水平井段旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)鉆頭側(cè)向力及鉆進(jìn)趨勢(shì)試驗(yàn)研究

邵冬冬,管志川,溫 欣,史玉才

(中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島266580)

水平井段旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)鉆頭側(cè)向力及鉆進(jìn)趨勢(shì)試驗(yàn)研究

邵冬冬,管志川,溫 欣,史玉才

(中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島266580)

進(jìn)行水平井段旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)鉆頭側(cè)向力的試驗(yàn)研究,并將鉆頭側(cè)向力分解為方位力和井斜力,以這兩個(gè)力的變化規(guī)律為基礎(chǔ),對(duì)待鉆井的鉆進(jìn)趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果表明:隨著鉆壓和轉(zhuǎn)速的增加,方位力和井斜力的變化規(guī)律不同,增加鉆壓,兩個(gè)力波動(dòng)的頻率變小,波動(dòng)的能量變大,但方位力的波動(dòng)頻率大于井斜力的波動(dòng)頻率,方位力的波動(dòng)能量小于井斜力的波動(dòng)能量;增加轉(zhuǎn)速,方位力的波動(dòng)頻率變大,波動(dòng)能量幾乎不變,井斜力的波動(dòng)頻率變化不大,但波動(dòng)能量變大;在實(shí)際的鉆進(jìn)過(guò)程中,為避免“方位漂移”現(xiàn)象的加劇,建議使用較低鉆壓或者高鉆壓鉆進(jìn);為避免井斜加劇,建議使用低鉆壓和低轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。

鉆井;水平井;旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn);鉆頭側(cè)向力;鉆進(jìn)趨勢(shì)

在定向井、水平井旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過(guò)程中,實(shí)鉆井眼軌跡普遍存在“方位漂移”[1-5]現(xiàn)象,給鉆井工作帶來(lái)很大的困難。如何實(shí)時(shí)、有效地控制井眼軌跡一直以來(lái)都是鉆井科研工作者和現(xiàn)場(chǎng)工程師研究和探索并致力于解決的問(wèn)題。井眼的形成是鉆頭與地層相互作用的結(jié)果,在鉆進(jìn)過(guò)程中,鉆頭側(cè)向力是影響井眼軌跡的一個(gè)重要因素。影響鉆頭側(cè)向力的因素主要包括底部鉆具組合參數(shù)(鉆柱長(zhǎng)度、外徑、彎角、穩(wěn)定器位置、穩(wěn)定器個(gè)數(shù)等)、鉆進(jìn)參數(shù)(鉆壓、轉(zhuǎn)速等)、已鉆井眼參數(shù)(井眼曲率半徑、井斜角、方位角等)和地層特性參數(shù)等。國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者以鉆頭側(cè)向力的變化規(guī)律為目標(biāo),進(jìn)行了大量的理論研究[6-10],并取得了很多有價(jià)值的研究成果,為現(xiàn)場(chǎng)有效控制及調(diào)整井眼軌跡提供了一定的理論支持。在實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中,已鉆井眼參數(shù)和地層特性參數(shù)都為客觀因素,不可改變,而且底部鉆具組合也不可能頻繁地更換。當(dāng)選定了一套鉆具組合旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí),可以人為控制的就只有鉆進(jìn)參數(shù),包括鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆井液性能參數(shù)等。筆者基于這一點(diǎn),通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)的方法,對(duì)水平井旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)不同鉆壓和轉(zhuǎn)速下鉆頭側(cè)向力的變化規(guī)律進(jìn)行研究,在側(cè)向力變化的基礎(chǔ)上,為如何預(yù)測(cè)并控制待鉆井眼的鉆進(jìn)趨勢(shì)提供支持。

1 試驗(yàn)裝置

以水平井鉆柱動(dòng)力學(xué)模擬試驗(yàn)裝置為依托,鉆頭側(cè)向力測(cè)量裝置如圖1所示。模擬試驗(yàn)裝置[11-12]根據(jù)相似原理按照幾何比(模擬鉆具∶實(shí)際鉆具)1∶10的比例建造。模擬裝置總長(zhǎng)11 m,模擬井筒和鉆柱長(zhǎng)9.5 m,可實(shí)現(xiàn)鉆柱在不同鉆壓、轉(zhuǎn)速條件下鉆頭波動(dòng)壓力和鉆頭側(cè)向力的同步實(shí)時(shí)測(cè)量。

圖1 鉆頭側(cè)向力測(cè)量裝置示意圖Fig.1 Schematic drawing of lateral force of bit measuring device

圖2 側(cè)向力傳感器分布示意圖Fig.2 Schematic drawing of distribution of lateral force sensors

鉆頭側(cè)向力傳感器的分布與測(cè)量示意圖如圖2所示。模擬鉆頭與測(cè)力環(huán)周向接觸,測(cè)力環(huán)為一金屬圓環(huán),接受鉆頭的瞬時(shí)沖擊;3個(gè)壓力傳感器沿測(cè)力環(huán)周向均勻分布,分別編號(hào)為1#、2#和3#。

鉆頭側(cè)向力分析圖如圖3所示。

圖3 鉆頭側(cè)向力分析圖Fig.3 Analysis drawing of lateral force of bit

其中F1、F2和F3分別為3個(gè)側(cè)向力傳感器所測(cè)得的壓力值;Nb為3個(gè)力的合力,即鉆頭側(cè)向力;為了研究方便,將鉆頭側(cè)向力Nb正交分解,其中Nbx為方位力(Nbx大于0,增方位),Nby為井斜力(Nby大于0,增井斜)。這幾個(gè)力的換算關(guān)系為

式中,Ωm為模型轉(zhuǎn)速,r/min;Pm為模型鉆壓,kN;Ω為鉆井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際鉆速,r/min;P為鉆井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際鉆壓,kN。

根據(jù)相似理論[13-15]計(jì)算得出,當(dāng)鉆壓和轉(zhuǎn)速關(guān)系符合式(2)時(shí),觀察到的試驗(yàn)現(xiàn)象與工程實(shí)際相似,可以將試驗(yàn)得到的結(jié)論用于工程實(shí)際。

2 鉆頭側(cè)向力的變化

對(duì)鉆頭側(cè)向力的分析主要是分析其兩個(gè)分量方位力(Nbx)和井斜力(Nby),為鉆進(jìn)趨勢(shì)的預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持。

本研究選定模擬鉆具組合參數(shù):Φ152.4 mm鉆頭+Φ120 mm彎螺桿鉆具+Φ148 mm穩(wěn)定器+ Φ101.6 mm無(wú)磁承壓鉆桿×1根+LWD+Φ101.6 mm無(wú)磁承壓鉆桿×1根+Φ101.6 mm斜坡鉆桿×若干+ Φ101.6 mm加重鉆桿×若干。

試驗(yàn)參數(shù):①試驗(yàn)?zāi)M鉆壓0.5～2.5 kg,均分5個(gè)等級(jí),對(duì)應(yīng)鉆井現(xiàn)場(chǎng)鉆壓44.7～223.7 kN;②試驗(yàn)?zāi)M轉(zhuǎn)速50～300 r/min,均分6個(gè)等級(jí),對(duì)應(yīng)鉆井現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)速17.4～104.4 r/min。試驗(yàn)通過(guò)固定鉆壓調(diào)整轉(zhuǎn)速的方式進(jìn)行。

其他條件:井眼水平(井斜角α=90°)。

本文中分析使用的鉆壓和轉(zhuǎn)速除特殊標(biāo)明外為模型的鉆壓和轉(zhuǎn)速。

2.1 鉆壓對(duì)鉆頭側(cè)向力的影響

將試驗(yàn)中3個(gè)傳感器所測(cè)得的壓力值通過(guò)式(1)整理可以得到不同鉆壓和轉(zhuǎn)速下方位力(Nbx)和井斜力(Nby)。以轉(zhuǎn)速150 r/min(2.5 Hz)為例, Nbx和Nby時(shí)域圖如圖4所示。其中,W為鉆壓;黑色線條為實(shí)測(cè)值,紅色線條為移動(dòng)平均值。圖5為轉(zhuǎn)速150 r/min,不同鉆壓下的頻譜圖。

圖4 不同鉆壓時(shí)鉆頭側(cè)向力變化規(guī)律Fig.4 Variation law of lateral force of bit in different WOBs

圖5 不同鉆壓時(shí)鉆頭側(cè)向力頻譜Fig.5 Spectrogram of lateral force of bit in different WOBs

由圖4、5可以看出:

(1)鉆壓增大,方位力Nbx的波動(dòng)幅值逐漸增大,由-10～15 N增大至-20～20 N,低鉆壓時(shí)回歸曲線較平緩,隨著鉆壓的增大,回歸曲線變得紊亂;從頻譜圖可以看出,低鉆壓時(shí),方位力波動(dòng)以高頻振動(dòng)(30～55 Hz)為主,波動(dòng)的能量較低;隨著鉆壓的增大,振動(dòng)頻率集中在25 Hz,波動(dòng)的能量較大,為低鉆壓時(shí)的2倍。

(2)鉆壓增大,井斜力Nby的波動(dòng)幅值變化相對(duì)較小,維持在-15～15 N和-20～20 N,與方位力的變化相似,低鉆壓時(shí)回歸曲線較平緩,隨著鉆壓的增大,回歸曲線變得紊亂;從頻譜圖可以看出,低鉆壓時(shí),井斜力的波動(dòng)頻率集中在5～30 Hz,波動(dòng)能量也較低;鉆壓增大,波動(dòng)頻率集中在15 Hz左右,但波動(dòng)能量明顯增大,可達(dá)到低鉆壓時(shí)的3倍多。

通過(guò)以上分析可得:方位力和井斜力的波動(dòng)皆以高頻振動(dòng)為主;由于水平鉆柱自身重力的影響,沿鉆頭水平方向的方位力的頻率明顯大于沿垂直方向的井斜力的頻率,方位力的波動(dòng)能量也明顯小于井斜力的波動(dòng)能量;增大鉆壓使兩振動(dòng)的頻率逐漸變小趨于集中。

2.2 轉(zhuǎn)速對(duì)鉆頭側(cè)向力的影響

圖6和圖7分別為鉆壓2 kg、轉(zhuǎn)速不同時(shí)鉆頭側(cè)向力(方位力Nbx和井斜力Nby)的時(shí)域圖和頻域圖。

圖6 不同轉(zhuǎn)速時(shí)鉆頭側(cè)向力變化規(guī)律Fig.6 Variation law of lateral force of bit in different rotary speeds

圖7 不同轉(zhuǎn)速時(shí)鉆頭側(cè)向力頻譜Fig.7 Spectrogram of lateral force of bit in different rotary speeds

由圖6、7可以看出:

(1)同一鉆壓下,方位力Nbx的波動(dòng)幅值變化不大,始終維持在-18～18 N,低轉(zhuǎn)速時(shí)回歸曲線較紊亂,高轉(zhuǎn)速下回歸曲線趨于平緩;方位力的波動(dòng)頻率逐漸由低轉(zhuǎn)速時(shí)的5～30 Hz增加到高轉(zhuǎn)速時(shí)的25～65 Hz,波動(dòng)的能量變化不大。

(2)井斜力Nby的波動(dòng)幅值同樣變化不大,但回歸曲線始終較分散;井斜力的波動(dòng)頻率始終維持在5～35 Hz,波動(dòng)的能量逐漸變大。

通過(guò)以上分析可得:隨著轉(zhuǎn)速的增大,方位力的波動(dòng)頻率逐漸增大,但井斜力的波動(dòng)頻率變化較小;波動(dòng)能量的變化與波動(dòng)頻率的變化相反,方位力的波動(dòng)能量變化不大,井斜力的波動(dòng)能量變化較大。

3 旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)側(cè)向力的變化趨勢(shì)

研究鉆頭側(cè)向力的目的是以鉆頭側(cè)向力的變化趨勢(shì)為基礎(chǔ),預(yù)測(cè)待鉆井的鉆進(jìn)趨勢(shì)。為了更直觀且方便地了解待鉆井鉆進(jìn)趨勢(shì),分別將試驗(yàn)所測(cè)得的方位力和井斜力值按照固定時(shí)間(數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間3 s)和鉆柱旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間(按鉆柱的具體轉(zhuǎn)速計(jì)算)進(jìn)行算術(shù)平均,通過(guò)研究平均值的變化規(guī)律分析待鉆井眼的鉆進(jìn)趨勢(shì)。由圖3可知,Nbx＞0為增方位趨勢(shì),Nby＞0為增井斜趨勢(shì)。

圖8和圖9為不同鉆壓和轉(zhuǎn)速時(shí),方位力(Nbx)和井斜力(Nby)的變化曲線。標(biāo)注“1”為鉆柱旋轉(zhuǎn)一周時(shí)間的平均值,標(biāo)注“3”為3 s內(nèi)平均值。由于試驗(yàn)設(shè)備的問(wèn)題,鉆壓1.5 kg、轉(zhuǎn)速50 r/min時(shí)數(shù)據(jù)沒有完整測(cè)量和保存,曲線中留有空白。由圖8、9可得:

(1)低鉆壓(鉆壓為0.5 kg)時(shí),鉆柱旋轉(zhuǎn)一周與3 s時(shí)間內(nèi)井斜力和方位力的變化趨勢(shì)吻合得很好;方位力除在轉(zhuǎn)速210～270 r/min時(shí)出現(xiàn)負(fù)值外,其他轉(zhuǎn)速條件下均為正值;轉(zhuǎn)速較低時(shí),方位力趨向于0,但是都大于0;井斜力除在轉(zhuǎn)速大于280 r/min時(shí)出現(xiàn)負(fù)值外,其他轉(zhuǎn)速下全為正值。

(2)中鉆壓(鉆壓為1.5 kg)時(shí),鉆柱旋轉(zhuǎn)一周與3 s時(shí)間內(nèi)井斜力和方位力的變化趨勢(shì)吻合較好;方位力均為正值,且在120～250 r/min這一轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)方位力較大;井斜力在150～280 r/min皆為負(fù)值,并且在200 r/min左右井斜力值較大。

(3)高鉆壓(鉆壓為2.5 kg)時(shí),鉆柱旋轉(zhuǎn)一周與3 s時(shí)間內(nèi)方位力的變化趨勢(shì)吻合較差,井斜力的變化趨勢(shì)吻合較好;鉆柱旋轉(zhuǎn)一周時(shí)間內(nèi),方位力變化較紊亂;3 s時(shí)間內(nèi),方位力均為正值;井斜力在170 r/min時(shí)出現(xiàn)分化,轉(zhuǎn)速小于170 r/min時(shí)井斜力大于0;轉(zhuǎn)速大于170 r/min時(shí)井斜力小于0。

水平井旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)待鉆井井眼的變化趨勢(shì)為:

(1)低鉆壓時(shí),轉(zhuǎn)速小于200 r/min(實(shí)際轉(zhuǎn)速69.4 r/min)時(shí)待鉆井眼為增方位和增井斜趨勢(shì),但趨勢(shì)不明顯;轉(zhuǎn)速為210～270 r/min(實(shí)際轉(zhuǎn)速72.9～93.8 r/min)時(shí),待鉆井眼為降方位和增井斜趨勢(shì),而且趨勢(shì)明顯;轉(zhuǎn)速大于280 r/min(實(shí)際轉(zhuǎn)速97.2 r/min)時(shí),待鉆井眼為增方位和降井斜趨勢(shì),趨勢(shì)明顯。

圖8 平均側(cè)向力隨轉(zhuǎn)速變化的曲線Fig.8 Variation of average lateral force with rotary speed

(2)中鉆壓時(shí),待鉆井眼增方位,轉(zhuǎn)速大于120 r/min(實(shí)際轉(zhuǎn)速41.7 r/min)時(shí)井眼降斜;轉(zhuǎn)速大于280 r/min(實(shí)際轉(zhuǎn)速97.2 r/min)時(shí)井眼增斜。(3)高鉆壓時(shí),鉆柱旋轉(zhuǎn)一周與3 s時(shí)間內(nèi)方位力的變化趨勢(shì)吻合較差,說(shuō)明方位力的波動(dòng)非常劇烈。從宏觀方向看(鉆柱旋轉(zhuǎn)3 s),待鉆井眼表現(xiàn)為增方位趨勢(shì);轉(zhuǎn)速170 r/min(實(shí)際轉(zhuǎn)速59 r/min)前后待鉆井眼由增斜趨勢(shì)變?yōu)榻敌壁厔?shì)。

通過(guò)以上分析可得:① 隨著轉(zhuǎn)速的逐漸增大,待鉆井井眼軌跡表現(xiàn)為增方位趨勢(shì),在低鉆壓(低于50 kN)和高鉆壓(高于180 kN)的情況下,增方位趨勢(shì)不明顯,但在鉆壓中等(50～180 kN)時(shí),井眼的增方位趨勢(shì)非常明顯,這與工程實(shí)際中“方位漂移”現(xiàn)象非常吻合,在工程實(shí)際中,為避免“方位漂移”現(xiàn)象的加劇,建議使用較低鉆壓或者高鉆壓鉆進(jìn);②井斜的變化趨勢(shì)規(guī)律性較差,但總體表現(xiàn)為降斜趨勢(shì),而且較高鉆壓(高于130 kN)、高轉(zhuǎn)速(高于70 r/min)時(shí)降斜趨勢(shì)明顯,在工程實(shí)際中,為避免井斜加劇,建議使用低鉆壓(低于90 kN)和低轉(zhuǎn)速(低于70 r/min)鉆進(jìn)。

圖9 平均側(cè)向力隨鉆壓的變化曲線Fig.9 Variation of average lateral force with WOB

4 結(jié) 論

(1)將鉆頭側(cè)向力正交分解為方位力和井斜力,以這兩個(gè)分力為研究對(duì)象可以直觀地預(yù)測(cè)出待鉆井眼的鉆進(jìn)趨勢(shì),通過(guò)優(yōu)選鉆壓和轉(zhuǎn)速的組合,可以有效地預(yù)測(cè)并控制待鉆井井眼軌跡的變化趨勢(shì)。

(2)鉆柱自重對(duì)方位力和井斜力的波動(dòng)頻率以及波動(dòng)能量的影響非常大。增加鉆壓,兩個(gè)力波動(dòng)的頻率變小,波動(dòng)的能量變大,但方位力的波動(dòng)頻率明顯大于井斜力的波動(dòng)頻率,方位力的波動(dòng)能量卻明顯小于井斜力的波動(dòng)能量;增加轉(zhuǎn)速,方位力的波動(dòng)頻率變大,波動(dòng)能量幾乎不變;井斜力的波動(dòng)頻率變化不大,但波動(dòng)能量變大。

(3)“方位漂移”現(xiàn)象普遍存在,在實(shí)際的鉆進(jìn)過(guò)程中,為避免“方位漂移”現(xiàn)象的加劇,建議使用較低鉆壓(低于50 kN)或高鉆壓(高于180 kN)鉆進(jìn);為避免井斜加劇,建議使用低鉆壓(低于90 kN)和低轉(zhuǎn)速(低于70 r/min)鉆進(jìn)。

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(編輯 李志芬)

Experimental study on bit side force and drilling tendency in a horizontal well using rotary drilling technique

SHAO Dong-dong,GUAN Zhi-chuan,WEN Xin,SHI Yu-cai
(School of Petroleum Engineering in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

An experimental study was conducted to measure the lateral forces on drilling bit in a horizontal well when using a rotary drilling technique.The lateral force of bit can be resolved into an azimuth force and a deviation force,and the drilling tendency can be predicted according to the variations of the two forces.The results show that with the WOB and rotary speed increasing,the variation tendency of the azimuth force and deviation force is different.With the WOB increasing,the variation in the frequency of the two forces is not significant,but the variation in terms of energy is significant.However,the frequency variation of the azimuth force is bigger than that of the deviation force,and the energy variation of the azimuth force is smaller than that of the deviation force.With the rotary speed increasing,the frequency variation of the azimuth force becomes larger,while its energy is almost not affected.Meanwhile,the frequency of the deviation force is not sensitive to the rotary speed,but its energy does.In an actual drilling process,either a lower WOB or a higher WOB is suggested to use in order to avoid the“bit-walk”phenomena.Lower WOB and lower rotary speed can be applied in order to reduce the tendency of well deviation.

drilling;horizontal well;rotary drilling;bit side force;drilling tendency

TE 21

:A

1673-5005(2014)03-0061-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2014.03.010

2013-07-08

國(guó)家“973”發(fā)展計(jì)劃(2010CB226706);國(guó)家“863”發(fā)展計(jì)劃(2012AA091501);“十二五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05021-001)

邵冬冬(1984-),男,博士研究生,主要從事油氣井力學(xué)、信息與控制工程和油氣井管柱力學(xué)研究。E-mail:shddong2007@163. com。