水力振荡器损坏形式与判断方法研究_王建龙.pdf

2020年第11期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-01-13修回日期 2020-01-13 第一作者简介 王建龙 （1984-） ， 男 （汉族） ， 天津人， 工程师， 现从事钻井提速工具研发与应用工作。 水力振荡器损坏形式与判断方法研究 王建龙*1， 叶顺友 2， 张洪虎2， 王 佳 2， 王海滨2， 马 凯 2 （1.中石油集团渤海钻探工程技术研究院， 天津 300280； 2.中石油集团渤海钻探第一钻井分公司， 天津 300280） 摘要 水力振荡器是缓解定向托压最有效的技术之一。然而， 现场应用过程中， 经常出现密封失效、 盘阀 碎裂、 碟簧碎裂等问题， 导致井下工作异常。井下工作异常， 轻则导致无提速效果， 重则导致井下事故。因 此， 归纳了水力振荡器井下失效形式， 在分析了失效原因的基础上， 统计分析了失效形式与地面泵压、 应用 效果等变化规律， 形成了一套井下失效形式的地面判断方法， 为工具的安全应用提供了技术支持。 关键词 水力振荡器； 缓解托压； 失效形式； 泵压； 应用效果 中图分类号 TE2 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202011-0073-03 水力振荡器是目前缓解定向托压最有效的技术之 一， 其主要是通过自身产生的轴向的蠕动， 将钻柱与井 壁间的静摩擦转变为动摩擦， 提高了滑动钻进过程中 钻压的传递效率， 进而提高滑动钻进机械钻速[1-6]。然 而， 现场应用过程中， 经常出现密封失效、 盘阀碎裂、 碟 簧碎裂等问题， 导致井下工作异常。井下工作异常， 轻 则导致无提速效果， 重则导致井下事故。因此， 本文重 点归纳水力振荡器井下失效形式， 并提出了失效判断 方法， 为工具的安全高效应用提供给了技术支持。 1结构及工作原理 水力振荡器系统包括脉冲短节和振荡短接[7-9]， 如图 1所示。脉冲短节是产生压力波动的部分， 主要由转子、 定子、 动阀盘和定阀盘组成； 振荡短节是产生蠕动工作 的部分， 主要由芯轴、 碟簧组、 活塞和密封系统组成。 钻井液流经脉冲短节时， 驱动内部转子高速转动， 带动动阀盘做平面往复运动， 运动过程中动阀盘与定 阀盘交错面积发生周期性的变化。当动阀盘与定阀盘 交错到最小重合位置时， 过流面积达到最小值， 此时产 生最大压力波动； 当动阀盘与定阀盘交错到最大重合 位置时， 过流面积达到最大值， 此时产生最小压力波 动。周期性的压力脉冲作用在活塞上， 带动振荡短节 上的碟簧组产生一定频率的轴向蠕动， 从而带动上下 连接的钻具产生温和振动。 2失效形式及原因分析 统计分析了大港、 华北、 冀东、 苏里格等油气田150 余口井水力振荡器现场应用情况， 总结井下失效形式 主要有芯轴锈蚀、 碟簧碎裂、 密封失效、 转子损坏、 定子 脱胶和盘阀碎裂等6种。 （1） 芯轴锈蚀。芯轴锈蚀的主要原因外力伤害， 包 括运输或吊装过程中磕碰、 井口紧扣过程中将安全卡 瓦卡在了芯轴处， 导致芯轴镀铬层损伤， 损伤部位长时 间暴露在钻井液中会产生腐蚀。 （2） 碟簧碎裂或变形。碟簧是水力振荡器产生动 作的核心部件。碟簧组通常采用单片对合方式组装， 数量一般在30～40片。在井下工作状态下， 碟簧组伸 缩频率高达720～960次/min， 长时间交替伸缩条件下， 碟簧会出现碎裂或弹性消失， 导致伸缩功能异常， 影响 水力振荡器。统计碟簧变形量与工作时间的关系显 图1水力振荡器系统结构示意图 73 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 示， 碟簧的安全工作时间为260h。 （3） 密封失效。密封失效问题一般发生在活塞处 的外密封， 若密封失效将会导致钻井液从水力振荡器 本体呼吸孔处流出， 造成循环短路， 轻则导致机械钻速 变慢、 定向井仪器信号消失， 重则导致本体断裂、 工具 落井。密封失效的主要原因有外力损伤、 正常磨损和 超过承压极限三种。其中外力损伤是指带有密封系统 的活塞装配过程中， 若工具本体内壁不光滑导致密封 圈先期损坏。正常磨损是指密封系统与本体内壁经过 长时间的高频率的接触摩擦， 密封系统上的耐磨带会 有逐渐磨损， 当磨损达到一定程度， 会出现密封失效。 超过承压极限是指设计的密封系统承压能力较低， 面 对高压流体长时间的挤压， 容易出现密封失效。 （4） 转子损坏。转子损坏最主要的原因是外力损 伤， 一般情况为井口落物或者钻井液中的杂质进入到 钻具内， 流经转子位置时， 导致转子镀铬层损伤。 （5） 定子脱胶。定子脱胶主要有两方面的原因 一 是井下温度过高， 超过橡胶的耐温； 二是钻井液润滑剂 中有丁氰类物质， 导致橡胶性能破坏。 （6） 盘阀碎裂。盘阀材质为硬质合金， 硬度高耐 磨， 但是脆性强。盘阀碎裂主要是由于装配过程中， 未 将动盘阀装配到位， 动盘阀与定盘阀端面有间隙， 钻井 液流经工具时， 转子带动动盘阀下移， 瞬间接触定盘 阀， 导致盘阀碎裂。 3井下失效判断方法 统计水力振荡器应用过程中出现的异常情况， 发 现影响井下工作状态的失效形式有碟簧碎裂或变形、 密封失效、 定子脱胶和盘阀碎裂。结合地面泵压和定 向效果变化， 形成了工具井下失效形式的判断方法。 具体如表1所示。 类型 泵压 降低 泵压 升高 地面直观显示 （1） 泵压下降0.5～1MPa之后， 保持稳定。 （2） 定向井测斜仪器信号正常。 （3） 定向效果正常 （1） 泵压下降1MPa之后， 继续降低。 （2） 定向井测斜仪器信号变差或者消失。 （3） 定向效果由好变差 （1） 泵压下降1MPa以上， 后保持稳定。 （2） 定向井仪器信号正常。 （3） 定向效果由好突然变差。 （1） 泵压升高0.5～1MPa， 甚至更高。 （2） 定向井仪器信号正常。 （3） 定向效果由好变差 （1） 泵压升高0.5～1MPa， 甚至更高。 （2） 定向井仪器信号时有时无， 甚至消失。 （3） 定向效果正常 工具工作状态 脉冲短节内1 ∶ 2螺杆的定子正常磨损， 可继续工作 振荡短节内活塞密封失效， 导致局部循环短路， 起钻检查 碟簧碎裂或者盘阀碎裂， 工具停止振动， 起钻换新工具 脉冲短节内1 ∶ 2螺杆的转子被钻井液中的杂物卡住， 起钻检查 定子局部脱胶， 在定向井测斜仪器出卡住， 水力振荡器可正常工作 表1水力振荡器井下工作状态判断方法统计表 下面对3个典型案例进行分析， 具体如下 案例1 Z1618-28井水力振荡器入井45h之后， 压 降缓慢下降0.8MPa之后， 不再下降， 定向井仪器信号 一切正常。初期判断为工具正常压力损耗， 可继续钻 进， 入井工作147h之后起钻， 井口再次测试水力振荡 器， 压降较新工具降低1MP。由于该井应用的水力振 荡器为全新， 初期脉冲短节内转子、 定子配合比较紧， 随着定子的正常磨损， 压耗逐渐降低， 直至保持稳定。 通过井下工作和地面测试的现场， 判断为水力振荡器 定子正常磨损。 案例2 F1701井水力振荡器入井48h之后， 泵压缓 慢下降1MPa之后， 突然下降至3MPa， 定向井仪器信 号越来越差， 直至消失， 后期定向托压严重， 基本无法 定向。起钻检查钻具之后， 发现活塞密封失效， 振荡短 节呼吸孔处本体刺漏， 形成局部循环短路， 导致压降下 降和定向井仪器信号消失。（下转第78页） 74 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 型进行计算。 （3） 应变片温度漂移造成的误差与最终计算得到的 地应力误差基本一致， 建议选用受温度影响较小的较高 等级的高温应变片， 以保证地应力测试结果准确性。 （4） 讨论了垂直深钻孔条件下提高地应力测试精 度的几种措施。 参考文献 [1]GRAY D, ANDERSON P, LOGEL J, et al. Estimation of stress and Geomechanical Properties Using 3D Seismic Data [J]. First Break, 2012, 181230. [2]肖钢, 唐颖. 页岩气及其勘探开发 [M]. 高等教育出版社, 2012. [3]KIM K, FRANKLIN J. Suggested s for Rock Stress De- termination; Proceedings of the International Journal Of Rock Mechanics And Mining Sciences Proceedings of the ISRM International Sym- posium, F, 1986 [C]. International Society for Rock Mechanics and Rock Engineering. [7]PINE R, KWAKWA K. Experience With Hydrofracture Stress Measurements to Depths of 2.6 km and Implications for Mea- surements to 6 km in the Carnmenellis Granite; Proceedings of the International Journal of Rock Mechanics and Mining Sci- ences Geomechanics Abstracts, F, 1989 [C]. Elsevier. [8]葛修润, 侯明勋. 一种测定深部岩体地应力的新方法钻孔 局部壁面应力全解除法 [J]. 岩石力学与工程学报, 200423. [9]葛修润, 侯明勋. 钻孔局部壁面应力解除法BWSRM的原理 及其在锦屏二级水电站工程中的初步应用 [J]. 中国科学技 术科学, 2012, 424. [10]秦雨樵, 汤华, 吴振君, 等. 基于钻孔局部壁面应力解除法 的深部页岩三维地应力计算方法 [J]. 岩石力学与工程学 报, 2018, 376. （上接第74页） 案例3 C20-59X井水力振荡器入井39.5h之后， 泵压突然下降2.6MPa， 定向井仪器信号正常， 定向效 果瞬间变差， 起钻检查钻具后， 发现水力振荡器定阀盘 碎裂， 无法产生压力脉冲， 导至泵压瞬间下降， 最终导 致定向无效果。 案例4 Z55-10H井水力振荡器入井76.8h之后， 泵压突然升高2MPa， 定向井仪器信号先变差， 后消失， 定向效果正常。起钻检查后， 发现定子顶端局部出现 脱胶， 最终卡在定向井仪器顶端的蘑菇头处， 造成泵压 突然升高。并且由于定子橡胶是局部脱落， 水力振荡 器工作仍能正常工作， 所以定向效果正常。 4结论及建议 （1） 水力振荡器是缓解定向托压最有效的技术之 一， 主要是依靠自身产生的蠕动， 使钻柱与井壁间的静 摩阻变为动摩阻， 提高滑动钻进钻压传递效率， 进而提 高机械钻速。 （2） 水力振荡器芯轴锈蚀、 转子损坏、 盘阀碎裂和 定子脱胶多为人为因素导致， 碟簧碎裂或变形、 密封失 效多为超过极限寿命。 （3） 泵压、 定向井仪器信号和定向效果是水力振荡 器井下工作最直接的判断方法， 需要综合三方面的参 数变化判断工具失效位置。 参考文献 [1]石崇东， 党克军， 等.水力振荡器在苏36～8～18H井的应用[J]. 石油机械， 2012,40 （3） 35-38. [2]李博.水力振荡器的研制与现场试验[J].石油钻探技术， 2014， 42 （1） 111-113. [3]易先中， 宋顺平， 王立宏.复杂结构井中钻柱托压效应的研 究进展[J].石油机械， 2013， 32 （5） 100-105,110. [4]刘华洁， 高文金， 等.一种能有效提高机械钻速的水力振荡 器[J].石油机械， 2013,41 （7） 46-48. [5]胥豪， 牛洪波， 等.水力振荡器在新场气田新沙21～28H井的 应用[J].天然气工业， 2013,33 （3） 64-67. [6]许京国， 尤军， 陶瑞东， 等.自激振荡式冲击钻井工具在大港 油田的应用[J].石油钻探技术， 2013,41 （4） 116-119. [7]王建龙， 王丰， 张雯琼， 等.水力振荡器在复杂结构井中的应 用[J].石油机械， 2015， 43 （4） 54-58. [8]张康， 冯强， 王建龙， 等.水力振荡器最优安放位置研究与应 用[J].石油机械， 2016,44 （2） 38-41. [9]张辉,吴仲华,蔡文军.水力振荡器的研制与现场试验[J].石油 机械,2014,42612-15. 78 ChaoXing