178型水力振荡器研制与应用

李 博，王羽曦，孙则鑫 ，刘国恒

（大庆钻探工程公司a.钻井工程技术研究院；b.钻探机械修理厂，黑龙江 大庆163413）①

在水平井滑动钻进时，摩擦力对轴向载荷的影响急剧增加。为了在井斜段和水平段保持轴向载荷，必须采用有效的措施来降低摩擦力，方法之一是采用水力振荡器［4］，使钻柱在轴线方向上产生一定频率和振幅的蠕动，将静摩擦力转变为动摩擦力，减少管柱与井壁之间的摩阻，防止托压的产生。

1 结构及工作原理

水力振荡器是以钻井液作为动力源，将液体能量转变为高速旋转的机械能，通过压力控制机构将高速旋转的机械能转变为高频压力脉冲。所产生的压力脉冲作用到工具的振动短接上，使其产生轴向高频蠕动。

水力振荡器结构如图1所示。在液力作用下动力机构的叶轮高速旋转，同时叶轮带动阀门片旋转。当阀门片垂直轴向方向时，阀门片将钻井液通道关闭，产生最大压降。阀门片继续转动至平行轴向方向时，钻井液通道打开，流通面积最大，产生最小压降。阀门片旋转一周，钻井液通道关闭2次，产生2次憋压。阀门片在高速旋转过程中，实现通道的打开、关闭，产生周期性压力脉冲。

图1 水力振荡器结构

阀门总成产生的压力脉冲通过滑动密封总成作用到振动短接的弹簧上。由于压力周期性变化，在压力最大时，弹簧压缩，振动心轴伸出。当压力最小时，弹簧回复，振动心轴缩回，振动心轴就在压力和弹簧的双重作用下产生轴向往复运动，使井下钻具水力振荡器往复运动而轴向振动。弹簧被压缩，储存能量，当弹簧回复能量施放时，在指向钻头方向有一定的冲击力，可以有效地传递钻压。水力振荡器的振动频率为16～20Hz，在此振动频率下，钻具的滑移摩阻可以减小75%～80%。

2 技术参数

适合井眼尺寸 215.9mm （8英寸）

最大外径 180mm

最小循环通径 45mm

总长 2 901mm

3.1 作者通过对广州华南理工东湖自然水体的筛选，共得到6株绿藻。6株绿藻通过光学显微镜观察及基因检测得知它们分别为3株小球藻和3株栅藻。培养得知该6株藻种均能在BG11培养基中较好生长。

有效长度 2 787mm

质量 430kg

两端连接螺纹 4A11－4A10钻杆螺纹

正常工作时脉冲频率 16～20Hz

正常工作时振动幅值 3～8mm

压降 2～3MPa

3 特点

1） 有效传递钻压。通过水力振荡器的高频振动，改变了只靠钻具自身重力的加压方式，钻具在振动的同时有一定向前的冲击力，使钻压能更有效地施加到钻头上，防止托压的发生。

2） 减小摩阻，提高机械钻速。水力振荡器在井下带动钻具振动时，将钻具与井壁间的静摩擦力转变为动摩擦力，可以减小75%～80%摩阻，提高机械钻速。

3） 防止粘卡。由于水力振荡器在工作时与井下钻具保持振动，减小钻具粘卡的发生。

4） 保护钻头。在水平井钻进时，由于钻具的轴向振动，钻压可以缓慢地施加到钻头上，减小了钻头与井底的冲击，延长钻头使用寿命。

4 现场应用

卫186－平142井是位于大庆采油八厂芳5－5区块的油田开发井，该井设计井深2 155m，水平段长529.58m。2012－12－18，研制的水力振荡器在该井水平段进行了现场试验，在提高钻进速度和防托压方面效果明显。钻具组合：PDC钻头＋1.25°螺杆＋箭型止回阀＋LWD＋无磁加重钻杆＋水力振荡器＋18°斜坡钻杆×93根＋加重钻杆×36根＋钻杆。

2012－12－17，卫186－平142井钻至1 639m，井斜88.7°，方位90°。在水平段下钻前，水力振荡器与近钻头定向仪器连接进行了井口测试，振动频率为16Hz，振幅为4mm，排量30L／s，泵压为2 MPa，并观测与近钻头定向仪器信号无干扰。2012－12－18开始水平段钻进，水力振荡器连接在距钻头34m处，钻井泵排量30～32L／s，泵压17～18 MPa，钻井液密度1.22g／cm3，滑移钻进时钻压控制在40～60kN，在1 623～1 626m滑移钻进3m，平均钻时8.1min／m，机械钻速提高113%，工具面稳定。在钻进过程中，近钻头定向仪器信号传输稳定，未发生干扰现象。

2012－12－28该井顺利完钻，完钻井深2 140m，使用水力振荡器钻进501m，累计工作时间96h，滑移钻进36.77m，平均机械钻速5.36m／h，钻速提高54.9%，复合钻进464.23m，平均机械钻速13.76m／h，钻速提高23%，托压减小20～40kN，大幅提高了机械钻速，减小托压效果明显。

5 结论

1） 水力振荡器将钻井液的能量转变为机械能，实现轴向高频率、小振幅往复运动，可以减小井下钻具与井壁之间的摩阻，从而提高钻井机械效率。

2） 在水平井钻进过程中，通过水力振荡器的作用，可使钻压缓慢地施加到钻头上，减小钻头与井底的冲击，提高钻头使用寿命。

3） 水力振荡器在现场使用效果良好，滑移钻进机械钻速提高54.9%，复合钻进机械钻速提高23%，托压减小20～40kN，累计工作时间96h，大幅提高了钻井速度，降低了成本。

4） 下一步将进行水力振荡器现场应用推广，对水力振荡器井下安放位置进行设计和试验，根据现场应用效果确定水力振荡器最佳安放位置。

［1］王敏生，王智峰，李作会，等.水力脉冲式钻进工具的研制与应用［J］.石油机械，2006，34（5）：27－28.

［2］陈武君，邢世奇，彭汉标.井下液力推进器的研制与应用［J］.石油钻探技术，1999（27）：49－50.

［3］丁培积，陈天成，刘嘉铭，等.水平井水力加压工具及其应用［J］.石油钻探技术，1995，23（3）：41－43.

［4］王津军，张绍槐，狄勤丰，等.水平井段受压钻杆稳定性研究［J］.石油矿场机械，1995，34（4）：46－50.