水力振荡器研究现状及发展趋势

随着水平井施工数量逐渐增多,水平段长度不断延伸,水平井钻井过程中,钻进摩阻大、定向托压严重制约水平井高效开发。应用水力振荡器是解决水平井托压问题的一种有效的技术手段。目前,国内外研究多种类型结构的水力振荡减阻工具,本文介绍了偏心式螺杆水力振荡器、负压式水力振荡器、涡轮驱动式水力振荡器、射流式水力振荡器等减阻工具,根据不同类型工具结构原理和特点,对比分析各类工具优势与不足,并根据应用效果提出水力振荡器的发展方向和建议,为下一步的研究提供参考。

空化射流水力振荡器研制与试验

为解决油井井筒存在结垢现象后导致卡钻的风险与石油产出率降低的问题,利用淹没射流产生剪切空化,设计一种空化射流水力振荡器,与高压旋转射流除垢装置配套使用提升井筒除垢效率,利用数值模拟对空化射流水力振荡器内部相关结构参数进行优化,得到最优结构参数和振荡频率、幅值。通过开展现场试验,检验空化射流水力振荡器的具体参数是否符合井筒除垢要求。通过正交模拟得到射流喷嘴到喉管距离L=13.52 mm、喉管长度D=64.47 mm和射流喷嘴角度α=156.92°的最优参数,且该参数下的振荡频率为9.92 Hz。现场试验结果表明,空化射流水力振荡器与旋转冲洗器配合使用比传统水力振荡器与旋转冲洗器除垢速度最高提高16.2%。这表明空化射流水力振荡器对除垢装置的除垢效率有明显的提升,空化射流水力振荡器内部结构无相对运动部件使得振荡器运行稳定且装置维护成本低。所得结论可为水力振荡器的研究与工程应用提供技术指导。

水力振荡器性能参数与减阻率影响规律研究

为更科学地优化水力振荡器的参数设计及施工参数设置,建立了水平段钻柱振动模型并进行了数值模拟,采用Minitab软件对数值模拟结果进行了分析,研制水力振荡减阻试验装置并开展了振荡减阻机理试验,通过方差分析了钻压、振动幅值及频率对减阻率的影响规律。分析结果表明:各因素对摩阻的影响程度由大到小依次为振动幅值>钻压>振动频率,其中钻压对减阻率的影响表现为消极,振动幅值和频率对减阻率的影响表现为积极,同时钻压、振动幅值、频率3个因素对减阻率变化的贡献率分别为11.76%、51.98%及10.97%,振动幅值是水力振荡器设计中需要优先考虑的因素。研究结论可为水力振荡器的参数设计及现场应用中施工参数的设置提供理论支撑。

同心驱水力振荡器阀盘优化设计

大位移井和水平井的井斜角过大会使钻柱和井壁之间产生较大的摩阻,导致钻进速度降低,使用水力振荡器是解决上述问题的有效方法之一。为此,设计了一种同心驱水力振荡器,并对其阀盘系统的冲蚀情况进行仿真分析。仿真分析结果表明:动、静阀盘的交界处受到钻井液的冲蚀磨损,特别是动、静阀盘相对转角为25°时受到的冲蚀磨损最为严重。对动、静阀盘进行结构优化和模拟试验,从模拟结果可以看出,当动、静阀盘的倒角同为20°时,最大冲蚀率最小,优化效果最好。对优化后的同心驱水力振荡器进行现场试验,试验结果表明:同心驱水力振荡器能大幅提高钻井效率,相同条件下较常规水力振荡器的平均机械钻速提高33.62%,工具平均使用寿命延长27.46%。所得结论可为水力振荡器的设计与优化提供参考。

低压高能长寿命水力振荡器研制与试验

水力振荡器是缓解定向托压最有效的工具之一。针对传统的单头螺杆、偏心盘阀式水力振荡器难以满足深井、超深井、长水平井对低压耗、长寿命、高能效的需求等问题,研发了低压高能长寿命水力振荡器。设计了同心盘阀结构,扩大了钻井液的过流面积,降低了工具压耗;设计了7/8头螺杆和挠轴结构,保障螺杆转子稳定转动,使定子橡胶均匀受力;设计了多级活塞结构,振荡力在压力波动降低的前提下,保持不变;优化设计碟簧组、活塞密封结构、表面处理工艺,提供工具的强度、耐磨性和寿命。该水力振荡器现场试验25口井,平均机械钻速提高23.9%,工具最低压耗2.1 MPa,最长工作寿命可达312 h,使用最高温度161℃,验证了其低压高能长寿命的工作性能。可在深井、超深井、长水平井作业中推广应用。

投球式水力振荡器在渤海定向井的应用

主要介绍了该工具在渤海某井的应用情况。水力振荡器已作为大位移井、水平井减摩降阻、提速提效的重要手段被广泛应用。目前,各大油田仍以常规水力振荡器为主。但是常规水力振荡器开泵即工作产生振动,在浅层作业时,水力振荡器的无效振动会对钻井设备如顶驱等产生不同程度的影响。投球式水力振荡器实现浅层不工作,到达指定位置振动的作用。

水力振荡器与旋转导向系统兼容性分析

大位移井能够达到钻遇多套砂体的目的,增大井筒与储层接触面积,在油气田钻井中取得了显著的应用效果。水力振荡器和旋转导向系统单独应用于大位移井,能够提升钻井时效和定向控制能力,但两种工具同时使用的兼容性尚未得到分析和验证。本文基于水力振荡器和旋转导向系统的原理特点、结构类型及应用情况,分析了使用水力振荡器配合旋转导向系统使用时的兼容性优势并给出了现场应用案例证明。研究结果表明:两种工具配合使用可以将优势相结合,消除单独使用的问题,以更加稳定的低水平钻井参数获得更高的钻井效率。本文研究结果为现场水力振荡器配合旋转导向系统的使用提供了可参考依据,为大位移井钻井的提速提效技术提供了支撑。

∅127型水力振荡减摩装置的研制及特性分析

针对水平井、定向井等钻井过程中摩阻大、托压等问题,研制了∅127型水力振荡减摩装置,可减小管柱与井壁或套管壁之间的摩擦力,有效改善钻压传递,延伸大位移井、长水平井等井眼长度,提高机械钻速。首先分析了水力振荡减摩钻井技术机理,对水力振荡减摩装置的主要部件进行了技术分析,介绍了该装置的工作原理。通过数值模拟、室内试验和现场试验相结合的方法,验证了减摩装置设计的可行性和振动的稳定性。研究结果表明,该装置性能可靠,其脉动压力频率和幅值、轴向振动位移均随排量的增大而增大。研究成果可为钻井减摩降阻、提高机械钻速等相关技术与工具研究提供参考。

涡轮水力振荡器密封结构特性分析及优化

为提高涡轮水力振荡器所使用的PTFE弹簧蓄能密封圈密封性能,该文对所设计的PTFE外壳和内部支撑弹簧组成的密封结构进行结构特性分析及优化。基于ANSYS软件、参照密封沟槽国家标准尺寸建立密封结构单周期模型,通过单因素分析弹簧各结构参数及PTFE外壳结构参数变化对密封特性的影响;导入Archard模型对PTFE弹簧蓄能密封圈在装配状态下的动磨损情况进行仿真计算;使用回归分析结合响应面优化法分析各因素对PTFE外壳磨损量的交互影响,并通过响应优化计算出最优参数组合。结果表明,在密封结构压缩1 mm、金属带截面厚度为0.3 mm、金属带截面宽度为1.9 mm、蓄能弹簧截面直径为4.5 mm、PTFE外壳厚度为0.8 mm为最符合涡轮水力振荡器实际工况需求的密封结构参数组合。

水力振荡器激励力形式对减阻效率的影响分析

现有研究对水力振荡器的激励力形式研究较少。考虑摩擦力的非线性效应,引入初始条件、边界条件和连续性条件,建立了带水力振荡器的钻柱动力学模型,利用有限差分法进行求解。以减阻效率作为目标函数,考虑钻柱失效和水力损失等约束,对减阻因素进行参数优化。研究结果表明:振幅和频率的增加均可有效降低摩擦力,提高减阻效率;在激励能量相同的条件下,大振幅和高频率下的激励力形式,即脉冲式激励力,更有利于提高减阻效率,3种因素的影响排序为激励力形式>振幅>频率。建议采用激励力形式2,即振幅45 kN,频率22.5 Hz。研究结果可为带水力振荡器钻柱的安全控制和优化设计提供一定的指导。

螺杆式连续油管水力振荡器轴向力及其影响因素分析

随着长水平段油气井的增多,外径小、柔性大的连续油管在井下越来越易发生螺旋屈曲锁死以至无法继续下入。连续油管水力振荡器能够有效降摩减阻,延迟螺旋屈曲锁死,增加连续油管的下入深度,因而得到广泛应用。根据螺杆式连续油管水力振荡器工作过程中的运动和受力分析,得出其轴向力计算公式。采用灰色关联度法分析各影响因素对连续油管水力振荡器轴向力的影响程度,得出流量、流体密度以及转子偏心距对其轴向力影响最大。实例计算表明:连续油管水力振荡器最大轴向力随流量、流体密度以及转子偏心距的增加而变大;连续油管水力振荡器轴向力变化频率与流体密度无关,随流量增加而变大,随转子偏心距增加而减小。

水力振荡器在F38-P2井的应用

水平井滑动钻进过程中在造斜段或水平段由于钻具组合与井壁贴合产生摩阻,出现托压现象,无法保证钻头上能加上真实、有效的钻压,严重影响机械钻速,对水平井施工带来很大影响。而利用水力振荡器,在轴向上产生周期性的振动,变静摩擦为动摩擦,从而减小摩阻,减少托压现象。该工具在F38-P2井进行了现场应用,应用效果分析表明,应用水力振荡器,能够减小托压,提高机械钻速,缩减钻井周期,值得推广应用。

一种海上油田钻井用的水力振荡马达

渤海某油田调整井均为目的层为明化镇的水平井,常规马达钻具组合滑动钻进时常面临拖压严重问题,极大地影响机械钻速。旋转导向钻具组合在明化镇地层常因地层较软,造斜效果欠佳,需要控制钻进速度来满足造斜需求,并且旋转导向工具成本较高。水力振荡器配合马达钻具组合既能解决滑动拖压问题又可控制成本,但振动频率及幅度过大,对定向井仪器以及顶驱设备、钻台上管汇有一定影响。而水力振荡马达的应用则有效解决了以上难题,使渤海油田调整井二开311.15 mm井眼作业安全高效。

自研水力振荡器在川渝地区连续管水平井作业中的应用

连续管在水平井施工作业时,特别是长水平段、超长水平段、井眼轨迹弯曲、上翘井,常因自身螺旋锁定,出现不能到达目标深度、钻磨钻压难以加载等问题,严重影响施工进度和施工质量。为解决连续管下入自锁的问题,对标国外水力振荡器,对定转子的线形进行了优化,自主开发研制了一种水力振荡器。室内测试结果表明,该水力振荡器的压降为2~5.4 MPa,达到了设计要求。该水力振荡器在威X井进行了现场对比试验,各项指标满足设计和使用要求,降低了井下管柱在前进中的摩擦阻力和扭矩,有效传递了钻压,增加了连续管的下入深度。在川渝地区现场使用249井次,效果显著,能有效缩短施工周期,提高施工质量。该水力振荡器实现了国产化,打破了国外技术垄断,缩短了供货周期,节约了成本。

基于有效牵引力系数的水力振荡器减阻效果评价方法

水力振荡器的优化设计和合理使用受到水力振荡器减摩阻效果评价标准不够完善的影响,为此建立了钻柱轴向振动传播模型,提出用有效牵引力系数评价水力振荡器的减摩阻效果,并基于此研究了有效牵引力系数的影响因素。研究表明:水力振荡器产生的有效牵引力系数随着机械钻速的增加而降低;激振力幅值和振荡短节碟簧组刚度对减摩阻效果有较大影响,而激振频率的影响较小;有效牵引力系数随着水力振荡器离钻头距离的增加而先增加后趋于平稳,最佳的工具安放位置为有效牵引力系数达到平稳的第一个位置点。

小井眼水力振荡器工作特性与试验研究

在小井眼开窗侧钻作业中,利用减摩阻工具的振荡效应可有效缓解钻杆的托压现象,但常用的减摩阻工具有较多活动部件,加工复杂且易损坏。为解决托压问题,延长减摩阻工具的使用寿命,设计了一种无活动部件且适用于小井眼开窗作业的减摩阻工具(水力振荡器)。基于数值模拟技术开展了水力振荡器在不同流量、流道深度和出口直径下的工作特性研究,并进行室内试验以验证工具性能。研究结果表明:水力振荡器能形成周期性压力波动;压力波动值、波动频率分别随流量呈二次函数关系、线性函数关系;压力波动值、波动频率随流道深度的增加而减小;压力波动值随出口直径变大而减小,但出口直径过大时将不能形成压力波动;数值模拟和试验之间压力波动值的相对误差为14.3%,表明水力振荡器结构设计合理且模拟结果可靠。研究结论可为水力振荡器的工程应用提供理论指导。

翻转板式水力振荡套管鞋的研制及其应用

介绍了注水泥工具———翻转板式水力振荡套管鞋的结构和产生振动的基本原理 ,给出了水力脉冲振动注水泥固井技术的现场试验方法 .在大庆油田、南阳油田的现场应用结果表明 :使用翻转板式水力振荡套管鞋振动效果比较明显 ,振动场频率为 60～ 70Hz时 ,振动固井套管振动能量是常规固井的 7.5倍 ,在大庆油田固井 5口 ,固井质量均为优质 ,注水泥系数较该区块的常规固井提高了 0 .0 1～ 0 .0 3袋 /m .该技术提高了固井顶替效率 ,从而提高了固井质量 。

水力振荡器振动特性的影响因素

为了合理分析水力振荡器的振动特性影响因素,文中根据水力振荡器在井下的实际工况,通过条件假设、模型简化,建立了关于水力振荡器井下工具组合的振动分析模型,选取合适的钻井参数,分析得到水力振荡器在静阀板中心孔直径不同、相对钻头的安放位置不同时的振动特性。通过室内实验与下井试验,进一步分析这2个重要参数对工具振动特性的影响。研究表明:随着静阀板中心孔直径的增大,水力振荡器的振动位移和振动速度均逐渐减小;随着安放位置与钻头距离的增大,水力振荡器的振动位移和振动速度均逐渐增大。研究结果对下井工艺的应用具有重要指导意义。

水力振荡器在新场气田新沙21-28H井的应用

定向井水平井在滑动钻进时,托压、黏卡严重,如何提高滑动钻进钻压传递的有效性、减少钻具与井壁间的静摩擦,一直是待解决的技术难题。为此,分析了水力振荡器作用机理:通过一对阀门周期性的相对运动把流经动力部分的流体能量转化为压力脉冲,将该压力脉冲传递给振荡短节,由振荡短节带动钻具在轴线方向上进行往复运动,使钻具在井底的静摩擦变成动摩擦,既有效地实现了降低钻具摩阻,又达到了改善钻压传递的效果,且不影响MWD、螺杆钻具的使用。该工具首次在四川盆地西部新场气田的新沙21-28H井进行了提高钻速应用试验,在Φ172mm振荡器的上下位置各接入1根加重钻杆,以预防钻具轴线蠕动造成钻具应力破坏。结果表明:加接该工具的滑动钻进机械钻速提高了45.16%、复合钻进机械钻速提高了30.00%,取得了非常显著的效果。该工具的应用需充分考虑钻井设备的工作能力,最大限度发挥其潜力。

一种能有效提高机械钻速的水力振荡器

针对国内研发的工具无法满足"优、快"钻井要求的现状,研制了水力振荡器。该振荡器主要由动力部分、阀轴系统和振荡短节部分组成,将常规井下动力工具与特殊的阀相结合,把钻井液动能转化为沿钻具轴向的振动机械能,并把常规的旋转破岩方式改成钻压柔和变化的回转破岩,使钻具与井壁处于动摩擦状态,减小了摩阻,降低粘卡可能性,增加钻压,从而进一步提高破岩效率。室内试验结果表明,该水力振荡器能够实现压力脉冲从而激发轴向振荡所需压降。