李大彬，蔣洪亮，錢偉強(qiáng)，錢德松，邱 睿

(1.中石化 石油機(jī)械股份有限公司研究院，武漢430223；2.中石化 石油機(jī)械裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430223； 3.中石化 江鉆石油機(jī)械有限公司，武漢 430223)

近年來，陜北地區(qū)開始大規(guī)模開采天然氣。根據(jù)天然氣儲(chǔ)層特征，鉆探井位以大斜度井、水平井為主，以提高單井產(chǎn)量。在井斜較大的井段鉆進(jìn)過程中，尤其在滑動(dòng)鉆進(jìn)、定向作業(yè)時(shí)，鉆柱托壓現(xiàn)象嚴(yán)重，鉆壓難以高效傳遞至井底，導(dǎo)致機(jī)械鉆速大幅降低，甚至出現(xiàn)了粘卡現(xiàn)象，成為影響該地區(qū)鉆井提速，實(shí)現(xiàn)降本提效的主要因素[1-3]。

1 水力振蕩器特點(diǎn)及改進(jìn)

1.1 水力振蕩器

水力振蕩器將流經(jīng)鉆井液的液體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為鉆柱往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，進(jìn)而帶動(dòng)相鄰鉆具實(shí)現(xiàn)同步軸向往復(fù)振動(dòng)，將鉆柱與井壁間的靜摩擦轉(zhuǎn)為動(dòng)摩擦，降低摩擦阻力。其主要特點(diǎn)為：①帶動(dòng)BHA軸向振動(dòng)，減小摩阻，改善鉆壓傳遞；②提升地面對(duì)定向工具面的控制力；③與各種LWD/MWD系統(tǒng)兼容；④提高機(jī)械鉆速，降低鉆井成本[4-5]。

1.2 水力振蕩器主要類型及優(yōu)缺點(diǎn)

目前應(yīng)用較多的水力振蕩器根據(jù)動(dòng)力短節(jié)作用方式不同，主要分為螺桿式水力振蕩器、金屬渦輪式水力振蕩器和射流式水力振蕩器[4-5]。螺桿式水力振蕩器以NOV的AGitator為主要代表，其耐污能力強(qiáng)，但壓耗較高[4-7]；金屬渦輪式水力振蕩器以達(dá)坦公司產(chǎn)品為主要代表，其壓耗較低，耐高溫，但耐污能力較弱[4-5]。射流式水力振蕩器主要有渤海鉆探工程技術(shù)研究院研制的BH-HVT型水力振蕩器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耐高溫能力強(qiáng)，但輸出力較小，耐沖蝕性較差，水力結(jié)構(gòu)易損壞[8-9]。

1.3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)及參數(shù)優(yōu)化

針對(duì)現(xiàn)有水力振蕩器存在的上述問題，通過以下2方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)及參數(shù)優(yōu)化：①采用穩(wěn)定性好、耐污能力強(qiáng)的螺桿式動(dòng)力短節(jié)，對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行仿真計(jì)算+室內(nèi)試驗(yàn)，理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行動(dòng)、靜閥盤結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化，降低工具的作業(yè)壓耗；②在振蕩短節(jié)上增加功率放大機(jī)構(gòu)，以提高水力振蕩器的輸出載荷，如圖1所示。

改進(jìn)后的水力振蕩器既能實(shí)現(xiàn)低壓耗，更安全，解決使用水力振蕩器循環(huán)系統(tǒng)壓力過高的問題，又能保證較大的輸出功率，提升工具使用效果[10-11]。

a 低壓耗動(dòng)力短節(jié)的動(dòng)、靜閥盤

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[12-17]

2.1 井位基本情況

YB536-H02井是延長(zhǎng)石油在延133區(qū)塊布置的1口水平井，位于陜西省延安市寶塔區(qū)馮莊鄉(xiāng)窯子溝村，設(shè)計(jì)井深4 346 m，垂深3 012.26 m。該井采用四開四完井身結(jié)構(gòu)，目的為開采山西組山23砂體層位的天然氣儲(chǔ)量，并評(píng)價(jià)石盒子組和山西組山1的儲(chǔ)層，完鉆層位為山西組山23砂體。

YB536-H02井身結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 YB536-H02井井身結(jié)構(gòu)

該井鉆井設(shè)計(jì)中，在三開造斜段采用水基鉆井液，鉆經(jīng)地層有石千峰、石盒子，鉆至山西組儲(chǔ)層著陸，從井深2 401 m鉆進(jìn)至3 346 m，井斜從0°增至90°。計(jì)劃分兩趟鉆完成施工，第一趟鉆將井斜從0°增至50°，第二趟從50°增斜至90°。造斜段井斜角要求實(shí)際偏差控制在3°范圍以內(nèi)，同時(shí)最大全角變化率不大于6(°)/30m。

該井造斜段鉆進(jìn)過程大鉤載荷與鉆井深度變化關(guān)系模擬如圖3所示。由圖3可知，無論是旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)還是滑動(dòng)鉆進(jìn)，隨著造斜段井深增加，鉤載與井深呈非線性變化，摩阻越來越大。約3 000 m以后，鉤載隨井深增加而減小，說明井眼摩阻增幅越來越大；特別是滑動(dòng)鉆進(jìn)摩阻增加更為顯著(如圖3a)，過大摩阻會(huì)導(dǎo)致鉆壓無法有效傳遞至鉆頭，甚至造成嚴(yán)重托壓?jiǎn)栴}。井隊(duì)計(jì)劃第二趟鉆使用國(guó)產(chǎn)新型的172型水力振蕩器解決鉆壓傳遞及托壓?jiǎn)栴}。

a 滑動(dòng)鉆進(jìn) b 旋轉(zhuǎn)鉆井

2.2 鉆具組合及工具測(cè)試

本趟鉆入井鉆具組合為：?215.9 mm PDC鉆頭+?172 mm×1.5°螺桿+4A11×410轉(zhuǎn)換接頭+浮閥+坐鍵接頭+411×520轉(zhuǎn)換接頭+LWD+521×410+?172 mm無磁鉆鋌+限流短接+?127 mm加重鉆桿×3根+?127 mm鉆桿×13根+?172 mm水力振蕩器+?127 mm鉆桿×62根+?127 mm加重鉆桿×18根+?127 mm鉆桿。水力振蕩器安放位置距離井底179.72 m。

入井前對(duì)水力振蕩器進(jìn)行井口測(cè)試，工具運(yùn)行正常，測(cè)試參數(shù)如表1所示。

表1 水力振蕩器井口測(cè)試參數(shù)

測(cè)試結(jié)果為：壓耗2 MPa；振幅5～10 mm，頻率約10～15 Hz。

壓耗2 MPa，相比在類似工況下NOV水力振蕩器4.1～4.8 MPa的壓耗[5]，或BH-HVT型水力振蕩器3.5～6.0 MPa的壓耗[9]，國(guó)產(chǎn)新型水力振蕩器壓耗更低，對(duì)循環(huán)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)更小，更安全。振幅5～10 mm，頻率約10～15 Hz，震蕩效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.3 使用前后對(duì)比

本趟鉆施工作業(yè)135 h，井深從2 935 m鉆至3 326 m，提前20 m中完。鉆頭純鉆時(shí)間51.98 h，總進(jìn)尺390 m，滑動(dòng)鉆進(jìn)70.77 m，滑動(dòng)純鉆時(shí)間為20.88 h。三開第一趟鉆鉆頭純鉆時(shí)間85.55 h，總進(jìn)尺535 m，滑動(dòng)鉆進(jìn)111 m，滑動(dòng)純鉆時(shí)間47.16 h。

應(yīng)用該工具后，定向托壓得到明顯緩解，鉆壓能夠順利傳遞至鉆頭，機(jī)械鉆速提升明顯。同時(shí)MDW儀器信號(hào)正常，未受到水力振蕩器振蕩頻率的影響。三開兩趟鉆滑動(dòng)鉆進(jìn)機(jī)速與平均機(jī)速，如圖4所示。由圖4可知，使用水力振蕩器的第二趟鉆在井斜更大，摩阻更大的情況下，滑動(dòng)機(jī)速提高44%，平均機(jī)速提高20%。

2.4 與鄰井對(duì)比

YB046-H03井與YB536-H02井相鄰，2口井位無論在鉆井設(shè)計(jì)，還是鉆機(jī)、鉆頭、螺桿等鉆井設(shè)備都無明顯改變。YB046-H03井三開第二趟鉆實(shí)際施工從3 151 m鉆至3 501 m，井斜同樣由50°增加至90°，但未使用水力振蕩器。YB046-H03井鉆進(jìn)過程中，頻繁出現(xiàn)定向托壓或鉆壓無法有效傳遞，有時(shí)甚至發(fā)生鉆壓突然釋放損傷鉆頭等井下工具或憋泵等問題。在該井三開第二趟鉆鉆頭純鉆時(shí)間60.57 h，總進(jìn)尺350 m，滑動(dòng)鉆進(jìn)80 m，滑動(dòng)純鉆時(shí)間26.59 h。2口井三開第二趟鉆鉆井機(jī)械鉆速如圖5所示。由圖5可知，帶水力振蕩器的YB536-H02井與不帶水力振蕩器的YB046-H03井相比，滑動(dòng)機(jī)械鉆速提高13%，平均機(jī)械鉆速提高30%。

圖4 YB536-H02井水力振蕩器使用前后機(jī)械鉆速對(duì)比

圖5 YB536-H02井與YB046-H03井機(jī)械鉆速對(duì)比

3 結(jié)論

1) 在陜北YB536-H02井，將國(guó)產(chǎn)新型水力振蕩器加入鉆具組合，在保持正常輸出力情況下，相對(duì)其他類型水力振蕩器，在類似工況下國(guó)產(chǎn)新型水力振蕩器壓耗更低，使循環(huán)系統(tǒng)的主要設(shè)備的壓力更小，鉆井更安全。

2) 國(guó)產(chǎn)新型水力振蕩器在定向水平井鉆進(jìn)過程中，特別是滑動(dòng)鉆進(jìn)，能夠提高鉆井效率。應(yīng)用該工具后，定向托壓得到明顯緩解，鉆壓能夠順利傳遞至鉆頭。通過YB536-H02井兩趟鉆對(duì)比，帶水力振蕩器比不帶水力振蕩器的滑動(dòng)機(jī)械鉆速提高44%，平均機(jī)械鉆速提高20%。通過與鄰井對(duì)比，帶水力振蕩器比不帶水力振蕩器的滑動(dòng)機(jī)械鉆速提高13%，平均機(jī)械鉆速提高30%，機(jī)械鉆速提升明顯。

3) 國(guó)產(chǎn)新型水力振蕩器振蕩柔和，兼容性好。未對(duì)動(dòng)力鉆具、鉆頭等井下工具的使用造成負(fù)面影響，振蕩頻率也未干擾定向儀器信號(hào)，同時(shí)可降低因鉆具突然釋放引起瞬時(shí)鉆壓過大而損傷井下工具或憋泵的風(fēng)險(xiǎn)。