孫慶春，郭寶林，趙利鋒

(1．西安石油大學石油工程學院，陜西 西安710065;2．中石化華北石油工程有限公司五普鉆井分公司，河南 新鄉(xiāng)437000;3．中國石油集團西部鉆探工程有限公司定向井技術服務公司 ，新疆烏魯木齊830026)

0 引言

鉆井過程中，鉆具貼合下井壁會產生摩擦阻力，摩擦阻力貫穿于整個鉆井作業(yè)中。其中旋轉鉆進中摩擦阻力會讓鉆柱所承受的扭矩是所有工況下的最大值，甚至會出現(xiàn)鉆柱強度不夠而導致鉆具斷裂。而滑動鉆進會產生軸向摩阻，一旦軸向摩阻大到完全平衡掉上部鉆柱重力在軸向上的分量［1－2］，鉆頭便難以得到鉆壓，鉆頭無鉆壓將無法鉆進，產生“托壓”現(xiàn)象［3］。這樣不但會嚴重影響了水平井的鉆井效率，也容易引起壓差卡鉆等井下故障。為此相關研究人員做了多種嘗試。其中優(yōu)化井眼軌跡、在鉆井液中加入潤滑劑和使用滾動扶正器等方法可以有效地降低摩擦阻力，同樣的使用水力振蕩器，利用機械振動將鉆具與井壁之間的靜摩擦力轉化為動摩擦力以降低摩擦阻力，為我們水平鉆進提供了一個新思路。

1 滑動鉆進中摩擦阻力影響機械鉆速的機理

在斜井的鉆井施工中，無法保證給鉆頭施加真實有效的鉆壓是水平段鉆進中面對的主要問題之一，目前這已成為影響全井平均機械鉆速及鉆井周期的主要因素。原因是在斜井段鉆進過程中，鉆柱重力在垂直于井壁方向的分力N會產生摩擦阻力，從而導致鉆壓不能完全有效地施加于鉆頭之上。由摩擦力公式:

F=μN

可知，摩擦阻力取決于摩擦系數(shù)μ和正壓力N，正壓力N越大鉆具在井壁上的摩阻力F越大，因此在摩擦系數(shù)不變的情況下，井斜越大或者斜井段鉆具越重，摩擦阻力越大。另一方面由于鉆柱本身的重力以及摩擦力影響，鉆柱在受壓時可能發(fā)生不同形式的彎曲，也稱為屈曲。屈曲的鉆柱在很大程度上增加了鉆柱與井壁之間的接觸力，從而使摩阻扭矩增大。屈曲行為越嚴重，鉆柱與井壁的壓力越大，從而造成摩阻與扭矩的急劇增大。使鉆頭不能獲得有效鉆壓，降低鉆井機械鉆速并縮短水平井水平段的極限長度［4］。

在滑動鉆進施工中，施加在鉆頭上的真實鉆壓T=指重表上大鉤載荷的減小值t－鉆柱與井壁之間的摩擦力F。

當 t＜F靜時，T=t－F靜=0，鉆頭靜止不動，鉆具壓縮，鉆壓T以鉆柱彈性能量的形式積聚起來;這時司鉆人員需要持續(xù)加壓使鉆壓傳遞到鉆頭上。

當 t=F靜時，T=t－F靜=0。

若繼續(xù)加壓，則 t＞F靜，T=t－F靜＞0，鉆柱彈性能量瞬間釋放，鉆柱突然下滑，鉆具與井壁發(fā)生相對運動，靜摩擦力向動摩擦力轉化，摩擦阻力F迅速減小。

雖然靜摩擦力與動摩擦力之間的比例關系與其材料有關，一般來說動摩擦力是最大靜摩擦力的75%［5］。

這時，T=t－F動=t－0.75F靜＞0.25F靜。

這時鉆頭突然撞擊井底，甚至出現(xiàn)頓鉆、憋泵和憋馬達等不正?，F(xiàn)象，嚴重時損壞鉆頭和井下動力鉆具，這種鉆柱彈性能力突然釋放的現(xiàn)象稱為鉆柱“蛙動”［6］。托壓瞬間釋放，憋泵和憋馬達后，工具面往往會不穩(wěn)定。一旦出現(xiàn)工具面不穩(wěn)定就需要上提活動鉆具，重新擺工具面，而在托壓環(huán)境中擺工具面需要花費大量時間，托壓嚴重時每次擺工具面所需時間30～60 min。一方面，托壓勢必會降低機械鉆速，延長了滑動鉆進的時間，工具面不穩(wěn)定不但耽誤時間又會降低造斜效率，從而增加滑動鉆進段的長度和比例;另一方面，頻繁的憋泵、憋馬達會降低螺桿和鉆頭的使用時間和使用效率。

2 水力振蕩器組成及作用機理

在使用水力振蕩器后，鉆井液的動能轉化為機械能，使鉆柱產生3～10 mm左右的軸向蠕動，這種蠕動使井底鉆具組合與井壁處于動摩擦狀態(tài)，通過鉆具傳遞給鉆頭，形成周期性連續(xù)柔和變化的鉆壓［7］。由本文上述討論可知這樣可以減少1/4的摩擦阻力。這樣可以降低鉆具的屈曲效應，降低摩阻和扭矩，提高滑動鉆進中鉆壓傳遞效率，提高滑動鉆進中的機械鉆速。

National Oilwell Varco公司生產出一種水力振蕩器可以有效地實現(xiàn)靜摩擦力向動摩擦力的轉化，該水力振蕩器主要有動力短節(jié)、盤閥短節(jié)和振蕩短節(jié)3部分組成(見圖1)。

圖1 National Oilwell Varco公司生產的水力振蕩器結構

當鉆井液通過動力短節(jié)時便會驅動轉子擺動，轉子往復擺動帶動動閥在平面做來回運動，與定閥的中心孔周期性重合與分開，引起過流面積的變化，從而產生壓力脈沖。當鉆井液受到周期性的限制時，就會產生沿鉆柱上傳的壓力脈沖。振蕩短節(jié)內部的蝶形彈簧吸收及釋放沖擊能量來實現(xiàn)振蕩短節(jié)軸向上、下振蕩，從而實現(xiàn)水力脈沖轉化為軸向震動的機械能。當每個脈沖通過振蕩短節(jié)后，其恢復到原來的狀態(tài)。每次脈沖會產生3～10 mm的振幅和一定的軸向力［8］。足以將靜摩擦力轉化為動摩擦力。水力振蕩器會產生4.5 MPa左右的壓降，因為軸向力和軸向移動距離都不大，水力振蕩器在工作期間不會對其他井下工具產生不利影響。其參數(shù)規(guī)格參見表1。

表1 National Oilwell Varco水力振蕩器工具參數(shù)

3 水力振蕩器現(xiàn)場使用效果與注意事項

2011年5月，川慶鉆探50672井隊在蘇里格氣田鄂爾多斯盆地伊陜斜坡蘇5區(qū)塊蘇5－3－16H1井使用National Oilwell Varco公司水力振蕩器滑動機械鉆速提高100%。并創(chuàng)造了當時國內陸上油田最長水平段2606 m。同區(qū)塊的蘇76－1－20H井水平段進尺2856 m，刷新了國內陸上最長水平段記錄。同時與未使用水力振蕩器相比機械鉆速提高了129%。

大慶油田大165－102－平106井在斜井段和水平段使用水力振蕩器，從井深1580 m鉆至1796 m，井斜從45°造斜至89°，進尺216 m，純鉆時30 h，平均鉆速7.2 m/h。其中累計定向進尺173 m，平均定向鉆速7.0 m/h;累計復合進尺43 m，平均復合鉆速8.4 m/h。與臨井大165－98－平106井同井段同型號鉆頭未使用水力振蕩器相比定向鉆進機械鉆速提高了59%。

在榆37－2H井使用中有效地改善了鉆井過程中鉆壓傳遞效果并提高了滑動鉆速。在上趟鉆未使用水力振蕩器時，托壓現(xiàn)象嚴重，工具面難以調整，機械鉆速較低，使用水力振蕩器之后平均滑動機械鉆速由1.94 m/h提高到了2.87 m/h，提高幅度達到47.94%。

2013年2月8日22:30玉門鴨K1－7井組裝水力振蕩器，鉆具組合:216 mm M1665SSD型鉆頭+172 mm螺桿+165 mm回壓閥+165 mm懸掛短節(jié)+165 mm無磁鉆鋌×1根+165 mm鉆鋌×5 根 +6in(171 mm)力振蕩器 +6in(171 mm)振蕩短節(jié)(距鉆頭約66 m)+165 mm鉆鋌×4根+127 mm加重鉆桿×6根+165 mm隨鉆震擊器+127 mm加重鉆桿×3根+127 mm鉆桿。

使用井段2645.39～2835 m，累計進尺189.61 m，純鉆時111.3 h，綜合平均機械鉆速1.7 m/h。其中定向進尺118.88 m，定向鉆進時間93.2 h，平均定向機械鉆速1.28 m/h;復合進尺70.73 m，復合鉆進時間18.1 h，復合平均機械鉆速3.9 m/h。全部為造斜鉆進，井斜從6.59°增到22°(預計井底)。所鉆地層白楊河組E3b、中溝組K1z和下溝組K1g，棕紅色泥巖。

對比本井上部沒用水力振蕩器的相鄰井段:2540～2645.39 m，累計進尺 105.39 m，純鉆時52.67 h，綜合平均機械鉆速1.99 m/h。其中定向進尺45.69 m，定向時間37.49 h，平均定向機械鉆速1.21 m/h;復合進尺59.7 m，復合時間15.18 h，復合平均機械鉆速3.9 m/h。井斜從3.0°增到6.59°。所鉆地層白楊河組E3b，棕紅色泥巖。

使用水力振蕩器后，在井斜增大和地層變硬的情況下，在定向進尺翻一倍的情況下，平均定向機械鉆速略有提高，從1.21 m/h提高到1.28 m/h。對解決大井斜的定向托壓和鉆具粘附稍有改善。

4 總結與建議

(1)水力振蕩器通過把靜摩擦力轉化為動摩擦力的方式來降低摩擦阻力是有效的，在鉆井施工中可以與常規(guī)做法配合使用，比如加入潤滑劑和短起下鉆等。而且可以通過降低摩阻來減少擺工具面的時間，從而提高純鉆利用率。

(2)在定向鉆井中，井眼狀況十分復雜，實現(xiàn)安全快速鉆進是一個系統(tǒng)工程，在泥漿方面必要的防粘附措施也一定要跟上，應及時添加足夠量的潤滑劑。

(3)水力振蕩器是首次在鴨兒峽鴨K1－7井使用，在考慮還有1000 m非常長的造斜和穩(wěn)斜井段，為了確保其使用效果，其位置安放在距鉆頭約66 m。但是所鉆地層白楊河組和中溝組，主要為棕紅色泥巖，其對鉆鋌的粘附作用非常強。建議在以后使用時，縮短其距鉆頭的安放位置，離鉆頭越近，其振蕩作用越強;或者可以考慮在其上部適當位置再加裝另外一套水力振蕩器，效果會更好。

(4)從水力振蕩器外徑來分析:鉆鋌外徑為165 mm，水力振蕩器的外徑為172 mm，比與其相連接的鉆鋌外徑大7 mm，是否存在支點影響，有待進一步分析研究。以后可考慮選用與鉆鋌外徑相同的水力振蕩器或采用其他過渡方式，消除不良影響。

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