浮阀+坐键接头+411×520转换接头+LWD+521×410+ø172 mm无磁钻铤+限流短接+ø127 mm加重钻杆×3根+ø127 mm钻杆×13根+ø172 mm水力振荡器+ø127 mm钻杆×62根+ø127 mm加重钻杆×18根+ø127 mm钻杆。水力振荡器安放位置距离井底179.72 m。

入井前对水力振荡器进行井口测试，工具运行正常，测试参数如表1所示。

表1 水力振荡器井口测试参数

测试结果为：压耗2 MPa；振幅5～10 mm，频率约10～15 Hz。

压耗2 MPa，相比在类似工况下NOV水力振荡器4.1～4.8 MPa的压耗[5]，或BH-HVT型水力振荡器3.5～6.0 MPa的压耗[9]，国产新型水力振荡器压耗更低，对循环系统的负担更小，更安全。振幅5～10 mm，频率约10～15 Hz，震荡效果达到设计要求。

2.3 使用前后对比

本趟钻施工作业135 h，井深从2 935 m钻至3 326 m，提前20 m中完。钻头纯钻时间51.98 h，总进尺390 m，滑动钻进70.77 m，滑动纯钻时间为20.88 h。三开第一趟钻钻头纯钻时间85.55 h，总进尺535 m，滑动钻进111 m，滑动纯钻时间47.16 h。

应用该工具后，定向托压得到明显缓解，钻压能够顺利传递至钻头，机械钻速提升明显。同时MDW仪器信号正常，未受到水力振荡器振荡频率的影响。三开两趟钻滑动钻进机速与平均机速，如图4所示。由图4可知，使用水力振荡器的第二趟钻在井斜更大，摩阻更大的情况下，滑动机速提高44%，平均机速提高20%。

2.4 与邻井对比

YB046-H03井与YB536-H02井相邻，2口井位无论在钻井设计，还是钻机、钻头、螺杆等钻井设备都无明显改变。YB046-H03井三开第二趟钻实际施工从3 151 m钻至3 501 m，井斜同样由50°增加至90°，但未使用水力振荡器。YB046-H03井钻进过程中，频繁出现定向托压或钻压无法有效传递，有时甚至发生钻压突然释放损伤钻头等井下工具或憋泵等问题。在该井三开第二趟钻钻头纯钻时间60.57 h，总进尺350 m，滑动钻进80 m，滑动纯钻时间26.59 h。2口井三开第二趟钻钻井机械钻速如图5所示。由图5可知，带水力振荡器的YB536-H02井与不带水力振荡器的YB046-H03井相比，滑动机械钻速提高13%，平均机械钻速提高30%。

图4 YB536-H02井水力振荡器使用前后机械钻速对比

图5 YB536-H02井与YB046-H03井机械钻速对比

3 结论

1) 在陕北YB536-H02井，将国产新型水力振荡器加入钻具组合，在保持正常输出力情况下，相对其他类型水力振荡器，在类似工况下国产新型水力振荡器压耗更低，使循环系统的主要设备的压力更小，钻井更安全。

2) 国产新型水力振荡器在定向水平井钻进过程中，特别是滑动钻进，能够提高钻井效率。应用该工具后，定向托压得到明显缓解，钻压能够顺利传递至钻头。通过YB536-H02井两趟钻对比，带水力振荡器比不带水力振荡器的滑动机械钻速提高44%，平均机械钻速提高20%。通过与邻井对比，带水力振荡器比不带水力振荡器的滑动机械钻速提高13%，平均机械钻速提高30%，机械钻速提升明显。

3) 国产新型水力振荡器振荡柔和，兼容性好。未对动力钻具、钻头等井下工具的使用造成负面影响，振荡频率也未干扰定向仪器信号，同时可降低因钻具突然释放引起瞬时钻压过大而损伤井下工具或憋泵的风险。