水力振蕩器提速原理分析與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

明瑞卿

長(zhǎng)江大學(xué) （湖北 武漢 430100）

隨著油田開(kāi)發(fā)的逐漸深入，大斜度井、水平井、多分支水平井等非常具有挑戰(zhàn)性的復(fù)雜結(jié)構(gòu)井?dāng)?shù)量越來(lái)越多。如何實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)和提高水平段長(zhǎng)度成為關(guān)注的核心。然而由于井斜較大造成鉆柱和井壁之間摩阻較大，鉆壓傳遞效率降低；水平段長(zhǎng)度越長(zhǎng)，出現(xiàn)托壓、粘滑、丟失工具面等現(xiàn)象更嚴(yán)重，限制了鉆進(jìn)速度并制約了水平段長(zhǎng)度的延伸[1]。為此，各大油田在鉆井施工中采用了水力振蕩器。因此，開(kāi)展水力振蕩器提速原理分析對(duì)于推動(dòng)水力振蕩器的優(yōu)化和合理使用具有重要的實(shí)際意義

1 水力振蕩器的基本結(jié)構(gòu)及原理

水力振蕩器一般由動(dòng)力、閥門(mén)與軸承系統(tǒng)、振動(dòng)等3個(gè)部分組成[2]。其基本原理為：閥門(mén)定閥片和動(dòng)閥片相對(duì)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力部分使上游壓力周期性地作用在彈簧短節(jié)上，彈簧短節(jié)不斷地壓縮其內(nèi)在的彈簧而形成振動(dòng)，通過(guò)短節(jié)的流體壓力周期性變化，作用在短節(jié)內(nèi)的彈簧上，因?yàn)閴毫Υ笮≈芷谧兓?，短?jié)的活塞就在彈簧和壓力的雙重作用下產(chǎn)生軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這樣就會(huì)使與工具連接的其他鉆井工具在軸向上也往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由于彈簧的壓縮是損耗能量的，所以當(dāng)能量釋放時(shí)，有75%的作用力向下而指向鉆頭方向，其余25%作用力與鉆頭反方向，振動(dòng)頻率與通過(guò)工具的流量呈線(xiàn)性關(guān)系，頻率為9～26Hz，工具的瞬間沖擊加速度為1～3倍的重力加速度[3]。

水力振蕩器安裝到鉆柱中，一方面使得滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)的靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)摩擦，另一方面它所帶來(lái)的振動(dòng)和鉆柱本身破巖的振動(dòng)相疊加，必然會(huì)改變鉆柱的動(dòng)力學(xué)性能。下面就從這幾個(gè)方面來(lái)分析該工具的作用機(jī)理。

1.1 靜摩擦轉(zhuǎn)換為動(dòng)摩擦

目前，鉆井主要有通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鉆柱鉆進(jìn)和井下動(dòng)力鉆具滑動(dòng)鉆進(jìn)2種鉆進(jìn)方式。在定向鉆井的時(shí)候，常常使用井下動(dòng)力馬達(dá)滑動(dòng)鉆進(jìn)。此時(shí)鉆柱不旋轉(zhuǎn)，而軸向速度很慢，幾乎可以忽略，因此可認(rèn)為在滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)鉆柱和井壁為靜摩擦。需要克服的摩擦阻力就由轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的滑動(dòng)摩擦力變?yōu)殪o摩擦力。最大靜摩擦力大于動(dòng)摩擦力,故滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)的摩阻往往會(huì)大于轉(zhuǎn)盤(pán)鉆進(jìn)的摩阻。目前已經(jīng)建立的摩擦力模型多達(dá)幾十種，最常用的有庫(kù)倫（Coulomb）摩擦力模型、庫(kù)侖+粘滯模型、Stribeck摩擦模型等。叢爽于1998年提出另外一種與速度呈指數(shù)關(guān)系的非線(xiàn)性摩擦模型形式，該模型采用簡(jiǎn)化的方法，同時(shí)抓住非線(xiàn)性摩擦的本質(zhì)特點(diǎn)，只需要較少的實(shí)驗(yàn)既可以確定模型中的參數(shù)，與其他非線(xiàn)性摩擦模型相比更加易于在實(shí)際工程中的應(yīng)用[4]。

Tf(ω)=Tcsgn(ω)+ΔT·e-α|ω|sgn(ω)

其中：Tf為最大靜摩擦力矩；Tc為庫(kù)倫力矩；ΔT=Ts-Tc；ω 為相對(duì)速度；α 為摩擦系數(shù)。

最大靜摩擦力可由實(shí)驗(yàn)獲得，對(duì)線(xiàn)性系統(tǒng)模型加上所提摩擦力模型后所得到的系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)調(diào)整值使得其輸出與相同輸入下實(shí)際系統(tǒng)的輸出一致，以此來(lái)得到精確的摩擦力矩的補(bǔ)償模型和的值[5]。摩擦力矩在低速條件下，是隨著速度的增大從靜摩擦力矩逐漸以指數(shù)形式下降到庫(kù)倫摩擦力矩值的。

國(guó)外做了大量的振動(dòng)裝置減摩阻實(shí)驗(yàn)，在一定頻率和振幅下，摩擦力變化大，最高降低了94%[6]。對(duì)于全井段而言，水力振蕩器影響的鉆柱范圍越大，其減摩阻效果也就越好?？梢?jiàn)僅僅是鉆柱動(dòng)靜摩擦力之間的轉(zhuǎn)換也會(huì)引起整個(gè)鉆柱摩阻的較大變化。摩阻的減小導(dǎo)致在鉆壓傳遞過(guò)程中損耗的能量減少，整個(gè)鉆井系統(tǒng)的效率也就提高了。

1.2 靜剛度和動(dòng)剛度

在細(xì)長(zhǎng)的井眼中，鉆柱往往表現(xiàn)出“柔軟”的特性，這也是“軟繩”摩阻模型假設(shè)條件和應(yīng)用基礎(chǔ)。桿件在靜載荷下抵抗變形的能力稱(chēng)為靜剛度，在動(dòng)載荷下抵抗變形的能力稱(chēng)為動(dòng)剛度，即引起單位振幅所需的動(dòng)態(tài)力。如果干擾力變化很慢（即干擾力的頻率遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)的固有頻率），動(dòng)剛度與靜剛度基本相同；干擾力變化極快（即干擾力的頻率遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)的固有頻率），結(jié)構(gòu)變形比較小，動(dòng)剛度將大于靜剛度；當(dāng)干擾力的頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率相近時(shí)，有共振現(xiàn)象，此時(shí)動(dòng)剛度最小，即最易變形，其動(dòng)變形可達(dá)靜載變形的幾倍乃至十幾倍[7]。

因此，當(dāng)水力振蕩器安裝到鉆柱中，不僅僅給鉆柱帶來(lái)了動(dòng)摩擦，還改變了鉆柱的動(dòng)力學(xué)特性。對(duì)于鉆柱的軸向振動(dòng)固有頻率已有很多學(xué)者做過(guò)研究，鉆柱軸向振動(dòng)前幾階固有頻率如表1。

水力振蕩器的輸出頻率為9～26Hz，遠(yuǎn)大于鉆柱的一階固有頻率 0.987Hz，且振幅很?。?～10mm），因此會(huì)造成鉆柱的動(dòng)剛度大于靜剛度。換言之，在安裝水力振蕩器附近的鉆柱剛度變大了，變的更“硬”了，而剛度的增加降低了鉆柱出現(xiàn)正弦屈曲、螺旋屈曲的風(fēng)險(xiǎn)，因此傳遞鉆壓效率更高了，更容易控制工具面。

表1 鉆柱軸向振動(dòng)各階固有頻率

1.3 振動(dòng)的疊加

在鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆頭的破巖、地層的非均質(zhì)性、鉆柱接觸的不連續(xù)等因素都會(huì)引起鉆柱的不規(guī)則振動(dòng)[8-10]。其中一些振動(dòng)會(huì)對(duì)鉆柱及昂貴的井下設(shè)備如旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)、井下測(cè)試工具、錄井工具等造成損害。如鉆柱在渦動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的側(cè)向振動(dòng)和粘滑過(guò)程中產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，研究和實(shí)驗(yàn)證明這2種振動(dòng)對(duì)鉆柱和井下設(shè)備是非常有害的。

通常情況下，由于鉆柱和井壁之間存在和旋轉(zhuǎn)方向相反的摩擦力，故最容易出現(xiàn)反向渦動(dòng)。反向渦動(dòng)會(huì)導(dǎo)致鉆柱中產(chǎn)生特別有害的反向彎曲應(yīng)力。當(dāng)反向渦動(dòng)發(fā)生時(shí)，穩(wěn)定器的葉片和其他BHA組件將分擔(dān)這些振動(dòng)傷害。如果是正向渦動(dòng)，則反向彎曲應(yīng)力出現(xiàn)的趨勢(shì)將大大減少。如果正向渦動(dòng)是和旋轉(zhuǎn)同步的，則反向彎曲應(yīng)力將會(huì)消失。然而，在自然條件下，正向渦動(dòng)是不可能發(fā)生的，需要誘導(dǎo)產(chǎn)生。

在安裝水力振蕩器以后，工具附近的鉆柱會(huì)受到振蕩工具輸出的頻率和振幅影響，而這一振動(dòng)是平穩(wěn)且有規(guī)律的。大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和井場(chǎng)應(yīng)用表明,當(dāng)安裝水力振蕩器并按推薦參數(shù)運(yùn)行時(shí)，可降低粘滑趨勢(shì)并抑制鉆柱側(cè)向振動(dòng)。降低這些有害的振動(dòng)模式出現(xiàn)不僅有利于保護(hù)底部鉆具組合，還進(jìn)一步提高了機(jī)械鉆速。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

蘇XX-20H井為一口超長(zhǎng)水平井，該井于2011年7月14日開(kāi)鉆。一開(kāi)二開(kāi)都非常順利，較計(jì)劃周期縮短46%。在三開(kāi)水平段，通過(guò)前期方案論證，若采用全101.6mm鉆具，水平段最長(zhǎng)僅能2 590m。通過(guò)計(jì)算，在滑動(dòng)鉆進(jìn)中鉆柱將有發(fā)生螺旋屈曲的危險(xiǎn)，限制進(jìn)一步鉆進(jìn)，影響井下安全。故更改鉆具組合，采用101.6mm+88.9mm組合鉆具鉆進(jìn)，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，鉆柱未發(fā)生螺旋屈曲。施工單位根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果及建議，采取了有效措施，保證了泥漿的攜砂性及潤(rùn)滑性，井眼軌跡控制方面力求保證復(fù)合穩(wěn)斜鉆進(jìn)；同時(shí)，于水平段2 413m處下入水力振蕩器，有效降低鉆具摩阻，為長(zhǎng)水平段的順利完成起到了有效的理論性指導(dǎo)作用。

第一次入井：井段4 951～4 960m，轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)尺9m,滑動(dòng)進(jìn)尺0m，滑動(dòng)鉆速0m/h。第二次入井：井段4 960～4 964m，轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)尺4m，滑動(dòng)進(jìn)尺 0m，滑動(dòng)鉆速0m/h。該工具在前2次使用過(guò)程中，均因?yàn)閮x器無(wú)信號(hào)起鉆，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度。經(jīng)定向井公司及工具廠家人員分析原因?yàn)椋核φ袷幤骶嚯x儀器太近，應(yīng)該安裝在水平段距鉆頭1/2至1/3處，否則水力振蕩器高頻率震動(dòng)容易對(duì)儀器造成機(jī)械性損壞，導(dǎo)致儀器無(wú)信號(hào)。第三次下入水力振蕩器，由于該井段伽馬值突然升高，巖性變致密，因此在滑動(dòng)鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆速提高并不明顯。第四次入水力振蕩器，效果顯著，如表2所示。由于鉆具復(fù)合穩(wěn)斜效果不錯(cuò)，因此只定向10m，但機(jī)械鉆速高達(dá)5m/h,較未下入水力振蕩器時(shí)滑動(dòng)鉆速提高了79.21%，達(dá)到了減少拖壓，提高鉆速的目的。

表2 水力振蕩器水平段使用效果分析

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）水力振蕩器改變了滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)的摩擦狀態(tài)，從近似靜摩擦變?yōu)閯?dòng)摩擦，影響了附近鉆柱的摩阻，減小了整個(gè)鉆柱的摩阻力。因此，托壓、粘滑現(xiàn)象將得到緩解，鉆壓傳遞效率提高，機(jī)械鉆速也就提高了。

2）水力振蕩器的高頻低幅振動(dòng)改變了附近鉆柱的動(dòng)力學(xué)特性，造成了其動(dòng)剛度大于靜剛度。換言之，鉆柱變“硬”了，該段鉆柱出現(xiàn)正弦屈曲、螺旋屈曲的趨勢(shì)將大大減小，丟失工具面的情況也將減少，故間接提高了鉆進(jìn)效率。

3）鉆柱本身破巖的振動(dòng)和水力振蕩器產(chǎn)生的振動(dòng)疊加在一起，緩和了一些有害的振動(dòng)。并且一些特殊外形的振動(dòng)工具可誘導(dǎo)鉆柱產(chǎn)生正向同步渦動(dòng)，阻止其它一些有害的振動(dòng)模式如：混沌渦動(dòng)、反向渦動(dòng)的產(chǎn)生。降低這些有害的振動(dòng)模式出現(xiàn)不僅有利于保護(hù)底部鉆具組合，還進(jìn)一步提高了機(jī)械鉆速。

4）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，水力振蕩器可明顯提高水平井段的機(jī)械鉆速，工具面容易控制；為保護(hù)井下精密儀器不受損壞，工具應(yīng)該安裝在水平段距鉆頭1/2至1/3處。

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