典型振动减阻工具研究进展及展望

王建龙，祝钰明，柳 鹤，刘 轩，郑 锋，韩自立，吴墨染

（1.中石油集团渤海钻探工程技术研究院，天津 300450；2.中石油集团青海油田分公司，甘肃敦煌 736202；3.中石油集团渤海钻探国际钻采物资供应分公司，天津 300450；4.中石油集团渤海钻探第四钻井分公司，河北任丘 062550）

随着水平井、大斜度井、大位移井等复杂结构井裸眼段的延伸、井斜角的增大，钻柱与井壁之间摩阻不断增加，当增加到一定程度时就会出现托压，导致无法有效施加钻压，影响定向效率和机械钻速，甚至诱发粘卡等井下事故[1-5]。针对定向托压问题，国外相继研发了不同种类的水力振荡减阻工具，现场应用效果良好。目前，应用效果比较好、规模比较大的振动减阻工具有多种，结构、特点各不相同。因此，本文从结构、原理、优缺点等方面系统分析了三种典型振动减阻工具的研究现状，提出了后续发展建议，为国内同类型工具的的研究提供参考依据。

1 研究进展

目前，国内外典型振动减阻工具有偏心螺杆式水力振荡器、同心螺杆式水力振荡器、射流式水力振荡器等三种。其中偏心螺杆式水力振荡器以美国国民油井公司（NOV）最为典型，同心螺杆式水力振荡器以加拿大井星公司（WellStar）最为典型，射流式水力振荡器以中石油渤海钻探公司最为典型。下面着重分析这三种工具的结构、原理和优缺点等。

1.1 偏心螺杆式水力振荡器

偏心螺杆式水力振荡器是研究最早、应用规模最大的振动减阻工具，该工具以单头螺杆为旋转动力，以偏心阀为截流载体。该工具主要由振荡部分、动力部分、阀轴部分等组成（如图1所示）。该工具的动力部分主要由1:2单头螺杆马达组成；阀轴部分主要由动阀盘和定阀盘组成，其中动阀盘为偏心阀，定阀盘为同心阀。该工具是通过转子旋转带动偏心阀门旋转，产生间歇性截流，在振荡部分形成周期性压力波动释放，从而实现整个工具规律的轴向振动[5-8]。

该工具优缺点：①结构简单，缓解定向托压效果明显，目前在国内外应用数量最为广泛；②单头螺杆转动 的稳定性略差，且转速高，橡胶定子磨损速率快，影响工具整体寿命；③橡胶材质的螺杆定子在深井高温深井中应用使用受限，耐温极限150℃，限制了其在深部高温地层中的应用；④橡胶定子在油基泥浆环境下适应性减弱，寿命较水基钻井液环境大幅缩短，限制了其在页岩气水平井等油基钻井液中的规模化应用。

目前，NOV 偏心螺杆式水力振荡器有6 种系列尺寸工具（表1 所示），振动频率12～26Hz，适用温度150℃、工作压差3.1～4.8MPa，工具寿命200h以上。

表1 NOV水力振荡器性能参数表

1.2 同心螺杆式水力振荡器

同心螺杆式水力振荡器是近几年新研发的振动减阻工具，以多头螺杆为旋转动力，以同心盘阀为截流载体。主要由振荡短节、压力吸收装置、驱动总成、旋转阀门系统等4部分组成，如图2所示。其中驱动总成由5:6多头螺杆马达提供启动阀盘旋转的动力；旋转阀门系统由同心动阀和定阀组成。当钻井液流经工具时，带动内部转子转动，转子带动动阀转动，产生高频振动，间歇性截流，在振荡部分形成周期性压力波动释放，从而实现整个工具规律的轴向振动。

该工具优缺点：①压降低，减少设备负载；②利用多头马达提供动力，稳定性好，工具持续稳定工作时间长；③多头马达和同心阀盘配合，转速低，定子橡胶磨损率低，延长了工具的寿命；④橡胶材质的螺杆定子在深井高温深井中应用使用受限，耐温极限150℃，限制了其在深部高温地层中的应用；⑤在油基泥浆环境下适应性减弱，寿命较水基钻井液环境大幅缩短，限制了其在页岩气等油基钻井液中规模化应用。

目前Wellstar水力振荡器有3种系列尺寸工具（表2所示），振动频率7～15Hz，适用温度150℃、工作压差2.0～3.8MPa，工具寿命300h以上。

表2 Wellstar 水力振荡器性能参数表

1.3 射流式水力振荡器

射流式水力振荡器是以射流元件为驱动动力，整套工具无密封元件。该工具由脉冲短节和振荡短节组成，脉冲短节主要由射流元件、节流杆和节流盘等组成，振荡短节主要由碟簧组、芯轴和活塞等组成（图3）。钻井液通过脉冲短节的射流元件产生附壁作用（图3），并在元件中的流动不断换向，推动节流杆做往复运动，在节流盘处产生截流压力脉冲。压力脉冲向上作用在活塞上，带动芯轴压缩碟簧；当这个压力释放后，芯轴在碟簧作用下返回到原来的位置。压力脉冲可以使振荡短节不断重复上述动作，从而使管柱在自身轴线方向上往复运动。

该工具优缺点：①以射流元件为驱动动力，压降低，减少设备负载；②全金属结构，耐温性达到180℃，在深部高温地层中的适应性较强；③全金属结构，耐油基钻井液，在页岩气水平井等油基钻井液中适应性强，寿命高；④对钻井液固相要求高，含砂过高对射流元件冲蚀严重，影响射流元件寿命；⑤对钻井液清洁程度要求高，杂质过多容易堵塞射流元件，引起循环系统憋压或工具无法正常工作。

目前中石油渤海钻探射流式水力振荡器有3 种系列尺寸工具（表3 所示），振动频率8～12Hz，适用温度180℃、工作压差1.5～4.0MPa，工具寿命150h以上。

表3 渤海钻探射流式水力振荡器性能参数

2 技术研究重点和展望

2.1 提高工具寿命

（1）工作状态可控的工具研发。目前国内外的水力振荡器入井之后，只要入井开泵，始终处于工作状态，无法在地面控制工具的启停。当复合钻进时，工具的振动基本是在做无用功，既增加了地面设备的负载，又降低了工具的寿命。工具后续更新换代过程中，建议设计地面可控的水力振荡器，当滑动钻进时让工具处于工作状态，当复合钻进时让工具处于休眠状态，降低设备负载，延长工具寿命。

（2）材质优选，提高阀盘寿命。大量的应用效果表明，盘阀是影响螺杆式水力振荡器寿命和效果的主要部件，无论是偏心盘阀，还是同心盘阀，都是采用硬质合金材料。由于动盘阀与定盘阀以600～1200r/min的相对运动高速旋转，随着工作时间的增加，因接触磨损导致动盘阀和定盘阀间的接触密封效果减弱，从而使产生的压力脉冲值逐渐衰减，缓解定向托压效果逐渐减弱。因此，后续设计中，需要优选盘阀的材质，提高耐磨性，提高寿命，保证工具密封正常，减缓振荡力衰减。

2.2 提高减阻效果

每一种振动减阻工具都有其适用性，水力振荡器只能缓解因摩阻增加导致的托压问题，对于裸眼段长、井斜角增大的井段，需要集成2种或多种工具共同提高减阻效果。

（1）水力振荡器+井眼清洁工具。对于井斜角超过65°的大斜度井，可以采用水力振荡器与井眼清洁工具集成降低摩阻。水力振荡器与井眼清洁工具集成缓解托压技术，主要是从两个角度降低摩阻：一是，利用井眼清洁工具破坏井斜角大于45°井段的岩屑床，减少钻柱与井壁的接触面积，降低摩阻；另一方面，利用水力振荡器产生的轴向震动，实现钻柱与井壁间的摩阻由静摩阻向动摩阻的转化，从而降低摩阻。实钻数据表明，两者共同作用，可以使大斜度井滑动摩阻降低40%～55%。

（2）水力振荡器+水力加压器。对于裸眼段长、摩阻较高，施加钻压非常困难的井，可以采用水力振荡器与水力加压器集成降低摩阻，为钻头施加有效钻压。该集成应用技术可以实现三个目的：利用水力振荡器降低滑动钻进钻柱与井壁间的摩阻，缓解滑动钻进托压，提高滑动钻进行程钻速；利用水力加压器，当摩阻增加到一定值，小幅托压释放时稳定工具面，同时滑动钻进时钻头获得足够的稳定钻压，提高滑动钻进机械钻速。

（3）水力振荡器+振荡螺杆。对于水平段钻井过程中，由于裸眼段长、井斜角大，摩阻高，调整井斜角难度非常大的井，可以采用水力振荡器与振荡螺杆集成降低摩阻。利用水力振荡器降低长裸眼段钻柱与井壁之间的摩阻，利用振荡螺杆降低近钻头由于大尺寸稳定器等造成的托压问题。

3 结论及建议

（1）螺杆式水力振荡器都属于远钻头轴向振动减阻工具，能够产生高频轴向振动，能够有效降低钻柱与井壁间的摩阻，提高定向效率和机械钻速。但是，由于定子橡胶材质的影响，耐温和耐油型受限。

（2）射流式水力振荡器整机无橡胶件，耐温和耐油性能高，适合在高温井、油基钻井液环境中应用，弥补了螺杆式水力振荡器在这一领域的短板。但是，这种类型工具对泥浆的固相含量、清洁程度要求比较高，现场应用过程中需要提高加强固控设备的使用。

（3）为了降低地面钻井设备的负载，提高工具的工作寿命，建议开展地面可控的水力振荡器研究，当需要工具工作时打开，当不需要工具工作时让工具处于休眠状态。