水力振荡器在五段制井中的适应性研究与应用

王建龙，冯强，于志强，柳鹤，张苏

（中国石油集团渤海钻探工程技术研究院，天津300450）

水力振荡器在五段制井中的适应性研究与应用

王建龙，冯强，于志强，柳鹤，张苏

（中国石油集团渤海钻探工程技术研究院，天津300450）

五段制井降斜段或下直段滑动钻进托压严重，滑动钻进困难，滑动效率低。实钻数据表明，水力振荡器在五段制井中缓解托压的效果有好有差。分析认为这与水力振荡器的工作特性、使用的井段等有很大的关系。因此，本文在分析了水力振荡器工作特性的基础上，研究了水力振荡器在五段制井眼中的适应性。现场应用效果表明，水力振荡器有效缓解五段制井降斜段滑动钻进托压问题，但是不能缓解下直段滑动钻进托压问题。本文的研究结果为五段制井合理优选水力振荡器、优化水力振荡器安放位置有重要的意义。

水力振荡器；五段制井；降斜段；下直段；托压

五段制定向井剖面即直-增-稳-降-直[1]。这种剖面的定向井，在降斜段或下直段滑动钻进托压严重，滑动钻进困难，滑动效率低。水力振荡器通过产生轴向振动来降低钻柱与井壁间的摩阻，缓解滑动钻进托压，提高滑动效率[2-4]。现场应用效果表明，水力振荡器在五段制井中缓解托压的效果有好有差。分析认为这与水力振荡器的工作特性、使用的井段等有很大的关系。然而，很少有学者结合水力振荡器的工作特性及五段制井的特点，分析水力振荡器在五段制井中的适应性。因此，研究水力振荡器在五段制井中的适应性，对提高水力振荡器应用效果具有重要意义。

1 水力振荡器工作特性分析

水力振荡器包括两部分：脉冲短节和振荡短节（见图1）。其中，脉冲短节主要由螺杆、定盘阀、动盘阀组成；振荡短节主要由活塞、碟簧组组成[5，6]。

图1 水力振荡器系构示意图

水力振荡器随钻具组合入井之后，振荡短节内的碟簧发生周期性的伸缩运动。碟簧往复运动过程中，受到静载力和动载力的合力（见图2）。

图2 水力振荡器碟簧所受压缩力示意图

碟簧往复运动过程中受到的静载力有下部钻具重力在轴向上的分力Fg、下部钻具与井壁之间产生的摩阻Fμ、钻井液流经盘阀、钻头等节流面积发生变化的部位产生的冲击力Fc。碟簧产生形变量L也是由静形变量L1和动形变量A（也叫振幅）两部分组成。由于在工作状态下，Fg和Fc可以近似看做恒定值。所以，静载荷产生的形变量L1也是不变的，称为静形变量。碟簧压缩储存弹性能量的过程中，受到的动载力为压力波动作用在活塞上产生的推力Ft与下部钻具与井壁之间产生的摩阻Fμ的合力，这部分力产生的碟簧形变量为动形变量A。其中，真正能产生有效振动的是动载力作用下产生的动形变量。

碟簧弹性能量释放过程中，Ft消失，此时由碟簧动形变量产生的弹性能克服下部钻具与井壁的摩阻Fμ，由压缩状态到半伸缩状态。由于碟簧弹性能释放是要消耗能量的，所以当能量释放时，有75%的作用力向下而指向钻头方向，其余25%作用力向上，与钻头背向[7，8]。

假设碟簧组被压并的最小压力为Fmin，最大弹性形变量为Lmax。若Fg+Fc+Ft＜Fmin且Lmax＞L1+A，则碟簧组处于弹性范围；若Fg+Fc+Ft≥Fmin且Lmax≤L1+A，则碟簧组被压并，处于非弹性状态。根据碟簧的工作特性，碟簧在受力状态下，只有在弹性变形范围内才能正常工作。

因此，为保证水力振荡器正常工作，每次入井之前要准确计算Fg、Fμ、Fc及Ft的大小，优化水力振荡器在钻柱中的安放位置。

2 水力振荡器适应性分析

五段制井垂直投影图（见图3）。

图3 模拟井井眼轨道投影示意图

（1）降斜段（降斜始点C-降斜终点D）：降斜段滑动钻进过程中，钻柱与井壁之间的摩阻主要包括增斜段fμ1、稳斜段fμ2和降斜段fμ3。增斜段的钻具轴向拉力的径向分力与重力在轴向的分力方向相反，有助于减小钻具与井壁的摩阻（见图4）；降斜井段的钻具轴向分力与重力在轴向的分力方向相同，会增加钻具与井壁的摩擦阻力。因此，在相同的狗腿度情况下，降斜井段的摩阻fμ3远大于增斜段摩阻fμ1。

图4 钻具在不同斜井段的受力分析

降斜段滑动钻进过程中，应用水力振荡器缓解托压最理想的方法是同时减小fμ1、fμ2和fμ3。但是，若将水力振荡器安放在M-N井段，则Fg+Fc+Ft≥Fmin，碟簧处于被压并状态，无法处于正常工作状态。因此，为保证水力振荡器正常工作，需要将水力振荡器，安放在P-Q井段的合适位置，此时可以降低降斜段及部分稳斜段的摩阻fμ2和fμ3。但是，随着降斜段的延伸，井斜角越来越减小，水力振荡器以下钻柱与井壁间的摩阻越来越小。所以，随着降斜段井斜角的减小、水力振荡器位置的下移，水力振荡器降摩阻的效果会逐渐减弱。

（2）降直段（降斜终点D-井底点E）：下直段调整井斜滑动钻进过程中，钻柱与井壁之间的摩阻同样包括增斜段fμ1、稳斜段fμ2和降斜段fμ3。若将水力振荡器放在M-P井段，则Fg+Fc+Ft≥Fmin，碟簧处于被压并状态，无法正常工作；若水力振荡器安放位置下移至某一位置Fg+Fc+Ft＜Fmin，水力振荡器之下的钻具基本处于小井斜甚至井斜角为0°的井斜，此时水力振荡器以下钻柱与井壁之间的摩阻很小，几乎可以忽略不计。此时水力振荡器虽能正常工作，但基本不能降低钻具与整个井眼的摩阻，所以也不能有效的缓解滑动钻进托压问题。因此，下直段滑动钻进过程中的托压问题，不能利用水力振荡器来缓解。

3 现场应用

为验证水力振荡器在五段制井中的适应性，在试验1井和试验2井中进行了现场试验。

3.1 试验1井

试验1井是一口五段制井，设计井深4 183.51 m，最大井斜角32.91°该井降斜段钻进至3 081 m，滑动钻进出现严重的托压现象，托压值100 kN～150 kN，托压频繁释放，导致工具面不稳定，憋泵现象严重，滑动困难。3 081 m～3 221 m滑动钻进过程中，滑动机械钻速为0.96 m/h。为缓解降斜段托压问题，自3 221 m开始进行水力振荡器测试。

根据水力振荡器工作特性、实钻井眼轨迹、钻具组合，优化水力振荡器安放在距钻头325 m的距离。水力振荡器入井之后，自3 221 m钻进至3 412 m，滑动钻进进尺25 m。

滑动钻进期间，未出现托压现象，工具面稳定，能够连续定向，不需要频繁活动钻具。滑动机械钻速提高到2.42 m/h，比使用之前提高95.5%。由此可以看出，水力振荡器在五段制井降斜段能有效缓解滑动钻进托压问题。

3.2 试验2井

试验2井是一口五段制定向井，设计井深4034.28m，最大井斜角18°。该井降直段钻进至3 300 m，出现井斜，最大井斜角达到3°，为保证中靶，自3 300 m开始定向调整井斜，3 300 m～3 590 m滑动钻进过程中，出现严重的托压问题，托压值最大到250 kN，滑动钻进困难，滑动机械钻速为1.067 m/h。为测试水力振荡器在五段制井下直段的适应性，自3 221 m下入水力振荡器。

根据水力振荡器工作特性、实钻井眼轨迹、钻具组合，优化水力振荡器安放在距钻头302 m的距离。水力振荡器入井之后，自3 590 m钻进至3 838.24 m，滑动钻进进尺57.56 m。

滑动钻进期间，托压现象仍存在，托压值在200 kN以上，滑动仍旧困难，滑动机械钻速1.1 m/h，与使用之前基本一致。由此可以看出，水力振荡器在五段制井降直段缓解托压效果十分有限，即不适合在降直段滑动钻进过程中缓解托压。

4 结论及建议

（1）五段制井眼滑动钻进过程中，降斜段由于钻柱弯曲应力与钻柱重力的分力方向相同，摩阻会大幅增加，造成滑动托压，导致滑动钻进困难。下部降直段调整井斜时，托压现象愈加严重。

（2）水力振荡器碟簧组只有在弹性范围内才能正常工作，所以现场应用需要准确计算Fg、Fμ、Fc及Ft的大小，以便优化水力振荡器的安放位置。

（3）试验1井、试验2井应用效果表明，水力振荡器有效缓解五段制井降斜段滑动钻进托压问题，但是不能缓解下直段滑动钻进托压问题。

［1］徐慧峰，唐兴智，胡丰金.五段制定向井轨迹控制技术实践［J］.石油钻探技术，1994，22（1）：21-24.

［2］李博.水力振荡器的研制与现场试验［J］.石油钻探技术，2014，42（1）：111-113.

［3］王建龙，王丰，张雯琼，等.水力振荡器在复杂结构井中的应用［J］.石油机械，2015，43（4）：54-58.

［4］石崇东，党克军，等.水力振荡器在苏36～8～18H井的应用［J］.石油机械，2012，40（3）：35-38.

［5］胥豪，牛洪波，等.水力振荡器在新场气田新沙21～28H井的应用［J］.天然气工业，2013，33（3）：64-67.

［6］董学成，熊继有，王国华，等.振荡冲击器工作特性研究［J］.机械工程学报，2014，52（21）：197-205.

［7］明瑞卿.水力振荡器提速原理分析与现场试验［J］.石油工业技术监督，2015，（9）：7-9.

［8］张辉，吴仲华，蔡文军.水力振荡器的研制与现场试验［J］.石油机械，2014，42（6）：12-15.

The suitability study and application of hydraulic oscillators in slant well

WANG Jianlong，FENG Qiang，YU Zhiqiang，LIU He，ZHANG Su
（Bohai Drilling Engineering Technology Research Institute，CNPC，Tianjin 300450，China）

Backing pressure severely while sliding drilling in slant well,and the sliding efficiency is low.The drilling results showed that the using of hydraulic oscillator,some wells the effect are well,some wells the effect are not well.Analysts believe that this has a great relationship with operating characteristic and the well section.Therefore,the operating characteristics of hydraulic oscillator was analyzed,the suitability in slant well is studied.The application results showed that hydraulic oscillator can effectively alleviate sliding drilling backing pressure in slant well except lower hold section.The results of this paper reasonably well prepared for the slant well preferably hydraulic oscillator,optimized placement of hydraulic oscillator has an important significance.

hydraulic oscillator；slant well；inclination reduction section；lower hold section；backing pressure

TE927

A

1673-5285（2017）02-0047-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.02.011

2017－01-09

中石油渤海钻探工程有限公司技术应用项目“钻井提速工具优化升级与现场试验”；中石油渤海钻探工程技术研究院科技项目“缓解定向托压配套技术研究”。

王建龙，男（1984－），中国石油集团渤海钻探工程技术研究院助理工程师，主要从事钻井工程设计及技术研究工作，邮箱：383462010@qq.com。