摘 要：近年来，随着钻井技术的不断发展，石油天然气开发定向井规模日益增大，尤其是大位移井、长水平段水平井总量与日俱增。在这些区块类似井段推广水力振荡器的使用，可以降低滑动和水平钻进中的托压现象，提高了机械钻速，降低了钻井周期，减少了钻井事故发生的机率。同时，对其它区块具有相似井身结构以及新区块，推荐对水力振荡器进行试验，为定向钻进找到有一个提高机械钻速的途径。
关键词：长水平段水平井；水力振荡器；托压现象；摩阻扭矩；机械钻速
1 定向井的特点
在水平井钻井过程中，钻具在井眼曲率较大的井段，或在过长水平段会产生较大摩阻、托压现象，无法有效施加钻压，并且在定向段普遍具有低孔、致密、非均质性强等地质特征，因此造斜井段普遍存在严重的托压、粘卡、钻头对工具面控制力差、钻压无法有效且真实地传递至钻头等现象，严重制约了钻速和钻井效率的进一步提高，成为阻碍水平井顺利开发的问题。国内外油田开展了优化井眼轨迹、井筒润滑剂、刚性扶正器等研究，目前还不能经济有效地解决水平段摩阻大、托压等问题。水力振荡器工具具备提高破岩效率、降低摩阻、防阻卡、增加钻压、提高钻速、增加单只钻头进尺等功能。国内在旋冲钻井、提高井身质量、降低摩阻、增加钻压等方面均做了大量研究，而且在这些单一研究方面跟国外存在一定差距；目前国内未见研发用于钻井提速的同时具有改变破岩方式为旋冲破岩方式、形成光滑井眼轨迹、降低摩阻、增加钻压的水力振荡器工具，重点在这个方向进行研究。
2水力振荡器的使用优势
2.1 工具结构
水力振荡器主要由动力部分、阀门和轴承系统、配套部分(振荡短节)3个机械部分组成，如图1所示。
2.2 工作原理
工具的动力部分是由一个2：1的马达组成，马达转子的下端固定一个阀片，所以流体通过动力部分时，驱动心轴转动，由于螺杆的特性，末端在一个平面上往复运动(称之为动阀片)。与动力部分连接的是阀门和轴承系统，主要部件就是耐磨套和一个固定的阀片-定阀片，动阀片和定阀片紧密配合。由于转子的转动，导致2个阀片相错和重合相错和重合就导致上流的压力发生变化，期性相对运动造成流体流经工具的截面积(最大值和最小值)周期性的变化。动力部分使上游压力周期性的变化作用在弹簧短节上，就形成弹簧短节不断的压内在的弹簧，形成振动。水力振荡器通过自身产生的纵向振动来提高钻进过程中钻压传递的有效性和减少底部钻具与井眼之间的摩阻，这就意味着水力振荡器可以在各种钻进模式中，特别是在使用动力钻具的定向钻进中改善钻压的传递，减少钻具组合粘卡的可能性，减少扭转振动。随着大位移井数量的增加和水平位移的不断延伸，其钻进模式面临着更大的挑战，水力振荡器通过简单有效的方式解决这个难题，提出了一个独特而又有效的途径。平稳的钻压传递，甚至在方位角变化很大的复杂地层中，提高对钻头工具面的调整能力，以使钻达更远的目的层；在钻进中不需过多的工作来调整工具面，保持工具面的稳定，提高机械钻速。
2.3 工作优势
水力振荡器在工作状态中，具有其独特的优势。首先，工作产生的振动不会破坏MwD、LWD工具和干扰系统信号，减少横向振动和扭转振动，钻具组合中可以在MWD工具的上下，位置比较自由，不会对钻头和管柱产生振动破坏。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆其次，工具和钻头有很强的兼容性，可以和牙轮钻头和有固定镶齿钻头仪器使用，产生的振动不会对钻头切削齿产生破坏，同时也不会破坏牙轮钻头的轴承，延长PDC钻头使命寿命(钻进过程中小钻压的传递)。再次，水力振荡器工作防止钻压集中和对工具面的控制，改善滑动钻进过程中钻压的传递方式，改善钻压传递过程中钻杆的压缩量，加强定向钻进。
3水力振荡器现场应用实例
3.1 钻井组合
综合国内外水力振荡器的使用分析，目前在8-1/2和12-1/4井眼中使用水力振荡器的几率最高，主要因为8-1/2和12-1/4井眼处在定向段、水平段的可能性远远高于其它尺寸的井眼。水力振荡器安放在距离钻头150~500m之间，以300m左右居多。各尺寸水力振荡器使用钻井组合具有普遍性，以8-1/2井眼为例，使用的基本钻具组合如下：8-1/2PDC钻头+6-3/4螺杆+6-1/2浮阀+接头+6-3/4LWD(Neoscope675)+63/4MWD(Telescope)+6-3/4NMDC+6—3/4(F/J+JAR)+5加重钻杆+6-3/4水力振荡器+5钻杆+接头+5-1/2钻杆。
3.2 地面组合测试
在钻台组合工具时，不可在水力振荡器动力部分施加外力，包括坐卡瓦、安全卡瓦、上/卸扣等。水力振荡器安放位置视具体情况而定，振荡短节直接接在振荡器之上。在地面进行功能测试，振荡短节振荡频率与流量成正比，在地面测试中，其产生的振动或许会使整个钻具发生强烈的振动，为安全起见，尽可能使用较低的排量，尽量降低其振荡频率。在地面测试中以能观察到振荡短节的蠕动即止，蠕动范围在3~10mm之间。如果工具之下的钻具组合相对较轻，必须达到一定的排量才能驱动工具工作。
3.3 钻进操作原则
开始钻进时，不宜过大，应逐渐加压，找到一个机械钻速最快的最佳契合点(最优值)，然后保存该钻压钻进，切勿期望值过高。在滑动工况，第一次滑动，先将排量提起来，再逐渐加压；在复合工况，也要注意钻压，不宜过大。水力振荡器在小钻压钻进中，可有效地消除钻具重量在井壁某段的聚集效应，如使用大钻压钻进，振动短节的弹簧将受到压缩，这样就会降低工具的使用效果。在井斜较小的井眼钻井中，水力振荡器应安放在受压位置(中性点以下)，以避免跳钻发生。
3.4 工具使用基本情况
使用水力振荡器总机械钻速和滑动机械钻速都有一个层次的提高。A井使用水力振荡器从井深1390m钻至1733m，其中累计滑动钻进进尺为221m，纯钻时间为50.8h，滑动机械钻速为4.4m/h。与同井场2口未使用水力振荡器的邻井相比，在机械钻速上大大的提高。配合使用水力振荡器后，钻具发生周期性震荡，基本消除了托压现象，滑动时工具面稳定，调整工具面时间大幅减少，综合平均机械钻速比邻井最高纪录提高了84.6％，滑动平均钻速比邻井最高纪录提高了50％。
4 认识和建议
根据研究区对比，对水力振荡器的使用有如下认识：(1)水力振荡器可与常规定向工具和仪器同时使用，不会对无线随钻信号产生不利影响，也不会对仪器和动力钻具的使用寿命产生影响。(2)在水平井钻进过程中，通过水力振荡器的作用，可使钻压缓慢地施加到钻头上，减小钻头与井底的冲击，提高钻头使用寿命。(3)轴向振荡发生工具对井下钻具无不利影响，对MWD、LWD信号传输不会产生干扰。(4)水力振荡器现场试验表明，同一井段的滑动钻进机械钻速和复合钻进机械钻速均有不同程度的提高，钻进摩阻减小，可在水平井钻井中推广应用。6)在定向钻进施工中，对于使用水力振荡器的井段，工具面稳定，减轻了钻具在大斜度井段的摩阻，同时也形成了更好的井眼轨迹。在降低摆工具面时间和起下钻频率的同时，也有效地降低了下步施工中的风险，提高了综合钻井效益。
参考文献：
[1]胡家森，刘秋霞，乔立伟，向进，张艳.涡轮钻井技术在四川元坝区块的应用分析[J].石油矿场机械，2015，44(5)：86—92.
论文作者:席晓磊
论文发表刊物:《科学与技术》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/29
标签：振荡器论文; 水力论文; 钻头论文; 工具论文; 组合论文; 机械论文; 水平论文; 《科学与技术》2020年第1期论文;