涡轮式水力振荡器在涪陵页岩气水平井中的应用

张东清

(页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室， 中国石化石油工程技术研究院, 北京 102206)

目前水平井长水平段采用的降摩减阻技术主要包括基于摩阻预测优化井眼轨迹、使用降摩减阻工具、提高钻井液润滑性及携岩能力[1-4]。其中，水力振荡器作为一种有效的降摩减阻工具可以提高水平钻井机械延伸能力[5-7]，并得到了钻井施工方和定向工程师的普遍认可[8-10]。水力振荡器通过机械振动将钻柱与井壁的静摩擦转变为动摩擦，以减小滑动钻进的摩擦阻力[11-12]。自2012年以来，多种水力振荡器在涪陵页岩气田进行了现场应用，包括NOV螺杆式水力振荡器、水力脉冲诱发振动钻井工具、径向水力振荡器、双向水力振荡器、涡轮式水力振荡器等[13]。部分水力振荡器由于技术及材料上的先天不足，使用效果不佳，增加了水力能量消耗的同时却没有起到理想的降摩减阻效果，限制了长水平段钻井的钻井液排量和携岩能力，甚至对长水平段防托压起了反作用。

为实现高减阻、低压耗的振荡减阻效果，笔者以涡轮叶片组为动力单元研制了涡轮式水力振荡器。该工具在涪陵页岩气田累计推广应用20余井次，未发生任何井下安全事故，取得了良好的缓解托压和提高机械钻速的效果。通过分析该涡轮式水力振荡器的结构和降摩减阻机理，优化提升其在长水平段的适用性能，评价其在涪陵页岩气超长水平段的应用效果，对涡轮式水力振荡器在涪陵页岩气田的进一步推广应用提出了建议。

1 涡轮式水力振荡器结构及降摩减阻原理

1.1 工具结构

涡轮式水力振荡器[14]主要由脉冲发生器和振动发生器两部分组成(图1)。脉冲发生器由涡轮马达、导流帽、扶正轴承和动静阀组组成，依靠钻井液驱动涡轮转子转动，涡轮组转子驱动动阀盘旋转，动阀盘的偏心流道做平面行星运动。动阀盘偏心流道与静阀盘偏心流道周期性交错、重叠。动阀盘偏心流道和静阀盘偏心流道轴距最大时，钻井液通过工具的截面积最小，但不完全关闭通道，使得钻井液流经通道被最大程度阻挡，产生最大的水力压降。动阀盘偏心流道与静阀盘偏心流道完全重合时，钻井液通过工具的截面积最大，钻井液流动畅通度最高，产生最小的水力压降。流道过流面积随时间周期性变化并对钻井液起到限流作用。当流道过流面积变化时会在工具内部产生压力脉冲并上传反馈到振荡短接的活塞面上产生轴向振荡力，导致活塞推力呈周期性变化而引发振动短节振动。

图1 水力振荡器结构示意图

1.2 工具降摩减阻原理

在大位移井、水平井定向钻井施工中钻具与井壁大面积接触，在钻具重力及弯曲作用力的双重作用下，滑动钻进钻具承受较大静摩擦力，造成了钻压施加困难、工具面调整时间长、定向钻井机械钻速低。在导向马达钻具组合中加入涡轮式水力振荡器，脉冲发生器产生的压力脉冲作用在芯轴活塞上，带动芯轴产生轴向温和振动，当压力升高时，心轴伸出，压力降低时，心轴便会缩回。涡轮式水力振荡器通过周期性温和地振荡钻柱，可以使得钻具长距离产生轴向振动及蠕动，将钻具与井壁的静摩擦转变为动摩擦，减少滑动钻进时的摩擦阻力，改善钻压传递[15-16]，提高定向钻井机械钻速及大位移井、水平井的延伸能力(图2)。

图2 水平井使用水力振荡器钻具组合图例

由于动静阀盘工作时候相互摩擦，因此要求在阀片表面敷焊硬质合金提高其耐磨性，并使用调整垫片来补偿摩擦损失。实际使用中，阀盘偏心流道的直径、偏心距、开孔数量等参数需要根据钻井液流量、密度和工具允许压降来选择。其中，WSZ-172型水力振荡器主要技术参数见表1。

表1 WSZ172型水力振荡器结构及性能参数

1.3 工具技术优势

对比螺杆式水力振荡器等减摩阻工具，涡轮式水力振荡器具有以下技术优势：

1)涡轮式水力振荡器包含动力部件在内均为全金属材质，耐油基钻井液腐蚀、耐高温(220 ℃)，对油基钻井液、水基钻井液、高温井等工况均具有适用性。

2)明显降低摩阻，通过高频振动带动钻具组合在井下振动、蠕动，改变钻具与井壁的接触状态与摩擦阻力，提高了定向钻井摆工具面效率和定向钻进效率。

3)有效提高机械钻速，该工具配合螺杆钻具及PDC钻头使用，使PDC钻头滑动钻进更加容易，显著提高定向钻进机械速度。

4)工具振动频率与MWD和LWD信号传输不重叠，不会对井下工具、仪器和钻头造成振动破坏，具有广泛的现场适用性。

2 涡轮式水力振荡器性能优化

2.1 扶正轴承防卡死结构改进

部分井队固控设备老旧、钻井液性能不达标，导致钻井液固相含量过高，偶尔会发生岩屑嵌入扶正轴承内外圈间隙，导致轴承和涡轮组定转子卡死，从而致使水力振荡器井下失效。针对这一问题，在不改变扶正轴承内外圈尺寸及公差的前提下，采用线切割工艺在扶正轴承静套内部加工排屑槽。改进后的扶正轴承组合既能约束涡轮转子径向活动量，又能促使大粒径岩屑顺利从排屑槽通过，后续应用未出现轴承组卡死问题。

2.2 活塞密封结构优化

水力振荡器工作时，推动活塞和振动芯轴周期性伸出、缩进，采用格莱圈实现轴向往复运动密封。铜粉导向带具有耐磨性强、柔韧性强、自恢复能力强的特点，在格莱圈前后安装铜粉导向圈，可有效阻挡岩屑颗粒进入格莱圈。仿真分析结果显示，该格莱圈在70 MPa压差下依然具有良好的密封性，满足超深水平井钻井工具的密封需求。利用数控油压试压测试系统对振动短节施加30 MPa内压力，测试水力振荡器振动活塞密封性能，稳压2 h振动短节压力下降0.2 MPa，符合井下工具使用密封性要求。

2.3 振动性能优化

水力振荡器实际使用中，阀盘偏心流道的直径、偏心距、开孔个数等参数需要根据钻井液流量、密度和工具允许压力降来选择。分析发现相对流量变化幅度受阀孔直径的变化影响：阀孔直径D增大，过流面积变化变小，相对流量随时间变化波动较小；阀孔直径越小，过流面积最小值与最大值相对差距越大，甚至出现流道完全闭合现象(图3)。流道完全闭合可以产生较大的压差和推动力，但是也存在工具卡死导致钻井液无法循环的工况，因此流道完全闭合工况是一种危险工况。

图3 不同阀孔直径下相对过流面积变化曲线

采用节流孔板压力瞬间变化公式可以计算节流面积变化导致的阀孔前后压力波动情况，得到振动短节内部的压力差。采用单一变量法，多次改变偏心流道直径、偏心距、钻井液排量，计算偏心流道重叠、交错过程中压力脉冲的幅度及振动力，分析各个因素对活塞振动力的影响。根据φ215.9 mm井眼钻井需求，在钻井液排量30 L/s工况下，设计φ172 mm水力振荡器的动静阀盘偏心流道的偏心距为30 mm，偏心流道的直径为50 mm，计算所得活塞振动力为20～22 kN，基本满足现场降摩减阻需求，同时不会造成工具面及定向仪器的振动，保证定向钻井的安全性(图4)。

图4 涡轮式水力振荡器振动力变化曲线

3 涡轮式水力振荡器应用实例分析

3.1 涪陵页岩气田应用概况

针对涪陵页岩气田“井工厂”作业模式钻井施工普遍存在的长水平段定向托压、轨迹控制难度大等问题[17-18]，与钻井施工方、定向工程师深入技术交流，提出了加大水力振荡器推广应用力度实现长水平段防托压的技术措施，合作建立了“国产钻头+国产螺杆+国产水力振荡器”的页岩气水平井一趟钻工艺配套技术，为工区后续提速提效起到了良好示范作用。涡轮式水力振荡器在涪陵工区累计推广应用24口井(部分统计见表2)，共计实现11口井长水平段一趟钻完钻。其中，焦页23-S2HF井实现长水平段一趟钻进尺2 101 m，焦页106-2HF井实现最长工作时间324 h。

表2 WSZ172型水力振荡器涪陵工区应用情况部分统计

3.2 焦页23平台WSZ172型水力振荡器现场应用

焦页23-S1HF井首先应用加拿大某品牌水力振荡器，由于工具压耗过大(6 MPa)导致开泵困难、排量受限，进尺不足100 m即停止使用。后续使用WSZ-172型涡轮式水力振荡器(压耗2.5 MPa)，实现一趟钻进尺1 372 m(完钻)，定向钻井提速27.6%。随后，焦页23平台开展涡轮式水力振荡器配合常规导向钻具的推广应用，除焦页23-4HF井因钻头失效中途起钻外，其他4口井均实现了长水平段一趟钻。

长水平段钻进钻具组合：φ215.9 mmPDC+φ172 mm1°单弯螺杆+φ207 mm扶正器+止回阀+411×4A10转换接头+φ165 mm无磁钻铤+LWD短节+φ127 mm加重钻杆×15+φ127 mm钻杆×15+WSZ-172型水力振荡器+φ127 mm钻杆×243+φ127 mm加重钻杆×15+411×520转换接头+φ139.7 mm钻杆。

钻井参数：钻压80～140 kN，转速50～60 r/min+螺杆，排量28～30 L/s，泵压22～27 MPa。钻井液密度1.51 g/cm3，黏度68 s。

焦页23-S2HF井应用施工井段2 679～4 780 m(井斜87.5°～95.2°)，地层为龙马溪组，岩性为黑色页岩，累计进尺2 101 m。使用水力振荡器纯钻时间183 h，循环时间36 h，累计工作时间219 h，复合钻进平均钻时3～5 min/m，滑动钻进平均钻时10～28 min/m。该井水平段使用水力振荡器平均机械钻速11.48 m/h，对比焦页44-2HF井相近水平段机械钻速8.37 m/h，机械钻速提高37.2%，该工具起到了显著的定向钻井提速提效效果。

焦页23平台WSZ-172型水力振荡器应用统计见表3。

表3 焦页23平台WSZ-172型水力振荡器应用统计

3.3 焦页66-6HF井涡轮式水力振荡器现场应用

3.3.1 焦页66-6HF井基础数据

设计井深为4 520 m，目的层为五峰组。A 靶点垂深2 448 m、B靶点垂深 2 677 m，AB段长1 837 m，完钻原则为钻至B靶点留口袋完钻。

3.3.2 现场应用情况

WSZ-172型涡轮式水力振荡器于2020年5月20日8:00入井，2020年6月3日9:00出井，使用地层为五峰组，井段为2 771～4 526 m，段长1 755 m，纯钻时间204 h，循环时间52 h，累计工作时间256 h，复合钻进平均钻时为5～8 min/m，滑动钻进平均钻时10～15 min/m，机械钻速为8.6 m/h；使用钻头型号为KSD1652FRTY。

钻具组合：φ215.9 mmPDC钻头+φ172 mm螺杆1.25°+φ210 mm扶正器+φ172 mm浮阀+无磁承压钻杆×1+φ172 mm无磁悬挂+φ127 mm加重钻杆×6+φ127 mm钻杆×12+WSZ-172型水力振荡器+φ127 mm钻杆×156+φ127 mm加重钻杆×15+φ127 mm钻杆。

钻井参数：钻压80～120 kN，转速70 r/min+螺杆，排量为28～30 L/s，泵压为24～28 MPa，钻井液密度为1.42 g/cm3，黏度65 s。

3.3.3 使用情况汇总

WSZ-172型水力振荡器累计入井1次，完钻之后出井，实钻井眼轨迹满足地质及钻井相关技术要求。工具应用后水平段定向钻井钻时为10～25 min/m，托压问题得到较好缓解，滑动钻进钻时大幅缩短。该井水平段后期因地质追层需要频繁定向作业，滑动钻进比例大幅提升，定向工具面调整及滑动钻进钻时数据依然较为良好，成功实现长水平段一趟钻完钻(图5)。

图5 焦页66-6HF井水平段钻时曲线

4 结论及建议

1)涡轮式水力振荡器以涡轮叶片组为动力单元，全金属材质耐油、耐高温，对油基钻井液环境具有适用性，与各类钻头、井下工具仪器具有良好的现场兼容性。

2)针对涪陵页岩气田长水平段定向钻井工况，进行了涡轮式水力振荡器结构及性能专项优化，形成了页岩气水平井一趟钻工艺配套技术，焦页23平台5口井应用4口井实现了长水平段一趟钻完钻，为工区后续提速提效起到了良好示范作用。

3)涡轮式水力振荡器在涪陵页岩气田累计应用20余井次，有效解决了滑动钻进钻头托压问题，显著提高了PDC钻头的定向效率和机械钻速，建议后续推广应用。