2. 西南石油大学机电工程学院;
3. 中国石油集团渤海钻探第一钻井公司
2. School of Mechatronic Engineering, Southwest Petroleum University;
3. No. 1 Drilling Company, CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited
0 引言
复杂结构井钻柱与井壁间的摩阻较大，导致滑动钻进过程中出现严重的托压现象，进而导致滑动钻进效率低[1-3]。目前，国内外主要通过优化井眼轨迹、钻井液中添加润滑剂、短程起下钻、采用振动工具减阻和水力加压等方法来缓解滑动钻进托压，而且基本是采用单一的方法[4-5]。但是，现场应用效果表明：在复杂结构井中单一的方法缓解托压效果非常有限，甚至无效果。因此，为了解决复杂结构井滑动钻进托压问题，在国内外首次开展了水力振荡器与液力推力器集成应用研究，并进行了现场试验。试验结果表明：水力振荡器与液力推力器集成应用，有效缓解了复杂结构井滑动钻进托压，稳定了工具面，提高了钻压传递效率，大幅度提高了滑动钻进效率。
1 集成应用技术原理水力振荡器主要是在水力作用下产生轴向振动，进而带动一定长度的钻柱蠕动，可以实现钻柱与井壁间的静摩阻向动摩阻的转化，从而降低摩阻，缓解了动钻进托压，提高了滑动钻进效率[6-9]。但是，随着裸眼段的延伸，钻柱与井壁间摩阻不断增加，滑动钻进托压现象愈加严重。不同工具缓解托压效果示意图如图 1所示。由图可知，当钻进至井深D，摩阻达到fμ时，滑动钻进开始出现托压，此时下入水力振荡器，摩阻下降至fμ1，缓解托压效果明显。当钻进至井深D2时，摩阻增加到极限值fμ3时，超出了水力振荡器缓解托压能力范围，此时再次出现滑动钻进托压。例如，某井使用水力振荡器后，3 485~3 563 m未出现托压现象；自3 563 m以后开始出现不同程度的托压现象，钻进至4 066 m最大托压值达到100 kN[1]。
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| 图 1 不同工具缓解托压效果示意图 Fig.1 Schematic diagram of weight stacking reduction effect with different tools |
液力推力器主要是利用螺杆和钻头处产生的压降，给钻头施加恒定的柔性钻压。虽然该工具不能减小钻柱与井壁间的摩阻，但是由于在其工作行程内，液力推力器以上钻柱处于“悬浮”状态，当上部钻具出现托压释放时，产生的瞬间冲击力不会传递到钻头上，进而不会出现工具面失稳现象。如图 1所示，当钻进至井深D，摩阻达到fμ时，滑动钻进开始出现托压；此时下入液力推力器，摩阻保持不变，但是托压释放后不会造成工具面失稳，可保证定向的连续性；钻进至井深D1，摩阻增加到极限值fμ2时，超出液力推力器缓解托压能力范围，会再次出现工具面不稳定现象。
水力振荡器与液力推力器集成应用技术正是利用了两者的优势：利用了水力振荡器降低摩阻，液力推力器稳定工具面和施加恒定钻压的功能。该集成技术可以起到3方面的作用：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；当摩阻增加到一定值时，出现小幅度的托压释放时，保证工具面稳定；滑动钻进时，为钻头提供足够钻压，提高滑动钻进机械钻速。如图 1所示，当钻进至井深D时，摩阻为fμ，滑动钻进时开始出现托压；此时下入水力振荡器与液力推力器，摩阻降低至fμ1，此时缓解托压效果明显；钻进至井深D3，摩阻增加到极限值fμ4时，超出水力振荡器与液力推力器集成应用缓解托压能力范围，会再次出现不同程度的托压释放。理论分析认为，井深4 500 m、水平位移1 500 m以内的复杂结构井，水力振荡器与液力推力器集成缓解托压效果比较理想。
2 现场试验为了验证水力振荡器与液力推力器集成应用缓解滑动托压的效果，在G962-24井中开展了先导试验。同时，为了最大限度地发挥该集成技术的作用，优化了关键技术参数。
2.1 G962-24井基本概况G962-24井是一口二开三维定向井，设计最大井斜角31.37°，二开ø215.9 mm井眼钻进至2 285 m时 (井斜角32.56°)，托压现象严重，托压值达到200~300 kN，且托压频繁释放，导致工具面不稳定，定向期间需要频繁活动钻具，严重影响定向效率。2 238~2 285 m井段实钻数据显示，滑动钻进机械钻速仅为1.48 m/h。为有效缓解托压，提高滑动钻进机械钻速，该井自2 285~3 018 m井段应用水力振荡器与液力推力器集成技术。
2.2 关键参数优化水力振荡器安放位置与工具参数、井眼轨迹、钻具组合、钻井液性能和排量等参数密切相关[10]。利用水力振荡器安放位置计算程序进行优化计算，确定G962-24井水力振荡器安放在距离钻头212 m处。计算程序界面如图 2所示。
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| 图 2 安放位置计算程序界面 Fig.2 Interface of placement calculation program |
液力推力器利用螺杆钻具和钻头处的压力降来产生恒定的钻压，因此将液力推力器安放在螺杆钻具的上面。
液力推力器级数、螺杆及钻头压降决定了钻压值。滑动钻压值计算公式为：
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(1) |
式中:W为滑动钻压，N；Δp为螺杆及钻头处压降之和，MPa；s为液力推力器活塞面积，mm2；
G962-24井设计滑动钻压40~50 kN，利用编制的液力推力器参数优化计算程序，确定液力推力器采用一级活塞，计算产生钻压48.1 kN。
2.3 试验结果 2.3.1 托压程度分析水力振荡器与液力推力器集成应用之前，滑动钻进托压值为200~300 kN，钻具托压频繁释放 (大钩载荷瞬间增加)，进而导致工具面失稳，基本无法定向，钩载变化如图 3所示。
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| 图 3 使用集成技术之前滑动钻进钩载变化 Fig.3 Hook load variation during sliding drilling beforethe application of integrated technology |
水力振荡器与液力推力器集成应用之后，滑动钻压维持在40~50 kN之间，托压现象明显缓解。即使偶尔出现托压，由于液力推力器的缓冲作用，工具面不会出现失稳，保证了定向的连续性，此时钩载变化如图 4所示。
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| 图 4 使用集成技术之后滑动钻进钩载变化 Fig.4 Hook load variation during sliding drilling after the application of integrated technology |
2.3.2 机械钻速分析
自2 285~3 018 m井段，采用水力振荡器与液力推力器集成技术总共滑动钻进61.31 m，结果如表 1所示。表中2 238.00~2 285.00 m是对比井段，2 300.42~2 605.22 m是第1趟钻，2 687.00~2 895.95 m是第2趟钻。由表可知，滑动行程机械钻速由1.48 m/h提高到5.14 m/h，机械钻速平均提高到3.10 m/h。
| 滑动钻进井段/m | 是否使用集成配套技术 | 行程机械钻速/(m·h-1) | 提高比例/% |
| 2 238.00~2 285.00 | 否 | 1.48 | — |
| 2 300.42~2 304.42 | 是 | 2.35 | 58.98 |
| 2 326.81~2 333.56 | 是 | 1.84 | 24.39 |
| 2 348.00~2 351.00 | 是 | 4.50 | 204.05 |
| 2 358.50~2 362.78 | 是 | 5.14 | 247.03 |
| 2 387.50~2 391.92 | 是 | 4.42 | 198.65 |
| 2 416.00~2 420.97 | 是 | 4.26 | 187.84 |
| 2 433.64~2 440.42 | 是 | 4.07 | 174.86 |
| 2 463.83~2 469.60 | 是 | 4.95 | 234.17 |
| 2 600.22~2 605.22 | 是 | 2.14 | 44.60 |
| 2 687.00~2 692.66 | 是 | 2.30 | 55.40 |
| 2 775.00~2 779.73 | 是 | 2.40 | 62.10 |
| 2 890.00~2 895.95 | 是 | 1.80 | 21.60 |
对比水力振荡器与液力推力器集成技术使用前、后托压程度和机械钻速等数据，充分说明该集成技术有效缓解了滑动钻进托压，稳定了工具面，大幅度提高了滑动钻进效率。
3 结论(1) 水力振荡器通过产生轴向振动，降低了钻具与井壁间的滑动摩阻，有效提高了滑动钻进钻压传递效率和机械钻速。但是，随着井深的增加和裸眼段的延伸，其缓解托压效果逐渐削弱。
(2) 液力推力器虽然不能降低滑动钻进摩阻，但是在其“悬浮”行程能允许一定程度的托压释放，保证工具面的稳定。随着摩阻的增加和托压值的上升，液力推力器缓冲托压释放的能力减弱甚至消失。
(3) 理论分析及现场应用效果表明：水力振荡器与液力推力器集成应用能有效缓解滑动钻进托压现象，稳定工具面，提高滑动钻进行程钻速。
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