張 璀，張金成，王甲昌

(1．中國石油大學〈北京〉石油工程學院，北京102200;2．中國石化石油工程技術研究院，北京100101)

0 引言

進入21世紀后，受益于新的理論與技術的推動，非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)不斷獲得重大突破。目前我國非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)得到了高度重視。長水平段水平井是開發(fā)非常規(guī)油氣資源的有效手段，近年來我國已經(jīng)完成了幾百口非常規(guī)油氣藏水平井。在三維軌跡長水平段水平井的鉆進過程中，由于井眼軌跡復雜、摩阻較大等原因，容易引起嚴重的托壓效應，從而導致工具面難以擺放、粘卡、機械鉆速低等問題，甚至難以鉆達設計井深，給施工帶來嚴重的困難［1］。

托壓效應易產(chǎn)生在鉆井定向過程中。由于井眼軌跡以及各種阻力的原因使得鉆具加壓后，壓力很難傳遞到鉆頭，在鉆壓不斷增加的前提下，鉆頭的位置不變、沒有進尺，泵壓不升高、不憋泵，在鉆壓繼續(xù)增加時可能會突然憋泵。定向井段托壓一方面影響正常的定向施工，另一方面如操作不當易產(chǎn)生卡鉆。托壓效應是制約三維軌跡水平井鉆井提速的一個普遍性問題，因此亟需試驗應用新型的井下工具來減小托壓效應。AG－Itator水力振蕩器就是引進應用的一項關鍵工具，在蘇里格氣田、塔里木油田、涪陵頁巖氣田等地區(qū)進行了試驗應用，取得了明顯的提速效果，已成為三維軌跡水平井減小托壓效應、提高機械鉆速的有效手段。

1 AG－Itator水力振蕩器

1．1 AG－Itator水力振蕩器的結構原理

AG－Itator水力振蕩器是美國國民油井華高公司(NOV)研發(fā)的水平井提速提效工具，由振蕩系統(tǒng)、動力部分、脈沖系統(tǒng)3部分組成［2］(如圖1所示)。動力部分是一個1∶2的螺桿馬達，脈沖系統(tǒng)是由動力部分驅動的一系列的閥組，振蕩系統(tǒng)是一個碟簧驅動的振動工具。

圖1 AG－Itator水力振蕩器結構示意圖

工具的脈沖系統(tǒng)包含一個振蕩閥組和一個固定閥組，振蕩閥組連接在螺桿馬達轉子的下端，固定閥組固定在接頭的端部。由于螺桿馬達為1∶2的定轉子比，振蕩閥組作近線性的前后掃動，振蕩閥組在固定盤上方掃動的過程中會周期性地對流道產(chǎn)生限制，引起過流面積發(fā)生變化，從而產(chǎn)生壓力脈沖［3］(如圖2所示)。

圖2 閥組變化與壓力脈沖關系圖

振蕩系統(tǒng)有一個對外密封的心軸，密封心軸外圍軸向安裝彈簧，心軸在壓力脈沖作用下，上下運動壓縮彈簧，從而帶動工具產(chǎn)生軸向振動。通常將AG－Itator水力振蕩器連接在導向底部鉆具組合的導向馬達之上，將鉆井液的能量轉化為高速旋轉的機械能，再通過壓力控制系統(tǒng)，把機械能轉化為壓力脈沖，帶動鉆具振動，將鉆具與井壁之間的靜摩擦轉變?yōu)閯幽Σ粒瑥亩鴾p小托壓效應。AG－Itator水力振蕩器工作時的振動頻率為15～20 Hz，振幅為3.18～9.53 mm左右，在此振動下，鉆具的滑移摩阻可以減小75% ～80%［4］，只需施加大約常規(guī)鉆進60%左右的地面鉆壓便可獲得與不帶該工具時相當?shù)臋C械鉆速。

1．2 AG－Itator水力振蕩器的使用性能

(1)減少托壓效應。AG－Itator水力振蕩器以一定的頻率和幅度帶動井下鉆具產(chǎn)生軸向振動，使靜摩擦轉變?yōu)閯幽Σ粒瑴p小了鉆具與井壁之間的摩阻，能夠有效地傳遞鉆壓，減小托壓效應，從而提高機械鉆速。

(2)更好地控制工具面。有效的鉆壓傳遞，使得在造斜段和穩(wěn)斜段能夠更好地控制工具面，更容易形成平滑井眼。

(3)減少鉆頭損壞。鉆進過程中可減少鉆具的橫向振動和扭轉振動，且AG－Itator水力振蕩器產(chǎn)生的軸向振動頻率低、振幅小，振動較為溫和，減少了鉆具的疲勞破壞，可延長鉆柱和鉆頭的使用壽命，降低鉆井成本。

(4)減少粘卡的發(fā)生。AG－Itator水力振蕩器在鉆進過程中與鉆柱保持振動狀態(tài)，減少了粘卡現(xiàn)象的發(fā)生。

(5)AG－Itator水力振蕩器對絕大多數(shù)MWD沒有干擾。由于在鉆進過程中，水力振蕩器振動頻率與MWD信號傳輸頻率不同，不會影響MWD的信號傳輸，所以AG－Itator水力振蕩器可以與絕大多數(shù)MWD系統(tǒng)配合使用［5］。

2 AG－Itator水力振蕩器的試驗應用

2011年4月—2014年11月，有3種規(guī)格的AG－Itator水力振蕩器在我國多個油氣區(qū)塊進行了試驗應用，根據(jù)NOV提供的資料，在此期間共應用了188井次，總進尺126921 m，總純鉆時間10603 h，取得了良好的應用效果。具體應用情況見表1。

表1 AG－Itator水力振蕩器在我國的應用情況

2．1 在長水平段水平井蘇5－3－16H1井的試驗應用

在蘇里格氣田普遍采用長水平段水平井，定向鉆進施工中經(jīng)常出現(xiàn)嚴重的托壓、粘卡現(xiàn)象，尤其在滑動鉆進過程中，無法保證給鉆頭施加真實、有效的鉆壓。為此引進了120 mm AG－Itator水力振蕩器，在部分井進行了試驗應用，取得了顯著的提速提效效果。其中在蘇5－3－16H1井的152.4 mm水平段井眼成功應用，創(chuàng)造了國內(nèi)陸上最長水平段2606 m的記錄。

蘇5－3－16H1井位于蘇里格氣田蘇5區(qū)塊，地處鄂爾多斯盆地伊陜斜坡。該井設計井深6183 m，水平段長2500 m。為解決摩阻、扭矩過大及嚴重托壓問題，該井從水平段1909 m起使用AG－Itator水力振蕩器。

使用AG－Itator水力振蕩器后，鉆進井段平均機械鉆速達到12.61 m/h，滑動機械鉆速達到4.01 m/h，與鄰井段未使用AG－Itator水力振蕩器相比，滑動機械鉆速提高100%，平均機械鉆速提高91%(見圖3)。

圖3 蘇5－3－16H1井使用水力振蕩器效果與鄰井對比圖

2．2 在超深水平井中古5－H2井的試驗應用

中古5－H2井位于塔里木油田塔中區(qū)塊，地處塔克拉瑪干大沙漠腹地。該井最后的完鉆井深為7810 m，垂深為6306.2 m，水平段長為1358 m。由于超深和水平段超長、水平段井眼小、地質條件復雜，水平段施工易托壓、扭矩過大，導致鉆井速度低、定向困難，施工難度很大，常規(guī)鉆進難以鉆達設計井深［6］。該井在168.3 mm水平段井眼施工中使用120 mm AG－Itator水力振蕩器，兩趟鉆共完成728 m的進尺，順利完成水平段施工。

井深達到7082 m時，由于扭矩過大，托壓問題嚴重，開始使用AG－Itator水力振蕩器，鉆具組合為:168.3 mm鉆頭 +127 mm導向馬達 +120 mm浮閥+120 mm無磁鉆桿+高溫MWD+88.9 mm無磁鉆桿+101.6 mm鉆桿+120 mm水力振蕩器+101.6 mm鉆桿+101.6 mm加重鉆桿+101.6 mm鉆桿(水力振蕩器距離MWD儀器620 m)。

使用AG－Itator水力振蕩器后，鉆壓傳遞和滑動鉆進時工具面穩(wěn)定性方面的效果都非常明顯，平均機械鉆速達到5.24 m/h，滑動機械鉆速達到2.4 m/h，與該井使用AG－Itator水力振蕩器前的機械鉆速相比分別提高了32%和135%(見圖4)。

圖4 中古5－H2井使用水力振蕩器前后效果對比圖

2．3 在涪陵頁巖氣田的試驗應用

涪陵頁巖氣田是我國第一個投入商業(yè)開發(fā)的大型頁巖氣田，主要采用叢式井平臺長水平段水平井開發(fā)［7］。該區(qū)塊水平井在二開311.2 mm井眼開始定向至井斜50°左右，三開采用215.9 mm井眼定向鉆進。定向井段軟硬地層交錯、夾層多、巖性變化大，定向、復合鉆造斜率變化大，三維井定向井段和水平段進尺占全井總進尺的70%以上。由于三維井偏移距大，造成311.2 mm井眼穩(wěn)斜段長、扭方位工作量大，二開后期摩阻扭矩大，定向施工困難;另外由于標志層、目的層及地層傾角不明確，并且要穿越2個不同層位，長水平段的軌跡控制難度大。針對上述定向難題，現(xiàn)場試驗應用水力振蕩器，有效解決了摩阻大、托壓嚴重等問題，試驗井鉆井速度都有了較大幅度提高。

焦頁42平臺是部署在川東南涪陵焦石壩區(qū)塊的頁巖氣開發(fā)井組，203和172 mm AG－Itator水力振蕩器在焦頁42－1HF、焦頁42－2HF兩口井的二開和三開定向段進行了試驗應用。使用AG－Itator水力振蕩器后，機械鉆速得到了明顯提高。焦頁42－2HF的二開定向段平均機械鉆速達到8.73 m/h，較 2013年同期施工井的 3.15 m/h提高了177.14%，較2014年同期施工井的6.93 m/h提高了27.42%;焦頁42－1HF的三開定向段平均機械鉆速達到10.79 m/h，較2013年同期施工井的3.29 m/h提高了227.96%，較2014年同期施工井的6.70 m/h提高了61.04%;三開水平段平均機械鉆速達到21.54 m/h，較2013年同期施工井的6.19 m/h提高了247.98%，較2014年同期施工井的11.53 m/h提高了86.82%(見表2)。

表2 AG－Itator水力振蕩器在焦頁42平臺的現(xiàn)場應用效果

2．4 水力振蕩器現(xiàn)場使用中的注意事項

(1)水力振蕩器井下安放位置要考慮井下定向儀器抗振性能，軸向振動能量過高易造成井下定向儀器故障導致無信號。在某井試驗中，由于水力振蕩器距離鉆頭位置較近(不足200 m)，先后兩次入井均在使用較短時間后造成儀器內(nèi)部連接部件故障后儀器無信號［8］。

(2)水力振蕩器在高密度鉆井液條件下應用，要合理選擇振蕩閥組，避免因設備能力限制導致工具潛力不能正常發(fā)揮。在某井試驗中，受設備及鉆井液密度高的影響，排量較小，也取得了一定的應用效果，但若采用更高的排量，有望獲得更好的試驗效果。

(3)在長水平段水平井中使用水力振蕩器，若鉆井設備條件許可，基于水力振蕩器的工作原理及性能，可在鉆具組合上串接2個振蕩器，以進一步提升大位移井和長水平段水平井長度的延伸能力。

3 結論

(1)AG－Itator水力振蕩器采用螺桿馬達驅動振蕩閥組近線性前后掃動，改變工具過流面積產(chǎn)生壓力脈沖，驅動振動系統(tǒng)產(chǎn)生軸向溫和振動，帶動鉆具軸向振動，可有效降低鉆具與井壁之間的滑移摩阻。

(2)AG－Itator水力振蕩器具有減小托壓效應、減少鉆頭損壞、減少粘卡現(xiàn)象發(fā)生等優(yōu)異性能，并且可與大多數(shù)MWD配合使用。

(3)根據(jù)在蘇里格氣田、塔里木油田和涪陵頁巖氣田的試驗應用數(shù)據(jù)分析，AG－Itator水力振蕩器應用效果明顯，機械鉆速得到顯著提高，是提高大位移井、長水平段水平井鉆井延伸能力的有效手段。

(4)建議在復雜結構水平井中推廣應用，并加快水力振蕩器國產(chǎn)化，同時深入開展施工工藝技術研究。

［1］ 易先中，等．復雜結構井中鉆柱托壓效應的研究進展［J］．石油機械，2013，41(5):100 －104．

［3］ 丁培積，等．水平井水力加壓工具及其應用［J］．石油鉆探技術，1995，23(3):41 －43．

［5］ 胥豪，等．水力振蕩器在新場氣田新沙21－28H井的應用［J］．天然氣工業(yè)，2013，33(3):64 －67．

［6］ 周洪林，等．中古5－2H井井眼軌跡控制研究［J］．石油鉆采工藝，2014，36(4):38 －42．

［7］ 王坤，等．涪陵焦石壩地區(qū)水力振蕩器在頁巖氣井應用評價［J］．遼寧化工，2014，43(12):1579 －1581．

［8］ 石崇東，等．水力振蕩器在蘇36－8－18H井的應用［J］．石油機械，2012，40(3):35 －38．