水力振蕩器與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)兼容性分析

董云峰

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)湛江分公司 廣東 湛江 524057

“十四五”以來(lái)，隨著我國(guó)海上能源安全戰(zhàn)略的發(fā)展，大位移井已是海上開(kāi)發(fā)“低、邊、稠”油氣田的重要手段。大位移井通過(guò)單井筒延伸出較長(zhǎng)的水平位移提高油氣藏的開(kāi)發(fā)覆蓋面積，能夠大幅度提高單井產(chǎn)量，提高油氣藏的動(dòng)用系數(shù)降低單井開(kāi)發(fā)成本，提高鉆井平臺(tái)的利用率[1]，還可以減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，實(shí)現(xiàn)油氣開(kāi)發(fā)的可持續(xù)性發(fā)展[2]，已在邊際油田、復(fù)雜油氣藏及非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)中取得了較為顯著的應(yīng)用效果。

近年來(lái)，由于用海矛盾突出，平臺(tái)周邊滾動(dòng)擴(kuò)邊需求增多，受到航路、錨地等影響，海上邊際油田動(dòng)用難度較大、開(kāi)發(fā)受限，逐漸要求海上大位移井的水平位移突破6000米。面對(duì)大位移井開(kāi)發(fā)過(guò)程中常出現(xiàn)的摩阻扭矩大、長(zhǎng)裸眼段鉆具托壓嚴(yán)重、硬地層機(jī)械鉆速慢等瓶頸難題，國(guó)內(nèi)外油田企業(yè)及科研院所逐步開(kāi)拓出高攻擊性鉆頭、高性能鉆井液、高效率提速工具等多項(xiàng)核心技術(shù)提高鉆井時(shí)效及安全性[3]。

水力振蕩器作為一種降摩減阻提速工具，可以通過(guò)壓力脈沖產(chǎn)生軸向振動(dòng)，將靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)摩擦，有效解決大位移井復(fù)合鉆進(jìn)中的托壓?jiǎn)栴}，減少粘附卡鉆并提高機(jī)械鉆速。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)作為目前石油鉆井領(lǐng)域先進(jìn)的井眼軌跡控制技術(shù)，可以使鉆具在旋轉(zhuǎn)鉆井的過(guò)程中按照預(yù)設(shè)井眼軌道實(shí)施鉆進(jìn)[4]。這兩種技術(shù)工具的應(yīng)用對(duì)于大位移井鉆井的時(shí)效提升和定向控制能力提升具有重要意義，但當(dāng)兩種工具同時(shí)應(yīng)用時(shí)，水力振蕩器提供的振動(dòng)沖擊是否會(huì)對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的指向性造成影響，始終被作業(yè)者所擔(dān)憂和質(zhì)疑。本文將對(duì)水力振蕩器及旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀以及兩種工具兼容使用的情況進(jìn)行分析，旨在為大位移井作業(yè)中兩種工具的使用提供參考。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 水力振蕩器

水力振蕩器通常由動(dòng)力部分和振蕩部分組成，動(dòng)力部分主要通過(guò)鉆井液流經(jīng)定子、轉(zhuǎn)子、動(dòng)閥盤(pán)、定閥盤(pán)等部件產(chǎn)生壓力脈沖。振蕩部分主要通過(guò)芯軸、碟簧組、活塞和密封系統(tǒng)等部件產(chǎn)生周期性往復(fù)軸向運(yùn)動(dòng)[5]，將靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)摩擦，實(shí)現(xiàn)鉆具與井壁間降低摩擦阻力，提升井眼延伸能力和機(jī)械鉆速。水力振蕩器主要適用于大位移井、大斜度井的復(fù)合鉆進(jìn)作業(yè)，主要解決托壓?jiǎn)栴}，能夠?qū)Ω墩掣娇ㄣ@以及幫助鉆具解卡。依據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理的不同，主要可分為同心/偏心螺桿式、渦流式、自激式、射流式等幾種水力振蕩器。

目前，水力振蕩器已在陸地及海上油田大位移井、大斜度井及探井中獲得了較為廣泛的應(yīng)用，提速效果明顯，能夠大幅縮短鉆井周期，降低成本。

1.2 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)通常由地面監(jiān)控中心、雙向通信系統(tǒng)、LWD/MWD、導(dǎo)向裝置、控制單元與穩(wěn)定平臺(tái)組成，適用于大位移井、復(fù)雜水平井、大斜度井等造斜及定向鉆井作業(yè)，可以保證井眼軌跡的平滑和連續(xù)性，具有高可靠性、高造斜、高井眼質(zhì)量等特點(diǎn)[6]。國(guó)內(nèi)外各大油田服務(wù)公司近年來(lái)都開(kāi)發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的各類(lèi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)并廣泛應(yīng)用，按其不同的定向原理主要分為推靠式、指向式、混合式三種。

使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的井通常鉆進(jìn)難度較大，井下頻繁的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和粘滑極易導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具、鉆頭及MWD/LWD等隨鉆測(cè)量工具消耗損壞，產(chǎn)生非生產(chǎn)時(shí)間及高昂的維修費(fèi)用。同時(shí)，由于大位移井井眼軌跡的復(fù)雜性，定向段地層鉆井不可避免產(chǎn)生能量損失，使鉆壓難以傳遞至鉆頭，也會(huì)導(dǎo)致鉆井效率偏低。

2 兼容優(yōu)勢(shì)分析

針對(duì)以上問(wèn)題，使用水力振蕩器配合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)使用，可以補(bǔ)足其使用短板，提高旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)整體表現(xiàn)，具體體現(xiàn)在：

降低摩阻損耗，提高定向效率。應(yīng)用水力振蕩器帶動(dòng)井下鉆具產(chǎn)生規(guī)律一致的軸向振蕩運(yùn)動(dòng)，使管柱始終處于可控的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，將管柱與井筒間的靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)摩擦，使旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的定向功能不受到外力影響，改善旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的定向能力，控制井眼軌跡在目標(biāo)范圍內(nèi)，提升軌跡最優(yōu)儲(chǔ)層鉆遇率，即提升井筒生產(chǎn)能力。

有效輸送鉆壓，提高鉆井效率。水力振蕩器提供的動(dòng)力可以大大降低粘滑和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，使鉆柱更加穩(wěn)定，將均勻的鉆壓、平穩(wěn)的扭矩、更高的壓差輸送到位，減小無(wú)效鉆壓需求，以更低的鉆井參數(shù)獲得更高的鉆井效率。

降低鉆具磨損，延長(zhǎng)使用壽命。使用水力振蕩器后，所需鉆壓、轉(zhuǎn)速及壓差參數(shù)降低，工具穩(wěn)定性提高，可以減輕井下不規(guī)律震動(dòng)對(duì)鉆具和井底組件的磨損，延長(zhǎng)井下工具使用壽命和工具失效平均間隔時(shí)間，降低旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)及MWD/LWD等隨鉆測(cè)量工具的失效概率。

鉆井穩(wěn)定可控，提高井筒質(zhì)量。水力振蕩器可以減少HFTO（高頻扭轉(zhuǎn)振動(dòng)），提高旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向及鉆具穩(wěn)定性，使整個(gè)鉆井過(guò)程參數(shù)穩(wěn)定可控。隨著鉆具及參數(shù)的穩(wěn)定，鉆頭處的無(wú)序振動(dòng)得到減輕，使得井筒更加規(guī)則光滑。

降低綜合成本，縮短鉆井周期。在水力振蕩器的帶動(dòng)下，管柱鉆進(jìn)變得更加順暢，可以減少潤(rùn)滑劑的使用成本，也可以降低井下工具部件損壞失效、疲勞監(jiān)測(cè)、等停和維修等成本和時(shí)間，縮短工期。

綜合來(lái)看，水力振蕩器與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)同時(shí)使用，可以將兩種工具的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，消除單獨(dú)使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的常見(jiàn)問(wèn)題，相輔相成，以更低的鉆井參數(shù)獲得更高的鉆井效率，達(dá)到“1+1＞2”的使用效果。

3 作業(yè)案例

3.1 63/4″水力振蕩器+貝克休斯AutoTrak 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)

位于卡塔爾陸地油田的A井使用水力振蕩器配合貝克休斯 AutoTrak 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)鉆進(jìn)7501～11535ft井段。鄰井B井單獨(dú)使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)鉆進(jìn)7204～11040ft井段，多次發(fā)生高頻扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，導(dǎo)致工具時(shí)常處于難以定向的狀態(tài)，出現(xiàn)了未預(yù)見(jiàn)的狗腿度變化，增加了井眼曲度。

A井將水力振蕩器安裝在距離鉆頭1149ft的位置，大幅降低了斜井段的切向不良振動(dòng)。由于水力振蕩器提高了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的定向能力，A井相較于鄰井B井整趟鉆發(fā)送指令總時(shí)間降低25%，指令次數(shù)減少了36%，在切向振動(dòng)頻發(fā)層段的指令次數(shù)減少了70%。

此外，相較于未安裝水力振蕩器的B井，A井整體所需的鉆壓和排量更低，達(dá)到的扭矩更大，鉆壓參數(shù)更為穩(wěn)定，機(jī)械鉆速水平基本相似。

3.2 43/4″水力振蕩器+斯倫貝謝PowerDrive 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)

某多分支井使用水力振蕩器配合斯倫貝謝PowerDrive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)在主井眼L0兩側(cè)的兩個(gè)分支井眼L1、L2中鉆進(jìn)。主井眼L0鉆進(jìn)過(guò)程中未使用水力振蕩器，單獨(dú)使用PowerDrive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)和脈沖MWD，記錄到了嚴(yán)重的粘滑和井下振動(dòng)，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具在井下發(fā)生兩次嚴(yán)重失效被迫增加2趟起下鉆，導(dǎo)致全井共使用3趟鉆鉆完。兩個(gè)水平分支井眼L1、L2將水力振蕩器安裝在距離鉆頭1500ft的位置，配合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)鉆進(jìn)共計(jì)進(jìn)尺超8500ft，兩個(gè)井眼均一趟鉆完鉆。

從鉆進(jìn)效果上看，水力振蕩器的使用提高了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的使用效率，共計(jì)節(jié)省了3天的鉆井周期且沒(méi)有發(fā)生井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具損壞的情況。與常規(guī)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆柱組合相比，水力振蕩器的使用明顯緩解了井下的粘滑情況，同時(shí)，水力振蕩器與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的合理配合，使全井的機(jī)械鉆速由30.8ft/h提高至57.8ft/h，即效率提高了20%。

4 結(jié)束語(yǔ)

大位移井的水平位移大，能夠大范圍地開(kāi)發(fā)含油儲(chǔ)層，提高單井產(chǎn)量降低成本，是邊際油田、復(fù)雜油氣藏和非常規(guī)油氣的重要手段。

水力振蕩器能夠通過(guò)軸向脈沖運(yùn)動(dòng)將動(dòng)力輸送至井底鉆具，有效緩解復(fù)合鉆進(jìn)中托壓?jiǎn)栴}、粘附卡鉆等問(wèn)題，提高大位移井鉆井的整體效率。

使用水力振蕩器配合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)使用，可以降低摩阻損耗、有效輸送鉆壓、降低損耗和成本，提高鉆井效率和定向效率，使鉆進(jìn)過(guò)程穩(wěn)定可控，相輔相成，獲得更好的鉆井表現(xiàn)。