一种海上油田钻井用的水力振荡马达

刘书博

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300450）

1 水力振荡马达结构及工作原理

水力振荡马达由水力短节、液力马达和钻头端3部分组成，图1 所示。

图1 水力振荡马达工具简图

钻井水力振荡马达在旋转提供扭矩的同时，产生高频的纵向冲击力来提高钻进过程中钻压的传递及钻进的效率。水力振荡马达将普通马达产生的横向振动，转换成轴向的冲击力，水力振荡马达装有水力短节，产生的轴向力传递到马达本体，马达本体产生拉拽力带动钻柱高频低幅向下蠕动，使工具产生最大的效率。水力振荡马达动力部分采用全新的加工工艺使其功率输出大于普通马达的25%以上，较普通马达输出扭矩更高。热浇注模式制作的定子，完全消除了气泡和应力，提升了定子的生产质量，精度控制精准，并确保了定子寿命[1-3]。利用一次成型技术制作而成的转子，加工精度大幅提高，可以保证线型啮合更好、输出扭矩更大。

本工具适用于定向井、水平井、大斜度井的定向钻进中缓解托压及提速，复合钻的提速，水力振荡马达和水力振荡器相比轴向力直接来自于马达本身，可以更好地稳定钻压的传递缓解托压，因此具备更高的造斜率。

水力振荡马达工具参数如表1 所示。

表1 水力振荡马达工具参数

2 水力振荡马达优势

2.1 井底钻具组合最简化

出于钻井安全及提速考虑，钻具组合越简单对于钻井安全及提速更有好处，应用水力振荡马达可以使井底钻具组合最简化，进而有效保障钻井安全与时效。

2.2 具备提速和缓解托压效果

对比钻井水力振荡器及马达工作方式发现应用水力振荡马达可以有效抵御近钻头的冲击[4]，即使托压很严重底部也有少量动力工作，具备提速和缓解托压的效果。尤其是在遇托压很严重的井段更可以与水力振荡器完美搭配组合，进而达到更好的提速及缓解托压的效果。

2.3 能有效降低压降，保护钻井仪器

水力振荡马达因其特殊结构设计的冲击方式可以使力量控制在马达顶部以下，表现为静冲击[5-6]，这样可避免对定向仪器造成损伤，此外水力振荡马达受到的压降与其他钻具组合相比至少能降低3 MPa 以上，有效保护了钻井仪器。

3 水力振荡马达在渤海某油田中的应用

渤海X 油田为一个发育于边界大断层下降盘具有滚动性质的大型断裂背斜构造，具有圈闭面积大、闭合幅度低、埋深中-浅等特点，油田内部被2 组北东—南西向的次级断层分为北、中、南3 个断块。本次调整目标1#小层砂体、2#小层砂体主要分布在南块，内部断层不发育，整体均表现为北高南低的特征。构造高部位存在剩余油，故利用三口调整井以提高储量动用程度；部分砂体内部注采井网不完善，生产井间存在剩余油，本次利用X1H/X2H/X3H 这3口调整井配合老井转注，完善注采井网，挖掘井间剩余油。明化镇组下段地层纵向上以泥包砂为主；横向上河道砂体的连续性中等，主力油层分布在明化镇Ⅴ油组，储层厚度为4.0～9.0 m，具有高孔、高渗的特征。

3.1 水力振荡马达组合在X3H 井上的应用

渤海X 油田本批调整井均为井深2 500～2 800 m的水平井，三开Φ311.15 mm 井眼2500 m 左右着陆中完下入Φ244.475 mm 套管，四开Φ177.8 mm 井眼完钻，其井型结构如图2 所示。其中的典型代表井——X3H井三开Φ311.15 mm 井眼段长度2 106 m，采用了水力振荡马达+随钻测井工具组合。钻具组合：Φ311.15 mmPDC 钻头+Φ244.475 mm 水力振荡马达（单弯1.1 5°/3 0 8 m m）+Φ2 0 3.2 m m F/Ⅴ+Φ2 7 9.4 m m S T B+Φ2 0 3.2 m m 测井工具+Φ203.2 mmNMDC+Φ203.2 mm（F/J+JAR）+X/O+Φ139.7 mmHWDP。钻进至2 003 m 进行短起下钻至上层套管鞋，循环携沙，下钻继续钻至中完井深。

图2 渤海X 油田调整井井身结构示意图

旋转钻进参数：钻压8～10 t，排量3 900 L/min，泵压18.0～19.0 MPa，转速70 r/min，扭矩22～26 kN·m。

滑动钻进参数：钻压3～6 t，排量3 600 L/min，泵压17.0～19.0 MPa；本井Φ311.15 mm 井段，裸眼进尺2 106 m，纯钻时间37.25 h，平均机械钻速56.54 m/h。出井钻头检查，复合金刚石片基本完好。

3.2 与同批次应用马达旋转导向钻具组合、水力振荡器马达组合井对比

X1H 井Φ311.15 mm 三开先下入马达+水力振荡器钻具组合，钻具组合：Φ311.15 mmPDC 钻头+Φ24 4.4 7 5 m m 马达（单弯1.1 5°/3 0 8 m m）+Φ203.2 mmF/Ⅴ+Φ292.1 mmSTB+Φ203.2 mm 测井工具+Φ203.2 mmNMDC+Φ203.2 mm（F/J+JAR）+X/O+Φ139.7 mmHWDP+Φ203.2 mm 水力振荡器。

钻进至1 912 m，倒划眼起钻，更换旋转导向钻具组合，钻具组合：Φ311.15 mmPDC 钻头+Φ241.3 mm旋转导向+Φ203.2 mm 测井工具+Φ203.2 mmNMDC+Φ203.2 mm（F/J+JAR）+X/O+Φ139.7 mmHWDP；下钻继续钻至中完井深2 240 m 处。马达水力振荡器组合平均机械钻速为79.51 m/h；旋转导向组合平均机械钻速为43.73 m/h；本井Φ311.15 mm 井段，裸眼进尺1 620 m，平均机械钻速为61.62 m/h。

X2H 井Φ311.15 mm 三开先下入常规马达钻具组合，钻具组合：Φ311.15 mmPDC 钻头+Φ244.475 mm马达（单弯1.15°/308 mm）+Φ203.2 mmF/Ⅴ+Φ2 9 2.1 m m S T B+Φ2 0 3.2 m m 测井工具+Φ203.2 mmNMDC+Φ203.2 mm（F/J+JAR）+X/O+Φ139.7 mmHWDP。

钻进至1 999 m，倒划眼起钻，更换旋转导向钻具组合，钻具组合：Φ311.15 mmPDC 钻头+Φ241.3 mm旋转导向+Φ203.2 mm 测井工具+Φ203.2 mmNMDC+Φ203.2 mm（F/J+JAR）+X/O+Φ139.7 mmHWDP，下钻继续钻至中完井深2 300 m 处。常规马达钻具组合平均机械钻速为65.48 m/h；旋转导向组合平均机械钻速为40.13 m/h；本井Φ311.15 mm 井段，裸眼进尺1 889 m，平均机械钻速为52.8 m/h。

分析统计机械钻速及钻井周期发现（如表2所示），对比基本相同井型和井深的三口井，应用水力振荡马达钻具组合的X3H 井一趟钻发现至中完着陆井深，而X1H 井和X2H 井需要起钻更换旋转导向钻具组合，两趟钻钻至中完井深。应用水力振荡马达的X3H 井2 500 m 当量钻井周期为6.59 d，比使用马达+水力振荡器钻具组合的X2H 井提效18.4%，比使用常规马达钻具组合提效34.4%。

表2 机械钻速及钻井周期对比

3.3 钻井参数对比

在相同井深垂深及钻井液比例的情况下，三口井钻井参数对比如表3 所示。从表中数据可知X3H 井与X1 H 井泵压相近，但X3 H 井比X1 H 井排量多200 L/min，即水力振荡马达压耗小于马达水力振荡器组合，钻进时可以使用更大排量达到更高的环空反速；X3H 井旋转钻进时的机械钻速也比X1H 井和X2H 井高，在保证滑动效果的情况下，减少钻井周期。

表3 井深1 900 m 钻井参数对比

4 效益及推广前景

水力振荡马达可以替代马达+水力振荡器组合，简化钻具组合，减少井口组合钻具时间，更简化的钻具组合也对提高钻具井下安全和机械钻速有很好的作用。水力振荡马达较常规水力振荡器+马达组合，振荡效果直接作用于钻头，对上部精密的随钻测井工具振动损伤小，避免测井工具因振动失效而造成的非生产时间。

水力振荡器马达在渤海地区滑动钻进中，能够有效降低摩阻，改善拖压情况，提高机械钻速，大大缩短钻井周期。使用水力振荡马达组合，可在渤海浅部地层一趟钻钻至中完井深，可以部分替代旋转导向钻具，减少起钻更换旋转导向钻具组合时间，减少钻井周期，同时大大降低钻井成本。

水力振荡马达由于达到工作排量后振动主要作用在钻头，可以广泛在海上油田浅部地层使用，对钻井顶驱等设备不会造成损坏。水力振荡马达最主要的缺点是工作压降较大，在钻进至井深较深钻且钻井液比例较高时，可能会因为排量限制，进而影响环空返速，不利于达到携沙等井眼清洁要求。