水力振荡器与旋转导向系统兼容性分析

董云峰

中海油能源发展股份有限公司工程技术湛江分公司 广东 湛江 524057

“十四五”以来，随着我国海上能源安全战略的发展，大位移井已是海上开发“低、边、稠”油气田的重要手段。大位移井通过单井筒延伸出较长的水平位移提高油气藏的开发覆盖面积，能够大幅度提高单井产量，提高油气藏的动用系数降低单井开发成本，提高钻井平台的利用率[1]，还可以减少对生态环境的破坏，实现油气开发的可持续性发展[2]，已在边际油田、复杂油气藏及非常规油气开发中取得了较为显著的应用效果。

近年来，由于用海矛盾突出，平台周边滚动扩边需求增多，受到航路、锚地等影响，海上边际油田动用难度较大、开发受限，逐渐要求海上大位移井的水平位移突破6000米。面对大位移井开发过程中常出现的摩阻扭矩大、长裸眼段钻具托压严重、硬地层机械钻速慢等瓶颈难题，国内外油田企业及科研院所逐步开拓出高攻击性钻头、高性能钻井液、高效率提速工具等多项核心技术提高钻井时效及安全性[3]。

水力振荡器作为一种降摩减阻提速工具，可以通过压力脉冲产生轴向振动，将静摩擦转变为动摩擦，有效解决大位移井复合钻进中的托压问题，减少粘附卡钻并提高机械钻速。旋转导向技术作为目前石油钻井领域先进的井眼轨迹控制技术，可以使钻具在旋转钻井的过程中按照预设井眼轨道实施钻进[4]。这两种技术工具的应用对于大位移井钻井的时效提升和定向控制能力提升具有重要意义，但当两种工具同时应用时，水力振荡器提供的振动冲击是否会对旋转导向系统的指向性造成影响，始终被作业者所担忧和质疑。本文将对水力振荡器及旋转导向系统的技术现状以及两种工具兼容使用的情况进行分析，旨在为大位移井作业中两种工具的使用提供参考。

1 技术现状

1.1 水力振荡器

水力振荡器通常由动力部分和振荡部分组成，动力部分主要通过钻井液流经定子、转子、动阀盘、定阀盘等部件产生压力脉冲。振荡部分主要通过芯轴、碟簧组、活塞和密封系统等部件产生周期性往复轴向运动[5]，将静摩擦转变为动摩擦，实现钻具与井壁间降低摩擦阻力，提升井眼延伸能力和机械钻速。水力振荡器主要适用于大位移井、大斜度井的复合钻进作业，主要解决托压问题，能够对付粘附卡钻以及帮助钻具解卡。依据其结构特点和工作原理的不同，主要可分为同心/偏心螺杆式、涡流式、自激式、射流式等几种水力振荡器。

目前，水力振荡器已在陆地及海上油田大位移井、大斜度井及探井中获得了较为广泛的应用，提速效果明显，能够大幅缩短钻井周期，降低成本。

1.2 旋转导向系统

旋转导向系统通常由地面监控中心、双向通信系统、LWD/MWD、导向装置、控制单元与稳定平台组成，适用于大位移井、复杂水平井、大斜度井等造斜及定向钻井作业，可以保证井眼轨迹的平滑和连续性，具有高可靠性、高造斜、高井眼质量等特点[6]。国内外各大油田服务公司近年来都开发出了具有自主知识产权的各类旋转导向系统并广泛应用，按其不同的定向原理主要分为推靠式、指向式、混合式三种。

使用旋转导向系统的井通常钻进难度较大，井下频繁的扭转振动和粘滑极易导致旋转导向工具、钻头及MWD/LWD等随钻测量工具消耗损坏，产生非生产时间及高昂的维修费用。同时，由于大位移井井眼轨迹的复杂性，定向段地层钻井不可避免产生能量损失，使钻压难以传递至钻头，也会导致钻井效率偏低。

2 兼容优势分析

针对以上问题，使用水力振荡器配合旋转导向系统使用，可以补足其使用短板，提高旋转导向系统整体表现，具体体现在：

降低摩阻损耗，提高定向效率。应用水力振荡器带动井下钻具产生规律一致的轴向振荡运动，使管柱始终处于可控的运动状态，将管柱与井筒间的静摩擦转变为动摩擦，使旋转导向系统的定向功能不受到外力影响，改善旋转导向系统的定向能力，控制井眼轨迹在目标范围内，提升轨迹最优储层钻遇率，即提升井筒生产能力。

有效输送钻压，提高钻井效率。水力振荡器提供的动力可以大大降低粘滑和扭转振动，使钻柱更加稳定，将均匀的钻压、平稳的扭矩、更高的压差输送到位，减小无效钻压需求，以更低的钻井参数获得更高的钻井效率。

降低钻具磨损，延长使用寿命。使用水力振荡器后，所需钻压、转速及压差参数降低，工具稳定性提高，可以减轻井下不规律震动对钻具和井底组件的磨损，延长井下工具使用寿命和工具失效平均间隔时间，降低旋转导向系统及MWD/LWD等随钻测量工具的失效概率。

钻井稳定可控，提高井筒质量。水力振荡器可以减少HFTO（高频扭转振动），提高旋转导向及钻具稳定性，使整个钻井过程参数稳定可控。随着钻具及参数的稳定，钻头处的无序振动得到减轻，使得井筒更加规则光滑。

降低综合成本，缩短钻井周期。在水力振荡器的带动下，管柱钻进变得更加顺畅，可以减少润滑剂的使用成本，也可以降低井下工具部件损坏失效、疲劳监测、等停和维修等成本和时间，缩短工期。

综合来看，水力振荡器与旋转导向系统同时使用，可以将两种工具的优势相结合，消除单独使用旋转导向系统的常见问题，相辅相成，以更低的钻井参数获得更高的钻井效率，达到“1+1＞2”的使用效果。

3 作业案例

3.1 63/4″水力振荡器+贝克休斯AutoTrak 旋转导向系统

位于卡塔尔陆地油田的A井使用水力振荡器配合贝克休斯 AutoTrak 旋转导向系统钻进7501～11535ft井段。邻井B井单独使用旋转导向系统钻进7204～11040ft井段，多次发生高频扭转振动，导致工具时常处于难以定向的状态，出现了未预见的狗腿度变化，增加了井眼曲度。

A井将水力振荡器安装在距离钻头1149ft的位置，大幅降低了斜井段的切向不良振动。由于水力振荡器提高了旋转导向系统的定向能力，A井相较于邻井B井整趟钻发送指令总时间降低25%，指令次数减少了36%，在切向振动频发层段的指令次数减少了70%。

此外，相较于未安装水力振荡器的B井，A井整体所需的钻压和排量更低，达到的扭矩更大，钻压参数更为稳定，机械钻速水平基本相似。

3.2 43/4″水力振荡器+斯伦贝谢PowerDrive 旋转导向系统

某多分支井使用水力振荡器配合斯伦贝谢PowerDrive旋转导向系统在主井眼L0两侧的两个分支井眼L1、L2中钻进。主井眼L0钻进过程中未使用水力振荡器，单独使用PowerDrive旋转导向系统和脉冲MWD，记录到了严重的粘滑和井下振动，旋转导向工具在井下发生两次严重失效被迫增加2趟起下钻，导致全井共使用3趟钻钻完。两个水平分支井眼L1、L2将水力振荡器安装在距离钻头1500ft的位置，配合旋转导向系统钻进共计进尺超8500ft，两个井眼均一趟钻完钻。

从钻进效果上看，水力振荡器的使用提高了旋转导向系统的使用效率，共计节省了3天的钻井周期且没有发生井下旋转导向工具损坏的情况。与常规旋转导向钻柱组合相比，水力振荡器的使用明显缓解了井下的粘滑情况，同时，水力振荡器与旋转导向系统的合理配合，使全井的机械钻速由30.8ft/h提高至57.8ft/h，即效率提高了20%。

4 结束语

大位移井的水平位移大，能够大范围地开发含油储层，提高单井产量降低成本，是边际油田、复杂油气藏和非常规油气的重要手段。

水力振荡器能够通过轴向脉冲运动将动力输送至井底钻具，有效缓解复合钻进中托压问题、粘附卡钻等问题，提高大位移井钻井的整体效率。

使用水力振荡器配合旋转导向系统使用，可以降低摩阻损耗、有效输送钻压、降低损耗和成本，提高钻井效率和定向效率，使钻进过程稳定可控，相辅相成，获得更好的钻井表现。