陳 波，張 弦，劉 松中石化江蘇工程公司安徽分公司，安徽 天長(zhǎng)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(yīng)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(zhǎng)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(kāi)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(lái)越多。針對(duì)中深定向井、大位移井中常見(jiàn)的定向段托壓、黏卡嚴(yán)重，使用PDC鉆頭鉆進(jìn)時(shí)工具難以穩(wěn)定，鉆壓無(wú)法真實(shí)有效傳遞等問(wèn)題，開(kāi)展了使用水力振蕩器提高機(jī)械鉆速的研究。對(duì)水力振蕩器技術(shù)原理、組成、工作原理進(jìn)行了分析，在H159-7、HX161、HX162等井成功應(yīng)用。實(shí)踐表明，利用水力振蕩器將鉆具的靜摩擦變?yōu)閯?dòng)摩擦，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(wèn)題。為破解中深定向井提速難題提供了借鑒，經(jīng)濟(jì)效益也隨著滑動(dòng)進(jìn)尺的增加而逐步提高。

軸向振蕩，鉆壓，大位移井摩阻，機(jī)械鉆速

1.引言

蘇皖油區(qū)位于東部老油田，是典型的復(fù)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(jìn)過(guò)程中，無(wú)論是旋轉(zhuǎn)鉆井還是滑動(dòng)鉆井，鉆具與井壁的摩阻都會(huì)對(duì)機(jī)械鉆速產(chǎn)生較大的影響，其中滑動(dòng)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(yán)重，表現(xiàn)出定向工具面難以穩(wěn)定、機(jī)械鉆速慢、鉆頭磨損大等現(xiàn)象。因?yàn)殂@壓不能有效加載到鉆頭上，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)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(jī)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(dòng)鉆進(jìn)時(shí)鉆具與井壁的靜摩擦變?yōu)閯?dòng)摩擦，減輕摩阻[2]，還可以減小井下扭轉(zhuǎn)，減輕橫向振動(dòng)，并在一定程度上延長(zhǎng)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(wú)論是普通轉(zhuǎn)盤鉆井、復(fù)合鉆井還是定向滑動(dòng)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(jìn)行破碎和剪切地層巖石實(shí)施鉆進(jìn)，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(jìn)過(guò)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(dǎo)致能夠有效施加到鉆頭上的鉆壓很小。如果只是為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求的鉆壓數(shù)值，在不改變鉆具組合的情況下簡(jiǎn)單下壓鉆具，只會(huì)加大鉆具的彎曲變形，最終由于鉆柱的自鎖無(wú)法正常施工[4]。同時(shí)，還會(huì)因?yàn)殂@具重量的下壓導(dǎo)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(jī)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(diǎn)。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(jī)械能[5]，通過(guò)自身產(chǎn)生的縱向振動(dòng)，使連接振蕩器的鉆具在井眼方向產(chǎn)生縱向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這樣鉆具與井壁之間的摩擦力就由靜摩擦變成動(dòng)摩擦，摩擦阻力得到有效減小，特別是在滑動(dòng)定向鉆進(jìn)過(guò)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(jìn)[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(dòng)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(dá)動(dòng)力部分、萬(wàn)向軸、流量閥系統(tǒng)、加壓減震裝置等4部分組成，見(jiàn)圖1。加壓減震裝置由下接頭、花鏈體、缸筒、活塞等組成，見(jiàn)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(dòng)力單元是一個(gè)馬達(dá)，馬達(dá)下端固定有閥片，鉆井液通過(guò)馬達(dá)時(shí)，驅(qū)動(dòng)閥片轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)閥門分開(kāi)時(shí)，截面積為最大，重合時(shí)流體通過(guò)工具的截面積為最小。馬達(dá)作用于震蕩開(kāi)關(guān)閥產(chǎn)生壓力脈沖，截面積周期性變化導(dǎo)致上游壓力同步的周期變化形成軸向振蕩[7]。當(dāng)這種軸向振蕩作用在加壓減震裝置上時(shí)，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(fù)運(yùn)動(dòng)，也就使與之連接的井下鉆具在軸向上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)[7]-[9]。

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

4.水力振蕩器在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用

通過(guò)施工對(duì)比，水力振蕩器在滑動(dòng)鉆進(jìn)過(guò)程中取得了很好的提速效果。在托壓嚴(yán)重井段使用效果明顯，表現(xiàn)為托壓現(xiàn)象減輕，滑動(dòng)鉆進(jìn)過(guò)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(yīng)用

4.1.1.鉆具組合

H159-7井軌道設(shè)計(jì)為5段制(直–增–穩(wěn)–降–穩(wěn))軌道，后期滑動(dòng)降斜托壓嚴(yán)重，嚴(yán)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(wú)磁鉆鋌 + ?165 mm螺旋鉆鋌 + ?165 mm水力振蕩器 + ?159 mm無(wú)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(cè)量)工具的上、下位置安裝，位置比較自由。

4.1.2.鉆進(jìn)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(shí)鉆進(jìn)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(jìn)尺313.4 m。

4.1.3.使用情況對(duì)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(jiàn)表1、表2?？梢钥闯?，使用水力振蕩器后鉆時(shí)減小，滑動(dòng)鉆進(jìn)機(jī)械鉆速由1.62 m/h提高到1.82 m/h，提高了12.35%，全井機(jī)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(yīng)用

HX161井是一口重點(diǎn)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(zhǎng)的特點(diǎn)，使用水力振蕩器的情況如表3所示，進(jìn)尺101 m，鉆進(jìn)時(shí)間1124 min。HX161井滑動(dòng)鉆進(jìn)機(jī)械鉆速為5.39 m/h，全井機(jī)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(dòng)鉆進(jìn)機(jī)械鉆速為3.32 m/h，全井機(jī)械鉆速7.42 m/h。可以看出，使用水力振蕩器后，滑動(dòng)鉆進(jìn)井段機(jī)械鉆速提高62.35%，全井機(jī)械鉆速提高25.61%。

4.3.水力振蕩器在其他油田的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)最早應(yīng)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(yīng)用，有效改善了鉆井過(guò)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(dòng)鉆速增加181%，平均機(jī)械鉆速提高至3.14 m/h。

5.水力振蕩器在應(yīng)用過(guò)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(fèi)為575元/h，從入井口計(jì)

算，出井口結(jié)束。使用該設(shè)備后提高了滑動(dòng)鉆進(jìn)的機(jī)械鉆速，縮短了鉆進(jìn)時(shí)間，節(jié)約了鉆井周期。所節(jié)約的周期費(fèi)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(jì)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(fèi)用為1.38萬(wàn)元，鉆機(jī)費(fèi)用約每日8萬(wàn)元(0.33萬(wàn)元/h)。HX161井按機(jī)械鉆速提高62.35%計(jì)算，每日需節(jié)約4.18 h，每日滑動(dòng)鉆進(jìn)最少需要6.7 h才能持平，機(jī)械鉆速為5.39 m/h，即平均每日滑動(dòng)36.11 m以上可以盈利。HX162井按機(jī)械鉆速提高67.47%計(jì)算，每日滑動(dòng)鉆進(jìn)最少需要6.19 h才能持平，機(jī)械鉆速為5.56 m/h，即平均每日滑動(dòng)鉆進(jìn)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(jì)效益不理想。主要原因是由于井身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，滑動(dòng)鉆進(jìn)進(jìn)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(dǎo)致工具的使用成本高于提高機(jī)械鉆速縮短鉆井周期產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。但使用該工具能防止鉆頭振動(dòng)導(dǎo)致鉆柱諧振及疲勞失效，能很好地保護(hù)鉆頭、螺桿等工具，同時(shí)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(jī)械鉆速和滑動(dòng)鉆速對(duì)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(rèn)識(shí)

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(shí)施定向井施工，下部鉆具托壓現(xiàn)象明顯，制約了該類井機(jī)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(dòng)摩擦，從而使摩擦阻力得到有效減小，特別是在滑動(dòng)定向鉆進(jìn)過(guò)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(jìn)。

3) 近幾年在蘇皖油區(qū)中深定向井中的應(yīng)用實(shí)踐證明，水力振蕩器應(yīng)用時(shí)托壓明顯減輕，能有效傳遞鉆壓，滑動(dòng)鉆進(jìn)過(guò)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(jì)的特點(diǎn)使用，如果滑動(dòng)鉆進(jìn)進(jìn)尺少，經(jīng)濟(jì)效益就不明顯。隨著租賃費(fèi)用降低和滑動(dòng)進(jìn)尺增加，使用該工具的性價(jià)比會(huì)逐漸顯現(xiàn)。

5) 水力振蕩器在使用過(guò)程中能緩解托壓現(xiàn)象，對(duì)鉆頭、螺桿、鉆具可以起到保護(hù)作用，同時(shí)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(jí)工程師，現(xiàn)從事鉆井技術(shù)管理與新技術(shù)研究與應(yīng)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(yīng)用[J].石油天然氣學(xué)報(bào), 2016, 38(2): 66-72.http://dx.doi.org/10.12677/jogt.2016.382017