水力振荡器在渤海某油田钻井中的应用

陈清正，聂光辉，侯得景，秦天宝(.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 30045；.中海石油(中国)有限公司蓬勃作业公司，天津 30045)

1 渤海某油田地质情况介绍及井身结构

渤海某油田储层岩性为细、中细、含砾中粗砂岩，岩石学定名为岩屑长石砂岩和长石砂岩，分选中等～较好，磨圆度为次圆～次棱状。根据渤海湾区域沉积研究成果、结合2个油田的生物地层特征、岩心和壁心描述、分析化验资料及测井曲线等各种信息认为，该区明化镇组为曲流河沉积，馆陶组为辫状河沉积，砂体呈北东或近东西向展布。本区目的层段储层单层厚度变化比较大，从不足1.0 m到大于25.0 m，单层厚度小于4.0 m的储层按层数统计所占比例比较高，约68%。砂岩、泥岩层位交互，层间交界面较多。

以G平台G06井为例，采用二开井身结构，表层套管下深508.03 m，二开12-1/4”井眼钻至完钻井深2 354.00 m，裸眼段长度1 845.97 m，下9-5/8”套管。由于裸眼段较长，使用常规马达钻具，深层定向时，托压严重，无法保证滑动效果，而且严重影响机械钻速，滞后整体钻井效率。井身结构数据如表1所示。

表1 G平台类似井井身结构数据

2 水力振荡器结构及工作原理

水力振荡器通过自身产生的纵向振动，改善钻压的传递，减少底部钻具与井眼之间的摩阻，减少扭转振动。这就意味着水力振荡器在解决拖压、防止钻具粘卡和在帮助解决卡钻方面有明显优势，随着水力振动器在渤海油田的使用，使得井下动力马达在井深时的滑动效果提高，并提高了滑动段机械钻速，提升整体钻井效率，实现马达导向钻具在部分井中比旋转导向钻具更有优势，提高了经济效益。

2.1 水力振荡器结构

水力振荡器主要由三部分机械组成部分：(1)振荡短节；(2)动力部分；(3)阀门和轴承系统，如图1所示。

2.2 水力振荡器工作原理

水力振荡器在钻井液流经时， 通过其阀盘组合产生压力脉冲。置于其上的振荡短节在钻井液压力脉冲作用下产生轴向的蠕动， 并带动钻具振动， 从而将钻具与井眼之间的静摩擦转换为动摩擦，降低摩擦力并改善钻压传递提高机械钻速。水力振荡器的动力部分由一个2:1头的马达组成，马达转子的下端固定一个阀片，流体流过动力部分时，驱动心轴转动，由于螺杆的特征，末端会在一个平面上下往复运动(称之为动阀片)。

图1 水力振荡器结构图

与动力部分相连的是阀门和轴承系统，主要连接耐磨套和一个固定的阀片(定阀片)，动阀片和静阀片紧密配合，由于转子的转动导致两个阀片相错或者重合，相错或重合导致上流的压力发生变化，周期性的相对运动造成流体流经工具的截面积周期性的变化，动力部分使上游周期性的压力变化作用在一个弹簧短节上，就形成弹簧短节不断的压在弹簧上，形成振动运动。

水力振荡器阀块压力脉冲示意图，如图2所示。(1)两个阀门最大(完全)重合时，此时流体通过截面积最大，所以通过工具后，产生的压降最小；(2)两个阀门最小重合时，此时流体通过截面积最小，所以通过工具后，产生一个最大的压降；(3)截面积周期性变化，导致上游压力同步的周期变化。

图2 水力振荡器阀块压力脉冲示意图

2.3 水力振荡器工具兼容特性

水力振荡器可以配合所有公司的MWD系统使用，在滑动钻进过程中，减少钻具组合粘卡次数，保证平滑稳定的钻压传递，降低工具面调整频率，提高滑动效果，有效地地提高机械钻速，提升滑动效果，进而增加深井中适用马达钻具的可能性。

(1) MWD、LWD工具的兼容性。①水力振荡器在工作状态是产生振动，不会干扰MWD、LWD工具和系统的信号；②减少横向振动和扭转振动；③钻具组合中，安放水力振荡器位置比较自由，在MWD上下均可；④不会对钻头和钻柱产生振动破坏。

(2)钻头的兼容性。①可以和任何厂家牙轮钻头、PDC钻头配合使用；②产生的振动，不会对钻头切削齿产生破坏，也不会破坏牙轮钻头的轴承；③钻进过程中，持续稳定的施加小钻压，延长PDC钻头的使用寿命。

2.4 渤海某油田应用情况

以渤海某油田G06井为例，本井二开井身结构，二开12-1/4”井眼钻至完钻井深2 354.00 m，裸眼段长度1 845.97 m，最大井斜69.68°。井身结构如图3所示。

图3 PL19-4-G06井井身结构

PL19-3-G06井，属于典型的“S”井型结构，本井在表层即采用预斜模式，表层钻进至508 m，井斜32°，12-1/4”井眼MD 508～909 m井段，持续滑动增斜至69.68°，狗腿度3.0°/30 m;MD 909～1662m井段，稳斜钻进；MD 1662～2047 m井段，滑动降斜至36.48°；MD 2047～2348 m 井段，稳斜钻进至完钻深度。

本井钻具组合：12-1/4”PDC + 9-5/8”Motor(单弯1.15°) +11-3/4”STB + 8”PM + 8”M5 + 8”HOC + 8”Screen Sub + 8”F/V +7-3/4”Drilling Jar + X/O + 5-1/2”HWDP*14+ X/O + 8”水力振荡器；

钻进参数：旋转钻进参数：钻压1-10 T，排量3 700 L/min，泵压14.0～17.5 MPa，转速70 rpm，扭矩8.5-14.5 KN*m；滑动钻进参数：钻压2-12 T，排量3 700 L/min，泵压14.5～18.0 MPa；本井12-1/4”井段，裸眼进尺：1 845.97 m，纯钻时间：41.50 h，平均机械钻速44.48 m/h，而本区块其他井平均机械钻速32.6 m/h，平均提高36%。出井钻头检查，复合金刚石片基本完好，无明显磕痕。

通过几口井对比，明显看出使用水力振荡器后，机械钻速提高明显，有效解决了深部地层，滑动拖压现象，减少滑动过程工具面调整时间。

3 结语

(1)水力振荡器在渤海地区的滑动钻进中，能够有效降低摩阻，改善钻压，提高机械钻速，缩短钻井周期。(2)使用水力振荡器后，提升了马达钻具的使用空间，在渤海2 000 m左右井深，可以部分替代旋转导向钻具，减少起钻更换旋转导向时间，缩短钻井周期，同时降低了钻井成本。(3)水力振荡器可以与常规定向工具及测井仪器匹配使用，将水力振荡器的位置安装正确后，不会对井下仪器、定向钻具的信号传输产生影响。(4)水力振荡器缺点之一是工作压降较大，与马达钻具配合使用时，在钻进至井深时，可能会排量开不起来，进而影响环空返速，不利于携沙等井眼清洁要求。(5)由于水力振荡器在进入工作排量后，震动非常剧烈，在上部浅部地层使用，会对钻井顶驱等设备的零件震松、脱落，长时间剧烈震动也会对设备内部密封产生损坏，建议在井深1 000米之后使用，避免震坏地面设备。