典型振動(dòng)減阻工具研究進(jìn)展及展望

王建龍，祝鈺明，柳 鶴，劉 軒，鄭 鋒，韓自立，吳墨染

（1.中石油集團(tuán)渤海鉆探工程技術(shù)研究院，天津 300450；2.中石油集團(tuán)青海油田分公司，甘肅敦煌 736202；3.中石油集團(tuán)渤海鉆探國(guó)際鉆采物資供應(yīng)分公司，天津 300450；4.中石油集團(tuán)渤海鉆探第四鉆井分公司，河北任丘 062550）

隨著水平井、大斜度井、大位移井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井裸眼段的延伸、井斜角的增大，鉆柱與井壁之間摩阻不斷增加，當(dāng)增加到一定程度時(shí)就會(huì)出現(xiàn)托壓，導(dǎo)致無法有效施加鉆壓，影響定向效率和機(jī)械鉆速，甚至誘發(fā)粘卡等井下事故[1-5]。針對(duì)定向托壓?jiǎn)栴}，國(guó)外相繼研發(fā)了不同種類的水力振蕩減阻工具，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。目前，應(yīng)用效果比較好、規(guī)模比較大的振動(dòng)減阻工具有多種，結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)各不相同。因此，本文從結(jié)構(gòu)、原理、優(yōu)缺點(diǎn)等方面系統(tǒng)分析了三種典型振動(dòng)減阻工具的研究現(xiàn)狀，提出了后續(xù)發(fā)展建議，為國(guó)內(nèi)同類型工具的的研究提供參考依據(jù)。

1 研究進(jìn)展

目前，國(guó)內(nèi)外典型振動(dòng)減阻工具有偏心螺桿式水力振蕩器、同心螺桿式水力振蕩器、射流式水力振蕩器等三種。其中偏心螺桿式水力振蕩器以美國(guó)國(guó)民油井公司（NOV）最為典型，同心螺桿式水力振蕩器以加拿大井星公司（WellStar）最為典型，射流式水力振蕩器以中石油渤海鉆探公司最為典型。下面著重分析這三種工具的結(jié)構(gòu)、原理和優(yōu)缺點(diǎn)等。

1.1 偏心螺桿式水力振蕩器

偏心螺桿式水力振蕩器是研究最早、應(yīng)用規(guī)模最大的振動(dòng)減阻工具，該工具以單頭螺桿為旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，以偏心閥為截流載體。該工具主要由振蕩部分、動(dòng)力部分、閥軸部分等組成（如圖1所示）。該工具的動(dòng)力部分主要由1:2單頭螺桿馬達(dá)組成；閥軸部分主要由動(dòng)閥盤和定閥盤組成，其中動(dòng)閥盤為偏心閥，定閥盤為同心閥。該工具是通過轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)偏心閥門旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生間歇性截流，在振蕩部分形成周期性壓力波動(dòng)釋放，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)工具規(guī)律的軸向振動(dòng)[5-8]。

該工具優(yōu)缺點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緩解定向托壓效果明顯，目前在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用數(shù)量最為廣泛；②單頭螺桿轉(zhuǎn)動(dòng) 的穩(wěn)定性略差，且轉(zhuǎn)速高，橡膠定子磨損速率快，影響工具整體壽命；③橡膠材質(zhì)的螺桿定子在深井高溫深井中應(yīng)用使用受限，耐溫極限150℃，限制了其在深部高溫地層中的應(yīng)用；④橡膠定子在油基泥漿環(huán)境下適應(yīng)性減弱，壽命較水基鉆井液環(huán)境大幅縮短，限制了其在頁巖氣水平井等油基鉆井液中的規(guī)?；瘧?yīng)用。

目前，NOV 偏心螺桿式水力振蕩器有6 種系列尺寸工具（表1 所示），振動(dòng)頻率12～26Hz，適用溫度150℃、工作壓差3.1～4.8MPa，工具壽命200h以上。

表1 NOV水力振蕩器性能參數(shù)表

1.2 同心螺桿式水力振蕩器

同心螺桿式水力振蕩器是近幾年新研發(fā)的振動(dòng)減阻工具，以多頭螺桿為旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，以同心盤閥為截流載體。主要由振蕩短節(jié)、壓力吸收裝置、驅(qū)動(dòng)總成、旋轉(zhuǎn)閥門系統(tǒng)等4部分組成，如圖2所示。其中驅(qū)動(dòng)總成由5:6多頭螺桿馬達(dá)提供啟動(dòng)閥盤旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力；旋轉(zhuǎn)閥門系統(tǒng)由同心動(dòng)閥和定閥組成。當(dāng)鉆井液流經(jīng)工具時(shí)，帶動(dòng)內(nèi)部轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子帶動(dòng)動(dòng)閥轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生高頻振動(dòng)，間歇性截流，在振蕩部分形成周期性壓力波動(dòng)釋放，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)工具規(guī)律的軸向振動(dòng)。

該工具優(yōu)缺點(diǎn)：①壓降低，減少設(shè)備負(fù)載；②利用多頭馬達(dá)提供動(dòng)力，穩(wěn)定性好，工具持續(xù)穩(wěn)定工作時(shí)間長(zhǎng)；③多頭馬達(dá)和同心閥盤配合，轉(zhuǎn)速低，定子橡膠磨損率低，延長(zhǎng)了工具的壽命；④橡膠材質(zhì)的螺桿定子在深井高溫深井中應(yīng)用使用受限，耐溫極限150℃，限制了其在深部高溫地層中的應(yīng)用；⑤在油基泥漿環(huán)境下適應(yīng)性減弱，壽命較水基鉆井液環(huán)境大幅縮短，限制了其在頁巖氣等油基鉆井液中規(guī)?；瘧?yīng)用。

目前Wellstar水力振蕩器有3種系列尺寸工具（表2所示），振動(dòng)頻率7～15Hz，適用溫度150℃、工作壓差2.0～3.8MPa，工具壽命300h以上。

表2 Wellstar 水力振蕩器性能參數(shù)表

1.3 射流式水力振蕩器

射流式水力振蕩器是以射流元件為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，整套工具無密封元件。該工具由脈沖短節(jié)和振蕩短節(jié)組成，脈沖短節(jié)主要由射流元件、節(jié)流桿和節(jié)流盤等組成，振蕩短節(jié)主要由碟簧組、芯軸和活塞等組成（圖3）。鉆井液通過脈沖短節(jié)的射流元件產(chǎn)生附壁作用（圖3），并在元件中的流動(dòng)不斷換向，推動(dòng)節(jié)流桿做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在節(jié)流盤處產(chǎn)生截流壓力脈沖。壓力脈沖向上作用在活塞上，帶動(dòng)芯軸壓縮碟簧；當(dāng)這個(gè)壓力釋放后，芯軸在碟簧作用下返回到原來的位置。壓力脈沖可以使振蕩短節(jié)不斷重復(fù)上述動(dòng)作，從而使管柱在自身軸線方向上往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

該工具優(yōu)缺點(diǎn)：①以射流元件為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，壓降低，減少設(shè)備負(fù)載；②全金屬結(jié)構(gòu)，耐溫性達(dá)到180℃，在深部高溫地層中的適應(yīng)性較強(qiáng)；③全金屬結(jié)構(gòu)，耐油基鉆井液，在頁巖氣水平井等油基鉆井液中適應(yīng)性強(qiáng)，壽命高；④對(duì)鉆井液固相要求高，含砂過高對(duì)射流元件沖蝕嚴(yán)重，影響射流元件壽命；⑤對(duì)鉆井液清潔程度要求高，雜質(zhì)過多容易堵塞射流元件，引起循環(huán)系統(tǒng)憋壓或工具無法正常工作。

目前中石油渤海鉆探射流式水力振蕩器有3 種系列尺寸工具（表3 所示），振動(dòng)頻率8～12Hz，適用溫度180℃、工作壓差1.5～4.0MPa，工具壽命150h以上。

表3 渤海鉆探射流式水力振蕩器性能參數(shù)

2 技術(shù)研究重點(diǎn)和展望

2.1 提高工具壽命

（1）工作狀態(tài)可控的工具研發(fā)。目前國(guó)內(nèi)外的水力振蕩器入井之后，只要入井開泵，始終處于工作狀態(tài)，無法在地面控制工具的啟停。當(dāng)復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)，工具的振動(dòng)基本是在做無用功，既增加了地面設(shè)備的負(fù)載，又降低了工具的壽命。工具后續(xù)更新?lián)Q代過程中，建議設(shè)計(jì)地面可控的水力振蕩器，當(dāng)滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)讓工具處于工作狀態(tài)，當(dāng)復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)讓工具處于休眠狀態(tài)，降低設(shè)備負(fù)載，延長(zhǎng)工具壽命。

（2）材質(zhì)優(yōu)選，提高閥盤壽命。大量的應(yīng)用效果表明，盤閥是影響螺桿式水力振蕩器壽命和效果的主要部件，無論是偏心盤閥，還是同心盤閥，都是采用硬質(zhì)合金材料。由于動(dòng)盤閥與定盤閥以600～1200r/min的相對(duì)運(yùn)動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)，隨著工作時(shí)間的增加，因接觸磨損導(dǎo)致動(dòng)盤閥和定盤閥間的接觸密封效果減弱，從而使產(chǎn)生的壓力脈沖值逐漸衰減，緩解定向托壓效果逐漸減弱。因此，后續(xù)設(shè)計(jì)中，需要優(yōu)選盤閥的材質(zhì)，提高耐磨性，提高壽命，保證工具密封正常，減緩振蕩力衰減。

2.2 提高減阻效果

每一種振動(dòng)減阻工具都有其適用性，水力振蕩器只能緩解因摩阻增加導(dǎo)致的托壓?jiǎn)栴}，對(duì)于裸眼段長(zhǎng)、井斜角增大的井段，需要集成2種或多種工具共同提高減阻效果。

（1）水力振蕩器+井眼清潔工具。對(duì)于井斜角超過65°的大斜度井，可以采用水力振蕩器與井眼清潔工具集成降低摩阻。水力振蕩器與井眼清潔工具集成緩解托壓技術(shù)，主要是從兩個(gè)角度降低摩阻：一是，利用井眼清潔工具破壞井斜角大于45°井段的巖屑床，減少鉆柱與井壁的接觸面積，降低摩阻；另一方面，利用水力振蕩器產(chǎn)生的軸向震動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鉆柱與井壁間的摩阻由靜摩阻向動(dòng)摩阻的轉(zhuǎn)化，從而降低摩阻。實(shí)鉆數(shù)據(jù)表明，兩者共同作用，可以使大斜度井滑動(dòng)摩阻降低40%～55%。

（2）水力振蕩器+水力加壓器。對(duì)于裸眼段長(zhǎng)、摩阻較高，施加鉆壓非常困難的井，可以采用水力振蕩器與水力加壓器集成降低摩阻，為鉆頭施加有效鉆壓。該集成應(yīng)用技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)目的：利用水力振蕩器降低滑動(dòng)鉆進(jìn)鉆柱與井壁間的摩阻，緩解滑動(dòng)鉆進(jìn)托壓，提高滑動(dòng)鉆進(jìn)行程鉆速；利用水力加壓器，當(dāng)摩阻增加到一定值，小幅托壓釋放時(shí)穩(wěn)定工具面，同時(shí)滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)鉆頭獲得足夠的穩(wěn)定鉆壓，提高滑動(dòng)鉆進(jìn)機(jī)械鉆速。

（3）水力振蕩器+振蕩螺桿。對(duì)于水平段鉆井過程中，由于裸眼段長(zhǎng)、井斜角大，摩阻高，調(diào)整井斜角難度非常大的井，可以采用水力振蕩器與振蕩螺桿集成降低摩阻。利用水力振蕩器降低長(zhǎng)裸眼段鉆柱與井壁之間的摩阻，利用振蕩螺桿降低近鉆頭由于大尺寸穩(wěn)定器等造成的托壓?jiǎn)栴}。

3 結(jié)論及建議

（1）螺桿式水力振蕩器都屬于遠(yuǎn)鉆頭軸向振動(dòng)減阻工具，能夠產(chǎn)生高頻軸向振動(dòng)，能夠有效降低鉆柱與井壁間的摩阻，提高定向效率和機(jī)械鉆速。但是，由于定子橡膠材質(zhì)的影響，耐溫和耐油型受限。

（2）射流式水力振蕩器整機(jī)無橡膠件，耐溫和耐油性能高，適合在高溫井、油基鉆井液環(huán)境中應(yīng)用，彌補(bǔ)了螺桿式水力振蕩器在這一領(lǐng)域的短板。但是，這種類型工具對(duì)泥漿的固相含量、清潔程度要求比較高，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過程中需要提高加強(qiáng)固控設(shè)備的使用。

（3）為了降低地面鉆井設(shè)備的負(fù)載，提高工具的工作壽命，建議開展地面可控的水力振蕩器研究，當(dāng)需要工具工作時(shí)打開，當(dāng)不需要工具工作時(shí)讓工具處于休眠狀態(tài)。