淺談水力振蕩器的原理與應(yīng)用

王笑強(qiáng) 朱軒呈

摘要：在斜井鉆進(jìn)中，鉆具基于重力影響會自然貼合下井壁，并與井壁產(chǎn)生靜摩阻，滑動(dòng)鉆進(jìn)中則進(jìn)一步演變?yōu)橥袎含F(xiàn)象，常導(dǎo)致工具面擺置困難、機(jī)械鉆速降低、單趟鉆進(jìn)尺減少等問題;若活動(dòng)鉆具不及時(shí)，則有可能引發(fā)鉆具粘卡事故，嚴(yán)重時(shí)可致單井報(bào)廢。因此，降低摩阻、減緩?fù)袎阂讶怀蔀榘踩@井的重要環(huán)節(jié)。摩阻大小由鉆柱自重在井眼軌跡法線方向上的分力和靜摩擦系數(shù)來決定。在滑動(dòng)鉆進(jìn)中，技術(shù)人員往往通過向泥漿中添加潤滑劑或進(jìn)行短起下（目的為修整井壁）等方式來降低靜摩擦系數(shù)，從而達(dá)到降低摩阻、減緩?fù)袎旱哪康?。由?jīng)典物理可知靜摩阻大于滑動(dòng)摩阻，因此，可以通過把靜摩阻轉(zhuǎn)化為動(dòng)摩阻來減緩?fù)袎骸?/p>

關(guān)鍵詞：摩擦阻力;扭矩;水力振蕩器;托壓

0?前言

鉆井過程中，鉆具貼合下井壁會產(chǎn)生摩擦阻力，摩擦阻力貫穿于整個(gè)鉆井作業(yè)中。其中旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中摩擦阻力會讓鉆柱所承受的扭矩是所有工況下的最大值，甚至?xí)霈F(xiàn)鉆柱強(qiáng)度不夠而導(dǎo)致鉆具斷裂。而滑動(dòng)鉆進(jìn)會產(chǎn)生軸向摩阻，一旦軸向摩阻大到完全平衡掉上部鉆柱重力在軸向上的分量，鉆頭便難以得到鉆壓，鉆頭無鉆壓將無法鉆進(jìn)，產(chǎn)生“托壓”現(xiàn)象。這樣不但會嚴(yán)重影響了水平井的鉆井效率，也容易引起壓差卡鉆等井下故障。為此相關(guān)研究人員做了多種嘗試。其中優(yōu)化井眼軌跡、在鉆井液中加入潤滑劑和使用滾動(dòng)扶正器等方法可以有效地降低摩擦阻力，同樣的使用水力振蕩器，利用機(jī)械振動(dòng)將鉆具與井壁之間的靜摩擦力轉(zhuǎn)化為動(dòng)摩擦力以降低摩擦阻力，為我們水平鉆進(jìn)提供了一個(gè)新思路。

1?結(jié)構(gòu)與原理

1.1 結(jié)構(gòu)

水力振蕩器主要由動(dòng)力部分（定子和轉(zhuǎn)子）、閥軸系統(tǒng)（動(dòng)閥和定閥等）和振蕩短節(jié)部分（心軸和碟簧等）等組成。其中，花鍵心軸用于傳遞扭矩，碟簧通過壓縮或者拉伸釋放能量，產(chǎn)生軸向振動(dòng)，鉆井液驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在定子末端進(jìn)行平面往復(fù)擺動(dòng)，定閥與動(dòng)閥做相對運(yùn)動(dòng)，使過流面積發(fā)生變化。

1.2 工作原理

動(dòng)力部分將鉆井液動(dòng)能通過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，使動(dòng)閥旋轉(zhuǎn)，并使其工作時(shí)產(chǎn)生的流量呈周期性變化（盡可能為正弦波），使壓力產(chǎn)生水擊現(xiàn)象，水擊作用于閥座上產(chǎn)生的溫和振蕩力通過鉆具傳遞給鉆頭，形成周期性連續(xù)柔和變化的鉆壓。交變壓力作用振蕩短節(jié)活塞，壓縮彈簧，放大沖擊力。鉆具的應(yīng)變速率變小，使鉆具承受的載荷作用效果與靜載荷相同，從而延長鉆頭等鉆具的工作壽命。依靠振動(dòng)鉆具組合，消除鉆具與井壁之間的靜摩阻，使井底鉆具組合與井壁處于動(dòng)摩擦狀態(tài)，摩擦因數(shù)大大減小，避免管串螺旋彎曲的發(fā)生，降低摩阻和扭矩，延伸鉆達(dá)范圍，改善鉆壓傳遞效果并提高轉(zhuǎn)速，能夠施加小鉆壓鉆進(jìn)，減小橫向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

2 現(xiàn)場應(yīng)用分析

2.1應(yīng)用必要性

在斜井的鉆井施工中，無法保證給鉆頭施加真實(shí)有效的鉆壓是水平段鉆進(jìn)中面對的主要問題之一，目前這已成為影響全井平均機(jī)械鉆速及鉆井周期的主要因素。原因是在斜井段鉆進(jìn)過程中，鉆柱重力在垂直于井壁方向的分力N 會產(chǎn)生摩擦阻力，從而導(dǎo)致鉆壓不能完全有效地施加于鉆頭之上。由摩擦力公式：F =μN(yùn)可知，摩擦阻力取決于摩擦系數(shù)μ和正壓力N，正壓力N越大鉆具在井壁上的摩阻力F 越大，因此在摩擦系數(shù)不變的情況下，井斜越大或者斜井段鉆具越重，摩擦阻力越大。另一方面由于鉆柱本身的重力以及摩擦力影響，鉆柱在受壓時(shí)可能發(fā)生不同形式的彎曲，也稱為屈曲。屈曲的鉆柱在很大程度上增加了鉆柱與井壁之間的接觸力，從而使摩阻扭矩增大。屈曲行為越嚴(yán)重，鉆柱與井壁的壓力越大，從而造成摩阻與扭矩的急劇增大。使鉆頭不能獲得有效鉆壓，降低鉆井機(jī)械鉆速并縮短水平井水平段的極限長度。

2.2應(yīng)用優(yōu)勢

水力振蕩器優(yōu)于目前的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具。張海29-38L井、張海30-26L井和張海28-36井都位于埕海2-2人工島，具有相同的地層，深度相近，具有很強(qiáng)的對比性。張海29-38L井應(yīng)用了水力振蕩器，機(jī)械鉆速比應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的張海30-26L井、張海28-36井分別提高了56.8%和12.1%，鉆井成本降低近38萬元。

2.3 存在問題

水力振蕩器在現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用中，雖然取得了一定的效果，但也暴露出了很多問題。

（1）排量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，在一定程度上阻礙了該工具工作性能的充分發(fā)揮。表5為不同地區(qū)水力振蕩器的工作排量。

（2）自身壓耗偏大。目前在國內(nèi)現(xiàn)場應(yīng)用中，不論美國的NOV水力振蕩器，還是國內(nèi)研制的軸向、徑向和雙向水力振蕩器等，壓耗普遍偏大（約4.5-8.0MPa），對鉆井泵的要求較高，且長期在高壓下作業(yè)易出現(xiàn)井下故障，造成財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。

（3）水力振蕩器的周期性振動(dòng)影響井下高精密儀器的正常工作。在實(shí)際使用中能夠看出，水力振蕩器的振動(dòng)會對MWD的測量產(chǎn)生影響，有時(shí)會導(dǎo)致儀器無信號。

（4）如果水力振蕩器的安放位置不合理，導(dǎo)致提速效果不明顯，甚至無效果。

（5）耐沖蝕性有待提高。水力振蕩器在各應(yīng)用地區(qū)多口井出井后，拆開檢查，發(fā)現(xiàn)動(dòng)力部分的定子、葉輪轉(zhuǎn)子等零件被嚴(yán)重沖蝕。

3?總結(jié)與建議

（1）水力振蕩器通過把靜摩擦力轉(zhuǎn)化為動(dòng)摩擦力的方式來降低摩擦阻力是有效的，在鉆井施工中可以與常規(guī)做法配合使用，比如加入潤滑劑和短起下鉆等。而且可以通過降低摩阻來減少擺工具面的時(shí)間，從而提高純鉆利用率。

（2）依靠振動(dòng)鉆具組合，消除鉆具與井壁之間的靜摩阻，使井底鉆具組合處于動(dòng)態(tài)摩擦狀態(tài)，摩擦因數(shù)大大減小，避免了管串螺旋彎曲的發(fā)生，其提速效果比目前的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具好，且水力振蕩器已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，應(yīng)用成本相對較低，具有很好的推廣價(jià)值。

（3）在定向鉆井中，井眼狀況十分復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)安全快速鉆進(jìn)是一個(gè)系統(tǒng)工程，在泥漿方面必要的防粘附措施也一定要跟上，應(yīng)及時(shí)添加足夠量的潤滑劑。

（4）水力振蕩器在應(yīng)用中還存在一些問題，今后應(yīng)分析存在的問題，對其進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，以提高水力振蕩器的性能。

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