胥 豪 牛洪波 唐洪林 張曉明

1.中國石化勝利石油管理局鉆井工藝研究院 2.長江大學(xué)石油工程學(xué)院

四川盆地川西新場氣田地區(qū)蘊含著豐富的天然氣資源，但鉆井作業(yè)卻普遍存在鉆速慢、鉆井周期長、鉆井成本高的問題，嚴重地制約了該區(qū)氣藏的勘探開發(fā)[1－3]。一般來說，影響鉆速的因素無外乎地質(zhì)因素、井身結(jié)構(gòu)、鉆進方式、鉆井設(shè)備及鉆井液[4－5]，但是在相同井深，相同地層及鉆具組合和設(shè)備能力時，采用滑動鉆進和復(fù)合鉆進，機械鉆速卻能相差3～6倍，因此，如何提高滑動鉆進時的機械效率成為川西鉆井提速的重點目標之一。鑒于水力振蕩器具有降低鉆進的鉆具與井壁間摩阻扭矩，提高鉆進機械效率的優(yōu)點[6]，且在國外具有較多成功應(yīng)用的實例，因此新沙21－28H井對Andergauge公司生產(chǎn)的水力振蕩器進行了應(yīng)用試驗。

在常規(guī)鉆井過程中，鉆具組合和鉆桿部分或者全部與井壁接觸，這樣在運動中就要產(chǎn)生摩阻。水力振蕩器可通過水力的作用產(chǎn)生沿鉆具組合或者鉆桿軸線方向上的振動，利用振動將靜態(tài)摩阻轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)摩阻，從而大大減小鉆進過程中的摩阻。水力振蕩器的優(yōu)勢在于降低鉆進時的摩阻和扭矩，使得鉆壓更容易傳遞，工具面更加容易控制，從而提高鉆進時的機械效率；同時擴大了常規(guī)導(dǎo)向馬達進行大位移井或者長水平段水平井的鉆進能力[7]。

1 水力振蕩器的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

水力振蕩器（AGT）主要由3部分結(jié)構(gòu)組成（圖1）：①動力部分；②閥門和軸承系統(tǒng)；③配套振蕩短節(jié)。剛性的由鉆桿單根連接成的管柱使用振蕩短節(jié)，撓性的管柱則不使用振蕩短節(jié)[8－11]。

圖1 水力振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖

動力部分下端的閥門部分可使流體流經(jīng)工具后的壓力發(fā)生變化而產(chǎn)生壓力脈沖，壓力脈沖向上作用于振蕩短節(jié)或者撓性強的連續(xù)油管從而使管柱在自己軸線方向上來回運動，這樣原來的靜摩擦阻力就變成了動摩擦阻力[7]。

獨特的閥門系統(tǒng)是整個工具的核心部分（圖2），它能把流經(jīng)動力部分流體一部分能量轉(zhuǎn)化為壓力脈沖，通過一對閥門周期性的相對運動來實現(xiàn)，因為這一對閥門周期性相對運動造成流體流經(jīng)工具的截面積周期性的變化[9]。

圖2 水力振蕩器閥門系統(tǒng)與壓降關(guān)系示意圖

當流經(jīng)的截面積為兩個閥門相對運動的最少重合部分時，是壓力脈沖波峰的位置；反之就是波谷的位置。

壓力脈沖的頻率和經(jīng)過工具的流量呈線性關(guān)系，以工具在作業(yè)中的工作參數(shù)來選擇閥門系統(tǒng)中閥片的尺寸，確保工具在工作中發(fā)揮最好的效果和使工具的壓降在允許的范圍內(nèi)。

水力振蕩器本身僅產(chǎn)生壓力脈沖，為了使這個能量轉(zhuǎn)化成可用的機械動力，需要加入振蕩短節(jié)，然后再與油管或者鉆桿連接，使水力振蕩器上下的管柱產(chǎn)生沿軸線方向的振蕩。振蕩短節(jié)一般安裝在動力部分之上。

振蕩短節(jié)主要由一個對外密封的心軸和密封心軸外圍軸向上安裝的彈簧組成，當內(nèi)部的壓力作用到心軸的下端面時，在壓力的作用下，心軸向下方移動并且壓縮彈簧，當這個壓力釋放后，心軸在彈簧作用下返回到原來的位置[8]。所以當振蕩短節(jié)直接連接于水力振蕩器的動力部分之上，壓力脈沖可以使振蕩短節(jié)不斷重復(fù)上述動作，從而帶動周圍的工具產(chǎn)生軸線方向上的蠕動。這個系統(tǒng)可以連在鉆柱中任何地方，現(xiàn)場可從實際需要出發(fā)，將工具連接在最理想的位置。

1.2 與現(xiàn)有鉆井工具兼容

首先，在鉆進過程中，水力振蕩器振動頻率和MWD系統(tǒng)不同，所以不會影響MWD的信號，水力振蕩器可以和MWD配套使用；其次，水力振蕩器的蠕動距離一般在3～10mm，蠕動頻率一般小于25Hz[9，12]，且工作原理與動力鉆具有類似之處，水力振蕩器可以和動力鉆具協(xié)同使用，不會對動力鉆具造成破壞；再次，由于水力振蕩器減小了鉆進的鉆具與井壁間摩阻扭矩，使得鉆壓更加均勻、穩(wěn)定，減少了頓鉆發(fā)生的頻率；水力振蕩器不會對鉆頭造成破壞，無論牙輪鉆頭還是PDC鉆頭均可與其配合使用，延長了鉆頭使用壽命；最后，由于水力振蕩器減小了鉆進的鉆具與井壁間摩阻，可以避免鉆具應(yīng)力過度集中在某一井段，有助于降低鉆具事故風(fēng)險。

2 應(yīng)用試驗情況

2.1 新沙21－28H井概況

新沙21－28H井是部署在川西新場構(gòu)造北翼的一口長水平段開發(fā)水平井，目的層上沙溪廟組，埋深2 100～2 300m。該井采用二次開鉆井身結(jié)構(gòu)設(shè)計。造斜段集中在蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組和沙溪廟組，地層巖性以略等厚砂泥巖互層為主，夾雜少量石英砂巖；該區(qū)地層致密，可鉆性差，定向鉆進效率低下，且隨著井斜的增加，鉆進中鉆具與井壁間摩阻扭矩逐漸增大，黏卡頻繁發(fā)生，已施工井的定向井段施工周期通常大于15d。該井第一次開鉆311.15mm鉆頭鉆至500m，下入244.50mm表層套管，第二次開鉆采用215.90 mm鉆頭鉆至完鉆井深3 206m，下入139.70mm套管完井，設(shè)計造斜點在井深1 880m。

2.2 鉆具組合及鉆井參數(shù)

2.2.1 鉆具組合

由于是在造斜井段采用水力振蕩器，下入井深2 048m處井斜為32°，滑動鉆具與井壁間摩阻還較低，因此在鉆具組合方面首先考慮提高機械鉆速，另一方面為了避免水力振蕩器對MWD儀器和動力鉆具的破壞，所以在距鉆頭約120m位置處接水力振蕩器；同時為了避免在倒裝鉆具部位接入172mm水力振蕩器對鉆具造成應(yīng)力破壞，分別在振蕩器上下各接入1根加重鉆桿進行應(yīng)力過渡。實際鉆具組合為：215.9mmPDC鉆頭＋172mm 單彎螺桿（1.5°）＋回壓閥＋127mm無磁承壓鉆桿＋177.8mm MWD短節(jié)＋127mm鉆桿＋127mm加重鉆桿＋172mm水力振蕩器＋127mm加重鉆桿＋127mm鉆桿＋127mm加重鉆桿＋165mm震擊器＋127mm加重鉆桿＋127mm鉆桿。

2.2.2 鉆井參數(shù)

圖3 水力振蕩器振蕩頻率與排量對應(yīng)關(guān)系示意圖

172mm水力振蕩器排量和震動頻率關(guān)系如圖3，排量與震動頻率成正比關(guān)系。但該工具有約3MPa的壓降，由于鉆井液密度高達1.86～1.89g／m3，現(xiàn)場受制于設(shè)備能力，鉆進排量為24～26L／s，此時泵壓達到22～24MPa，接近設(shè)備使用上限；復(fù)合鉆進轉(zhuǎn)速為80～100r／min。

2.3 應(yīng)用情況

新沙21－28H井于4月24日自井深2 048.28m下入水力振蕩器，5月3日鉆進到井深2 468.30m因動力鉆具使用壽命原因起鉆，入井時間共計196.75 h，開泵工作時間158.00h，總進尺420.02m，在井下期間工具工作正常。

3 應(yīng)用效果評價

3.1 機械鉆速提高

新沙21－28H井定向段共采用2趟鉆完成，第一趟鉆未使用水力振蕩器，第二趟鉆使用，鉆頭性能一致，地層巖性相差不大，具有良好的對比性。對比結(jié)果見表1。

表1 新沙21－28H井水力振蕩器使用效果表

由于水力振蕩器接入位置距鉆頭較近，軸向振動克服摩阻扭矩提高機械鉆速，另一方面軸向的高頻振動對鉆頭形成類似于沖擊鉆井的效果，進一步提高機械鉆速，采用水力振蕩器時滑動鉆進機械鉆速提高45.16%、復(fù)合鉆進機械鉆速提高30.00%，取得了非常顯著的效果。

3.2 鉆壓傳遞改善

水力振蕩器產(chǎn)生軸向振動時，將滑動鉆進時鉆具的靜摩阻轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽ψ?，使得滑動鉆進中鉆具與井壁間摩阻明顯降低，鉆壓的傳遞變得更有效率?；瑒鱼@井時，指重表所顯示的鉆壓為鉆頭鉆壓與滑動摩阻之和，采用水力振蕩器之后，滑動鉆進中鉆具與井壁間摩阻明顯減小，因此指重表所顯示鉆壓也相應(yīng)減小，降低了鉆進的鉆具與井壁間摩阻突然釋放后憋泵的概率，提高了鉆井效率。

3.3 經(jīng)濟效益評價

新沙21－28H井水力振蕩器服務(wù)時間196.75h，服務(wù)費2.7萬元／d，服務(wù)費共約23萬元；根據(jù)區(qū)塊相同井型鉆井情況估算，大約節(jié)約鉆井周期4.5d，若按照50D鉆機作業(yè)費5.2萬元／d，定向服務(wù)費3.5萬元／d，錄井費0.5萬元／d，鉆井液費1.0萬元／d，則可節(jié)約鉆井投資24萬元，下井期間平均每日可節(jié)約鉆井投資3萬元，具有良好的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論及建議

1）水力振蕩器可與常規(guī)定向工具和儀器同時使用，不會對無線隨鉆信號產(chǎn)生不利影響，也不會對儀器和動力鉆具的使用壽命產(chǎn)生影響。

2）采用水力振蕩器對于提高機械鉆速和降低滑動鉆進中鉆具與井壁間摩阻具有明顯的作用，有利于節(jié)約鉆井周期，降低鉆井投資，具有明顯的經(jīng)濟效益。

3）新沙21－28H井由于受到鉆井設(shè)備能力限制，排量僅僅達到了水力振蕩器推薦排量的下限值，但是仍然取得了良好的應(yīng)用效果，若采用更高的排量，有望獲得更好的效果。

4）在高密度鉆井液井段采用水力振蕩器時需要充分考慮鉆井設(shè)備的工作能力，避免因設(shè)備能力限制導(dǎo)致工具潛力不能正常發(fā)揮。

5）根據(jù)水力振蕩器性能，若鉆進設(shè)備能夠滿足更高的泵壓條件，還可在鉆具組合上再串接1～2個振蕩器，提高克服鉆進的鉆具與井壁間摩阻扭矩的能力，提升大位移井和長水平段水平井延伸能力。

[1]劉斌，張生軍，楊志斌，等.川西地區(qū)中深井快速鉆井的鉆井液應(yīng)用技術(shù)[J].天然氣工業(yè)，2010，30（9）：65－68.LIU Bin，ZHANG Shengjun，YANG Zhibin，et al.Application of drilling fluids in rapid drilling of deep wells in the western Sichuan Basin[J].Natural Gas Industry，2010，30（9）：65－68.

[2]劉偉，李麗，胡大梁，等.鉆井新技術(shù)在川西中深層的應(yīng)用[J].鉆采工藝，2008，31（2）：120－122.LIU Wei，LI Li，HU Daliang，et al.Aplication of new drilling technology in mid－deep formation of western Sichuan[J].Drilling ＆ Production Technology，2008，31（2）：120－122.

[3]王希勇，朱禮平，李群生，等.川西新場氣田深井鉆井配套技術(shù)及其應(yīng)用[J].天然氣工業(yè)，2009，29（3）：65－67.WANG Xiyong，ZHU Liping，LI Qunsheng，et al.Deep well drilling technology used in Xinchang gas field in west Sichuan Basin[J].Natural Gas Industry，2009，29（3）：65－67.

[4]周英操，張書瑞，劉永貴.大慶外圍探井鉆井速度的影響因素分析[J].石油學(xué)報，2007，28（2）：113－116.ZHOU Yingcao，ZHANG Shurui，LIU Yonggui.Influencing factors of drilling speed in exploratory wells of Daqing peripheral oilfield[J].Acta Petrolei Sinica，2007，28（2）：113－116.

[5]譚春飛，李樹盛.影響深井和超深井鉆速的主要原因分析[J].石油鉆采工藝，1998，20（4）：32－35.TAN Chunfei，LI Shusheng.Main reasons analysing of the ROP influence factors in deep well[J].Oil Drilling ＆ Production Technology，1998，20（4）：32－35.

[6]涂輝，高文金，陳濤，等.一種能有效提高機械鉆速的水力振蕩器的研究[J].江漢石油科技，2012，22（3）：56－58.TU Hui，GAO Wenjin，CHEN Tao，et al.Research of one hydraulic oscillator which improve ROP[J].Jianghan Petroleum Science and Technology，2012，22（3）：56－58.

[7]石崇東，黨克軍，張軍，等.水力振蕩器在蘇36－8－18H井的應(yīng)用[J].石油機械，2012，40（3）：35－38.SHI Chongdong，DANG Kejun，ZHANG Jun，et al.Application of the hydraulic oscillator in well 36－8－18Hof the Sulige block[J].China Petroleum Machinery，2012，40（3）：35－38.

[8]MCCARTHY J P，STANES B H，CLARK K W，et al.A step change in drilling efficiency：Quantifying the effects of adding an axial oscillation tool within challenging wellbore environments[C]∥paper 119958－MS presented at the SPE／IADC Drilling Conference and Exhibition，17－19 March 2009，Amsterdam，Netherlands.New York：SPE，2009.

[9]National Oilwell Varco，Drilling Agitator Tool handbook[G].National Oilwell Varco：September 2010.

[10]National Oilwell Varco，Drilling Agitator Tool operating guidelines[G].National Oilwell Varco：September 2010.

[11]RASHEED W.Extending the reach and capability of non rotating BHAs by reducing axial friction[C]∥paper 68505－MS presented at the SPE／ICoTA Coiled Thbing Roundtable，7－8March 2001，Houston，Texas，USA.New York：SPE，2001.

[12]BARTON S，BAEZ F，ALALI A.Drilling performance improvements in gas shale plays using a novel drilling agitator device[C]∥paper 144416－MS presented at the SPE North American Unconventional Gas Conference and Exhibition，14－16June 2011，The Woodlands，Texas，USA.New York：SPE，2011.