当前，页岩气等非常规资源已成为能源开发领域的热点。页岩既是天然气生成的源岩，也是聚集和保存天然气的储层和盖层。一方面页岩气藏的储层气流的阻力比常规天然气大，所有井都需要实施储层压裂改造才能开采；另一方面，页岩气的采集率比较低，但其储量丰富，一旦实现规模开采，便可获得丰富的天然气资源。

新型井下工具助力页岩气开发

近几年来，我国页岩气的开采取得了一定的成果，但还未形成成熟的技术。水平钻井、水力压裂等先进技术推动了页岩气开发的快速发展，另外，由于海上开发、海油陆采、非常规开发等需要，定向井、水平井、大位移井、多分支井的钻井数量越来越多。

水平井和大位移井的位垂比较高，随着位垂比越来越高，将出现过大的摩阻和钻柱屈曲，一旦垂直井段或小角度斜井段中的钻压不足以推动大段斜井或水平井眼中的钻柱，会导致钻柱发生自锁，使得泥浆马达滑动钻进、钻柱与完井管柱的下入、钻进期间为钻头传递钻压都将变得异常困难。并且，在高摩阻情况下波动的WOB会导致钻头的瞬间无规律冲击，降低其寿命。随着复杂井的数量越来越多，高摩阻问题也日益突出。因此，解决拖压问题、实现有效的钻压传递、减少滑动钻进期间的钻具拖拉现象、减少马达制动现象、对提高工具面的控制能力并最终实现提速增效具有重要意义。

美国NOV下属Andergauge开发了轴向振动减阻工具，用于解决此类问题，应用于滑动钻进、连续管作业都取得了很好的效果，后又成功应用于直井、马达导向钻井、旋转导向钻井、大位移井、页岩气储层钻井等。

设计精准结构完善

轴向振动减阻工具由动力激发部分、阀总成和振动发生部分3个部件组成，动力激发部分是一个容积式马达，钢制转子与橡胶定子采用1:2头配置（常规螺杆泵动力工具是多瓣式），这种配置较常规多头配置提供了更大的腔室容积，可获得更高的旋转速度。但该部分并不需要产生扭矩，因此承压小，不易失效。阀总成由一个振荡阀总成和一个固定阀总成组成，振荡阀总成接在容积式马达转子下端，固定阀总成固定安装在工具下接头顶端。当转子旋转时，振荡阀总成以近似直线的运动轨迹前后扫动，振荡阀总成的运动导致流过固定阀总成的钻井液形成周期性阻碍，总的过流面积从最大变化到最小，从而在钻柱中产生预期的压力脉冲，脉冲频率与流率成比例关系，它会引起钻柱上下双向运动。振动发生部分通常位于动力激发部分上端，将压力脉冲转化成机械运动。振动发生部分有一个靠弹簧承托的心轴，心轴在钻杆内部压力和环空压力之间实现密封，当内压作用在内部的密封区域，推动芯轴扩张；当压力减小，弹簧将芯轴推回初始位置，由此心轴完成一次上下振动。振动发生部分的工作冲程范围一般为3.18～9.53mm（1/8″～3/8″），轴向振动始终保持钻柱处于连续脉动状态，从而达到降低钻柱与井眼静摩擦、改善钻压传递和减少扭矩波动的目的。

良好的应用效果

美国页岩气钻井应用：美国的页岩层大多属于坚硬研磨性夹层，钻进过程中会导致钻具的严重振动、形成弯曲井眼、定向与水平井段摩阻很高等问题，在Haynesville页岩直井眼段钻进期间经历了大范围振动，造成了各种不同钻柱组件的损坏、过低的ROP（钻机时间的损失导致钻井成本升高）、钻头寿命短造成的起下钻次数增多以及更换设备等问题。对一套井下马达驱动的固定翼钻头钻具组合，以4.69m/h（15.4ft/h）的平均机械钻速钻进了457.81m（1502ft）长的井段，之后由于摩阻太高，ROP逐渐减低到3.66m/h（12ft/h），被迫起钻，将一只钻井振荡工具接到了BHA中，极大降低了摩擦阻力，采用同样的钻头、同样的马达，得以继续钻进到639.47m（2098ft），钻到了中完深度，平均机械钻速为5.67m/h（18.6ft/h），进尺提高了28%，ROP提高了40%。

定向造斜段与水平段应用：在阿曼的一口井上，常规滑动（不带轴向振动减阻工具）钻进到2850m，最终的1.2h内发生了多次泵压波动和悬重（大钩载荷）波动，影响到了工具面的控制，马达导向以滑动钻进模式无法继续进行，把该工具接到了距钻头大约250m的位置，从2929m开始实行滑动钻进，定向司钻顺利完成了后续的滑动钻进，而且钻压平稳、泵压恒定，机械钻速随钻压增大获得明显提高。

直井（传统旋转钻井）应用：在阿曼的一口井，212.73mm（8 3/8″）和311.15mm（12 1/4″）直井段钻压传递困难，钻进受阻。使用该工具，其产生的轴向振动能够辅助整个钻柱顺利通过潜在的挂卡点，钻压传递得到了明显改善，由此卡滑现象减少，延长了钻头寿命，钻压更加平稳。从实际使用效果来看，212.73mm（8 3/8″）井眼中机械钻速比邻井提高60%，311.15mm（12 1/4″）井段钻头寿命增加、起下钻换钻头趟次减少、钻进天数减少、机械钻速达到了某些邻井的两倍。

除了以上应用外，分析某井区域的19次运行：其中8次有轴向振动减阻工具，11次没有轴向振动减阻工具。所有的运行都在相同的地层中，使用相同的PDC钻头进行，并且被放置在离钻头75ft之内，效果对比如图。没有轴向振动减阻工具的平均效果——钻速22.5ft/hr，钻进深度1076ft；有轴向振动减阻工具的平均效果——钻速30.0ft/hr，钻进深度1272ft，轴向振动减阻工具提升了钻速33%，提升了每个钻头进尺数18%。

轴向振动减阻工具应用前景广阔

轴向振动减阻工具的良好使用需要满足各项操作参数的要求，并在使用前后了解作业工况，及时调整以发挥该工具的性能。

该工具具有如下特点：轴向振动减阻工具产生BHA温和的低频低幅振动，这种微弱连续的轴向振动打破了静态摩擦并且消除了扭转振动，其产生的结果是消除了重量堆积，使重量转移到钻头的效果很好，因而增加了钻速和钻头寿命。该工具在使用中发生的损坏通常由过量横向振动引起，钻探面的不均匀使得钻头在旋转过程中发生弹跳，冲击力反向传递至钻井工具串，被该工具吸收。因此使用该工具应避免钻头齿端硬质合金破损从而延长钻头寿命，并避免钻机及工具串承受过量载荷。

目前国内尚无企业推出此类产品，进行轴向振动减阻工具的研究开发，具备良好的应用前景，对于完善多项特殊钻井技术有重要意义。