水力振蕩器在中深定向井提速提效中的應用

陳 波，張 弦，劉 松中石化江蘇工程公司安徽分公司，安徽 天長中石油川慶鉆探川東鉆探公司，重慶

水力振蕩器在中深定向井提速提效中的應用

陳 波1，張 弦1，劉 松2
1中石化江蘇工程公司安徽分公司，安徽 天長2中石油川慶鉆探川東鉆探公司，重慶

Received: Mar.9th, 2016; accepted: Apr.12th, 2016; published: Jun.15th, 2016

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隨著勘探開發(fā)的不斷深入，東部老油田蘇皖油區(qū)中深定向井、大位移井越來越多。針對中深定向井、大位移井中常見的定向段托壓、黏卡嚴重，使用PDC鉆頭鉆進時工具難以穩(wěn)定，鉆壓無法真實有效傳遞等問題，開展了使用水力振蕩器提高機械鉆速的研究。對水力振蕩器技術(shù)原理、組成、工作原理進行了分析，在H159-7、HX161、HX162等井成功應用。實踐表明，利用水力振蕩器將鉆具的靜摩擦變?yōu)閯幽Σ?，可以有利于解決中深定向井、大位移井中定向段托壓情況和鉆壓不能有效傳遞的問題。為破解中深定向井提速難題提供了借鑒，經(jīng)濟效益也隨著滑動進尺的增加而逐步提高。

軸向振蕩，鉆壓，大位移井摩阻，機械鉆速

1.引言

蘇皖油區(qū)位于東部老油田，是典型的復雜小斷塊油田，表現(xiàn)出“小碎貧散”的地質(zhì)特征。蘇皖水網(wǎng)地區(qū)受地面條件限制，鉆井深度大，井斜角大。在鉆進過程中，無論是旋轉(zhuǎn)鉆井還是滑動鉆井，鉆具與井壁的摩阻都會對機械鉆速產(chǎn)生較大的影響，其中滑動鉆井方式摩阻的影響尤為突出。特別是在中深井、大位移井中，鉆具在井筒中的托壓現(xiàn)象更為嚴重，表現(xiàn)出定向工具面難以穩(wěn)定、機械鉆速慢、鉆頭磨損大等現(xiàn)象。因為鉆壓不能有效加載到鉆頭上，嚴重時還會造成彎曲井眼，影響井身質(zhì)量和鉆井目的的完成。如何有效減輕托壓現(xiàn)象，使鉆壓有效傳遞到鉆頭，就成為提高這類型井機械鉆速的關(guān)鍵[1]。利用水力振蕩器的水力脈沖，在鉆具上產(chǎn)生軸線振蕩力，不僅可以將滑動鉆進時鉆具與井壁的靜摩擦變?yōu)閯幽Σ?，減輕摩阻[2]，還可以減小井下扭轉(zhuǎn)，減輕橫向振動，并在一定程度上延長了鉆柱、螺桿鉆具和PDC鉆頭的壽命[3]。

2.水力振蕩器的技術(shù)原理

在常規(guī)直井和小斜度定向井中，無論是普通轉(zhuǎn)盤鉆井、復合鉆井還是定向滑動鉆井方式，都是依靠鉆具下部鉆鋌的重量向鉆頭提供鉆壓，進行破碎和剪切地層巖石實施鉆進，一般能起到較好效果。但是在大斜度定向井、大位移井和水平井鉆進過程中，由于鉆鋌重量沿井眼方向的分量隨著井斜角的增大而減小，導致能夠有效施加到鉆頭上的鉆壓很小。如果只是為了達到設(shè)計要求的鉆壓數(shù)值，在不改變鉆具組合的情況下簡單下壓鉆具，只會加大鉆具的彎曲變形，最終由于鉆柱的自鎖無法正常施工[4]。同時，還會因為鉆具重量的下壓導致鉆鋌重量在井壁方向的壓力分量加大，從而增大鉆具與井壁的摩阻以及鉆井轉(zhuǎn)盤機械效率的損失。

由于鉆鋌重量在井眼方向的分量隨著井斜角的增大而減小，那么改變鉆鋌與井壁間的摩擦阻力就成為在大斜度定向井中有效傳遞鉆壓的重點。水力振蕩器的作用就是減少鉆鋌與井壁間的摩擦阻力。水力脈沖軸向振蕩鉆井技術(shù)是將鉆井液產(chǎn)生壓力脈沖的液壓能轉(zhuǎn)化為機械能[5]，通過自身產(chǎn)生的縱向振動，使連接振蕩器的鉆具在井眼方向產(chǎn)生縱向的往復運動，這樣鉆具與井壁之間的摩擦力就由靜摩擦變成動摩擦，摩擦阻力得到有效減小，特別是在滑動定向鉆進過程中，可以有效地減少因井眼軌跡而產(chǎn)生的鉆具拖拉現(xiàn)象，保證有效鉆進[6]。水力振蕩器正是利用了這一基本原理，將鉆柱與井壁的靜摩擦力轉(zhuǎn)化為動摩擦力，從而減小了下部鉆具與井壁的摩阻，改善了鉆壓的有效傳遞。

3.水力振蕩器的研究

3.1.水力振蕩器的組成水力振蕩器由馬達動力部分、萬向軸、流量閥系統(tǒng)、加壓減震裝置等4部分組成，見圖1。加壓減震裝置由下接頭、花鏈體、缸筒、活塞等組成，見圖2。

3.2.水力振蕩器的工作原理

Figure 1.Composition diagram of hydraulic oscillator圖1.水力振蕩器組成示意圖

Figure 2.Composition diagram of compression damping device圖2.加壓減震裝置組成示意圖

水力振蕩器的動力單元是一個馬達，馬達下端固定有閥片，鉆井液通過馬達時，驅(qū)動閥片轉(zhuǎn)動，兩個閥門分開時，截面積為最大，重合時流體通過工具的截面積為最小。馬達作用于震蕩開關(guān)閥產(chǎn)生壓力脈沖，截面積周期性變化導致上游壓力同步的周期變化形成軸向振蕩[7]。當這種軸向振蕩作用在加壓減震裝置上時，由于脈沖壓力周期性變化，加壓減震裝置的活塞就在液力的周期變化作用下做軸向往復運動，也就使與之連接的井下鉆具在軸向上做往復運動[7]-[9]。

加壓減震裝置將鉆頭與該工具以上的鉆柱隔離開，既能防止鉆柱產(chǎn)生的振動沖擊載荷對鉆頭造成破壞，還能保持鉆壓平穩(wěn)。同時也防止鉆頭振動導致鉆柱諧振及疲勞失效。

4.水力振蕩器在現(xiàn)場的應用

通過施工對比，水力振蕩器在滑動鉆進過程中取得了很好的提速效果。在托壓嚴重井段使用效果明顯，表現(xiàn)為托壓現(xiàn)象減輕，滑動鉆進過程中鉆壓有回落現(xiàn)象，泵壓也有明顯變化。

4.1.水力振蕩器在H159-7井中的應用

4.1.1.鉆具組合

H159-7井軌道設(shè)計為5段制(直–增–穩(wěn)–降–穩(wěn))軌道，后期滑動降斜托壓嚴重，嚴重影響了施工速度和井下安全。因此優(yōu)化H159-7井鉆具組合：?215.9 mmPDC鉆頭 + ?156 mm單彎螺桿(1.25?) + ?212 mm穩(wěn)定器 + 定向接頭 + ?159 mm無磁鉆鋌 + ?165 mm螺旋鉆鋌 + ?165 mm水力振蕩器 + ?159 mm無磁鉆鋌 + ?127 mm加重鉆桿 × 17 + ?159 mm隨鉆震擊器 + ?127 mm加重鉆桿。在下部鉆具組合中加入水力振蕩器，水力振蕩器在鉆具組合中可以在MWD (隨鉆測量)工具的上、下位置安裝，位置比較自由。

4.1.2.鉆進參數(shù)

H159-7井在使用水力振蕩器井段與使用常規(guī)鉆具時鉆進參數(shù)基本相同，鉆壓40～80 kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速70 r/min，泵壓14～15 MPa，進尺313.4 m。

4.1.3.使用情況對比

在H159-7井中使用水力振蕩器的鉆井情況與在H159-7井中未使用水力振蕩器的鉆井情況分別見表1、表2?？梢钥闯觯褂盟φ袷幤骱筱@時減小，滑動鉆進機械鉆速由1.62 m/h提高到1.82 m/h，提高了12.35%，全井機械鉆速由8.76 m/h提高到10.73 m/h，提高了22.49%。鉆井周期比鄰井H159-5井減少了53 h。

4.2.水力振蕩器在HX161井中的應用

HX161井是一口重點探井，完鉆井深3514 m，最大井斜39.43?，具有井身深、井斜大、裸眼段長的特點，使用水力振蕩器的情況如表3所示，進尺101 m，鉆進時間1124 min。HX161井滑動鉆進機械鉆速為5.39 m/h，全井機械鉆速為9.32 m/h。與鄰井HX160井未使用水力振蕩器相比，鄰井HX160井滑動鉆進機械鉆速為3.32 m/h，全井機械鉆速7.42 m/h。可以看出，使用水力振蕩器后，滑動鉆進井段機械鉆速提高62.35%，全井機械鉆速提高25.61%。

4.3.水力振蕩器在其他油田的應用

國內(nèi)最早應用水力振蕩器的是川慶蘇平36-8-18H井，取得了良好的效果。2013年?6.75in水力振蕩器在榆37-2H井的?8.5in水平段成功應用，有效改善了鉆井過程中鉆壓傳遞效果，如圖3所示，與鄰井段未使用水力振蕩器相比，滑動鉆速增加181%，平均機械鉆速提高至3.14 m/h。

5.水力振蕩器在應用過程中的效益分析

以?215.9 mm井眼為例，所使用的水力振蕩器外徑為165 mm，合同租賃費為575元/h，從入井口計

算，出井口結(jié)束。使用該設(shè)備后提高了滑動鉆進的機械鉆速，縮短了鉆進時間，節(jié)約了鉆井周期。所節(jié)約的周期費用減去租賃設(shè)備成本，得出使用該設(shè)備產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。以HX161井、HX162井為例，水力振蕩器使用效益分析如表4所示。工具每日租賃費用為1.38萬元，鉆機費用約每日8萬元(0.33萬元/h)。HX161井按機械鉆速提高62.35%計算，每日需節(jié)約4.18 h，每日滑動鉆進最少需要6.7 h才能持平，機械鉆速為5.39 m/h，即平均每日滑動36.11 m以上可以盈利。HX162井按機械鉆速提高67.47%計算，每日滑動鉆進最少需要6.19 h才能持平，機械鉆速為5.56 m/h，即平均每日滑動鉆進34.42 m以上可以盈利。

Table 1.Well H159-7drilling (with hydraulic oscillator)表1.H159-7井(使用水力振蕩器)鉆井情況

Table 2.Well H159-5 drilling (without hydraulic oscillator)表2.H159-5井(未使用水力振蕩器)鉆井情況

Table 3.The use of hydraulic oscillator in Well H161表3.HX161井水力振蕩器使用情況

從數(shù)據(jù)分析可以看出，在常規(guī)井中使用水力振蕩器經(jīng)濟效益不理想。主要原因是由于井身結(jié)構(gòu)的特點，滑動鉆進進尺較少，而通常水力振蕩器都是伴隨定向鉆具組合一起入井，導致工具的使用成本高于提高機械鉆速縮短鉆井周期產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。但使用該工具能防止鉆頭振動導致鉆柱諧振及疲勞失效，能很好地保護鉆頭、螺桿等工具，同時也能提高井眼質(zhì)量。

Figure 3.Comparison of ROP and sliding drilling speed before and after using the hydraulic oscillator圖3.使用水力振蕩器前后機械鉆速和滑動鉆速對比

Table 4.Benefit analysis of hydraulic oscillator表4.水力振蕩器使用效益分析

6.結(jié)論與認識

1) 在蘇皖油區(qū)大斜度中深定向井中，采取常規(guī)鉆具組合實施定向井施工，下部鉆具托壓現(xiàn)象明顯，制約了該類井機械鉆速的提高。

2) 水力脈沖軸向振蕩鉆井技術(shù)是將下部鉆具與井壁之間的摩擦力由靜摩擦變成動摩擦，從而使摩擦阻力得到有效減小，特別是在滑動定向鉆進過程中，可以有效地減少因井眼軌跡而產(chǎn)生的鉆具拖拉現(xiàn)象，保證有效鉆進。

3) 近幾年在蘇皖油區(qū)中深定向井中的應用實踐證明，水力振蕩器應用時托壓明顯減輕，能有效傳遞鉆壓，滑動鉆進過程中鉆壓有回落現(xiàn)象，泵壓也有明顯變化。

4) 水力振蕩器的租賃成本較高，必須要結(jié)合地層與軌道設(shè)計的特點使用，如果滑動鉆進進尺少，經(jīng)濟效益就不明顯。隨著租賃費用降低和滑動進尺增加，使用該工具的性價比會逐漸顯現(xiàn)。

5) 水力振蕩器在使用過程中能緩解托壓現(xiàn)象，對鉆頭、螺桿、鉆具可以起到保護作用，同時也能讓軌跡更圓滑，提高井眼軌跡質(zhì)量。

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Application of Hydraulic Oscillator in the Speed-Up and Efficiency Enhancement of Medium-Deep Directional Well Drilling

Bo Chen1, Xian Zhang1, Song Liu2
1Anhui Branch, Sinopec Oilfield Service Jiangsu Corporation, Tianchang Anhui2East Sichuan Drilling Company of CCDC, Chongqing

With the continuous deepening of oilfield exploration, more and more medium-deep directional wells and large displacement wells were drilled in the eastern Jiangsu-Anhui Oil Region.In order to solve the problems, such as supporting pressure in directional sections, serious drill pipe sticking, instability of tool in drilling with PDC bit and the ineffective transmission of WOB and so on, a hydraulic oscillator was used to improve the penetration rate of these wells.The principle, composition and the working principle of hydraulic oscillator were analyzed, and it was successfully applied in Wells H159-7, HX161 and HX162.Application shows that the static friction of drilling tool being turned into the dynamic friction by using the hydraulic oscillator is beneficial for solving the problems stated above.It provides reference for solving the problem of speed-up in directional well drilling, the drilling efficiency is raised with the increase of sliding footage.

Axial Oscillation, Drilling Pressure, Frictional Resistance of Large Displacement Well, ROP

陳波(1971-)，男，高級工程師，現(xiàn)從事鉆井技術(shù)管理與新技術(shù)研究與應用工作。

2016年3月9日；錄用日期：2016年4月12日；發(fā)布日期：2016年6月15日

文章引用: 陳波, 張弦, 劉松.水力振蕩器在中深定向井提速提效中的應用[J].石油天然氣學報, 2016, 38(2): 66-72.http://dx.doi.org/10.12677/jogt.2016.382017