橫向振動對水平井眼中鉆柱摩阻的影響研究

張會增， 管志川， 柯 珂， 竇玉玲

(1.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島 266580；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；3.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257017)

橫向振動對水平井眼中鉆柱摩阻的影響研究

張會增1， 管志川1， 柯 珂2， 竇玉玲3

(1.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島 266580；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；3.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257017)

激振力的幅值和頻率是影響橫向振動類減摩阻工具性能的主要參數(shù)，利用自行研制的旋轉(zhuǎn)激勵載荷作用下摩擦力測試試驗(yàn)裝置，研究了激振力的幅值和頻率對鋼-石板平面摩擦副摩擦系數(shù)的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在激振頻率為5，10和20 Hz條件下，與未施加激振力時(shí)的摩擦系數(shù)相比，當(dāng)激振力增加到34.2 N時(shí)，鋼-石板平面摩擦副的摩擦系數(shù)分別減小21.6%，29.0%及34.4%；在激振力為11.4，22.8和34.2 N條件下，與未施加激振力時(shí)的摩擦系數(shù)相比，當(dāng)激振頻率增加到30 Hz時(shí)，鋼-石板平面摩擦副的摩擦系數(shù)分別減小22.8%、27.4%及39.0%。研究結(jié)果表明：在相同激振頻率下，鋼-石板平面摩擦副的摩擦系數(shù)與激振力幅值呈線性負(fù)相關(guān)；在相同激振力幅值下，鋼-石板平面摩擦副的摩擦系數(shù)與激振頻率呈對數(shù)負(fù)相關(guān)。

橫向振動 鉆柱摩阻 激振力 激振頻率 摩擦系數(shù)

在水平井水平段鉆進(jìn)過程中，鉆柱由于重力作用與井眼的低邊多呈面接觸，造成鉆柱與井壁間的摩阻較大，導(dǎo)致滑動鉆進(jìn)時(shí)加不上鉆壓，機(jī)械鉆速很低；旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)扭矩很大，易造成鉆柱損壞，并且還存在較嚴(yán)重的套管磨損問題。如何有效地減小摩阻、增大給鉆頭施加的鉆壓，以提高機(jī)械鉆速及水平井眼延伸長度對于油氣開發(fā)具有重要意義。

采用不同頻率和振幅的振動來減小摩擦力的方法已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-2]，從20世紀(jì)80年代開始，振動技術(shù)被引入到鉆井領(lǐng)域以減小鉆井過程中鉆柱與井壁間的摩阻[3]。目前，國內(nèi)外研究主要集中在利用軸向振動或沖擊減小鉆柱摩阻方面，并已研制出相應(yīng)的振動類減阻工具[4-15]，而對于橫向振動對鉆柱摩阻的影響研究很少。為此，筆者設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)激振力作用下平面摩擦副摩擦力測試試驗(yàn)裝置，研究了激振力幅值和頻率對鋼-石板平面摩擦副摩擦系數(shù)的影響規(guī)律，以期為橫向振動類減阻工具的研制及振動參數(shù)的選擇提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

在進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)時(shí)，將鉆柱與井眼接觸簡化為平面接觸，設(shè)計(jì)的模擬試驗(yàn)裝置如圖1所示，它由牽引裝置、摩擦力測量及數(shù)據(jù)采集裝置、振動摩擦副組成。

牽引裝置包括電動機(jī)及螺紋絲杠裝置，電動機(jī)帶動螺紋絲杠裝置拉動上振動平面在下振動平面上做勻速直線運(yùn)動。

摩擦力測量及數(shù)據(jù)采集裝置使用應(yīng)變式拉(壓)力傳感器測量拉力(即試驗(yàn)中的摩擦力)，使用連接有數(shù)據(jù)采集板卡的計(jì)算機(jī)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理。

振動摩擦副是該試驗(yàn)裝置的關(guān)鍵部分，主要包括上、下振動平面，一個(gè)單軸慣性式激振器和一個(gè)調(diào)頻器。上振動平面材料為Q235A鋼，下振動平面材料為花崗巖，下振動平面固定在振動臺上，上振動平面在牽引裝置帶動下在下振動平面上勻速滑動，上、下振動平面構(gòu)成一對平面接觸摩擦副。單軸慣性式激振器固定于上振動平面上，由一個(gè)電動機(jī)及安裝在電動機(jī)軸兩端的偏心塊組成，電動機(jī)帶動偏心塊旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力即為試驗(yàn)中的旋轉(zhuǎn)激勵載荷。

1.2 測量原理

試驗(yàn)過程中，設(shè)定激振力的幅值及頻率后，牽引裝置帶動上振動平面和激振器在下振動平面上進(jìn)行勻速滑動，通過測量摩擦力的變化來研究旋轉(zhuǎn)激勵載荷對平面摩擦副摩擦力的影響。

激振力的計(jì)算公式為：

F=mrω2cos(θ/2)

(1)

式中：F為激振力，N；m為偏心塊質(zhì)量，kg；ω為旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；θ為偏心塊之間的角度，(°)。

激振力是繞電動機(jī)軸旋轉(zhuǎn)的，其幅值可以通過改變偏心塊質(zhì)量和角度進(jìn)行調(diào)節(jié)(見圖2)，偏心塊角度為0°,60°,90°和120°時(shí)，對應(yīng)的激振力分別為F，0.866F,0.707F和0.500F。激振頻率可以通過與單軸慣性式激振器連接的調(diào)頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)頻器可在頻率0～50 Hz范圍內(nèi)無級調(diào)節(jié)，對應(yīng)的激振力幅值調(diào)節(jié)范圍為0～1 994 N。

1.3 試驗(yàn)方法

1) 測量激振力為0時(shí)的摩擦力。

2) 保持激振力幅值不變，改變激振頻率，研究激振頻率對摩擦力的影響。

3) 保持激振頻率不變，改變激振力幅值，研究激振力幅值對摩擦力的影響。

在試驗(yàn)中，要調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，使兩振動平面間的相對速度較小，從而由平面摩擦引起的振動較為微弱，同時(shí)摩擦生熱較少，兩平面間的溫度變化很小，因此，可以忽略由摩擦引起的振動以及摩擦副表面溫度變化對試驗(yàn)結(jié)果的影響。

1.4 穩(wěn)定性測試

在正式試驗(yàn)前，對試驗(yàn)裝置進(jìn)行穩(wěn)定性測試，在激振頻率為10 Hz時(shí)，分別測量激振力為5.7，11.4和17.1 N時(shí)的摩擦力，每組數(shù)據(jù)測量3次，結(jié)果如圖3所示，3組數(shù)據(jù)最大偏差分別為1.8%,3.2%及3.0%，因此可以認(rèn)為該試驗(yàn)裝置的性能是穩(wěn)定的。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中，參振重量為上振動平面與激振器重量之和(約114 N)，上振動平面與下振動平面間的接觸面積為387 cm2，兩振動平面間的相對滑動速度為0.16 cm/s。

圖4為鋼-石板平面摩擦副摩擦系數(shù)與激振力幅值的關(guān)系曲線。由圖4可以看出，隨著激振力的增大，摩擦系數(shù)逐漸減小，且摩擦系數(shù)與激振力近似呈線性負(fù)相關(guān)。在激振頻率為5，10和20 Hz條件下，相對于未施加激振力時(shí)的摩擦系數(shù)(0.259)，當(dāng)激振力增至34.2 N時(shí)，鋼-石板平面摩擦副的摩擦系數(shù)分別減小21.6%,29.0%和34.4%。

圖5為鋼-石板平面摩擦副摩擦系數(shù)與激振頻率的關(guān)系曲線。由圖5可以看出，隨著激振頻率的增大，摩擦系數(shù)逐漸減小，激振頻率小于15 Hz時(shí)，摩擦系數(shù)減小較快，當(dāng)激振頻率超過15 Hz后，摩擦系數(shù)減小速率變慢，且摩擦系數(shù)與激振頻率近似呈對數(shù)負(fù)相關(guān)。在激振力為11.4，22.8和34.2 N條件下，相對于未施加激振力時(shí)的摩擦系數(shù)(0.259)，當(dāng)激振頻率增至30 Hz時(shí)，鋼-石板平面摩擦副的摩擦系數(shù)分別減小22.8%,27.4%和39.0%。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

精細(xì)的試驗(yàn)研究表明：干摩擦運(yùn)動并非連續(xù)平穩(wěn)的滑動，而是粘著與滑動交替發(fā)生的過程[13]。圖6為滑塊在粗糙表面上滑動時(shí)的受力簡化示意圖，則摩擦力Ff的計(jì)算公式為:

Ff=μT=μ[G-Fsin(2πft)]

(2)

式中：Ff為摩擦力，N；μ為摩擦系數(shù)；G，為滑塊的重力，N；F為激振力，N；f為激振力頻率，Hz；t為時(shí)間，s。

一個(gè)振動周期內(nèi)滑塊的粘著-滑動過程如圖7所示。在OA段，拉力小于摩擦力，滑塊處于靜止?fàn)顟B(tài)；在AB段，激振力使滑塊作用于下平面的正壓力減小，摩擦力小于拉力，滑塊由靜止開始加速滑動，在B點(diǎn)，摩擦力等于拉力，滑塊速度達(dá)到最大值；在BC段，摩擦力大于拉力，滑塊速度不斷減小，在C點(diǎn)滑塊速度變?yōu)榱?；在CD段，摩擦力大于拉力，滑塊處于靜止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)?shù)竭_(dá)D點(diǎn)時(shí)，下一個(gè)振動周期開始，滑塊又開始運(yùn)動，在每個(gè)振動周期內(nèi)粘著-滑動交替進(jìn)行。當(dāng)激振力增大時(shí)，更小的拉力即可以使滑塊滑動，即減小了摩擦力，宏觀上表現(xiàn)為摩擦系數(shù)減小；當(dāng)激振頻率增大時(shí)，粘著-滑動的周期變短，單位時(shí)間內(nèi)滑動的時(shí)間變長而粘著的時(shí)間縮短，平均摩擦力減小，當(dāng)激振頻率增大到一定數(shù)值時(shí)，粘著與滑動的界限越來越模糊，平均摩擦力變化越來越小，宏觀上表現(xiàn)為摩擦系數(shù)減小的速率變慢。

另一方面，激振力的方向是旋轉(zhuǎn)的，激振力的水平分量亦有利于滑塊粘著-滑動的發(fā)生。

3 結(jié) 論

1) 為了研究橫向振動對摩阻的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)了平面摩擦副在旋轉(zhuǎn)激振力作用下摩擦力測試試驗(yàn)裝置，通過試驗(yàn)分析了激振力的幅值和頻率對鋼-石板平面摩擦副摩擦系數(shù)的影響規(guī)律，結(jié)果表明，橫向振動可以減小鋼-石板平面摩擦副的摩擦系數(shù)。

2) 在相同激振頻率下，鋼-石板平面摩擦副的摩擦系數(shù)與激振力呈線性負(fù)相關(guān)；在相同激振力下，鋼-石板平面摩擦副的摩擦系數(shù)與激振頻率呈對數(shù)負(fù)相關(guān)。

3) 在進(jìn)行橫向振動類鉆柱減阻工具設(shè)計(jì)時(shí)，為取得良好的減阻效果，在鉆柱能承受的激振力范圍內(nèi)應(yīng)優(yōu)先選擇較大的激振力，激振頻率建議不小于15 Hz。

References

[1] 聞邦椿，李以農(nóng)，張義民，等.振動利用工程[M].北京：科學(xué)出版社，2005：3-12. Wen Bangchun,Li Yinong,Zhang Yimin,et al.Vibration utilization engineering[M].Beijing：Science Press，2005：3-12.

[2] 瓦倫丁 L 波波夫.接觸力學(xué)與摩擦學(xué)的原理及應(yīng)用[M].李強(qiáng)，雒建斌，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2011：220-221. Valnin L Popov.Contact mechanics and friction physical principles and applications[M].Translator：Li Qiang，Luo Jianbin.Beijing：Tsinghua University Press，2011：220-221.

[3] Dellinger T B，Roper W F.Reduction of the frictional coefficient in a borehole by the use of vibration: US,4384625[P].1983-05-24.

[4] Newman K R，Burnett T G，Pursell J C，et al.Modeling the affect of a downhole vibrator[R].SPE 121752，2009.

[5] 王鵬，倪紅堅(jiān)，王瑞和，等.調(diào)制式振動對大斜度井減摩阻影響規(guī)律[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，38(4)：93-97. Wang Peng，Ni Hongjian，Wang Ruihe，et al.Influence laws of modulated vibration on friction reduction in inclined-wells[J].Journal of China University of Petroleum:Edition of Natural Science，2014，38(4)：93-97.

[6] 王誼，施連海.水力脈動沖擊鉆井工具初步研究實(shí)驗(yàn)[J].石油鉆探技術(shù)，2006，4(2)：51-52. Wang Yi，Shi Lianhai.Study of a hydraulic-pulse-percussion drilling tool and its trial[J].Petroleum Drilling Techniques,2006，34(2)：51-52.

[7] McCarthy J P，Stanes B，Rebellon J E，et al.A step change in drilling efficiency: quantifying the effects of adding an axial oscillation tool within challenging wellbore environments[R].SPE 119958，2009.

[8] 管志川，劉永旺，魏文忠，等.井下鉆柱減振增壓裝置工作原理及提速效果分析[J].石油鉆探技術(shù)，2012，40(2)：8-13. Guan Zhichuan，Liu Yongwang，Wei Wenzhong，et al.Downhole drill string absorption & hydraulic supercharging device’ working principle and analysis of speed-increasing effect[J].Petroleum Drilling Techniques，2012，40(2)：8-13.

[9] Zheng Shunfeng，Jeffres B，Tthomer H V，et al.Method and apparatus to vibrate a downhole component：US，6907927[P].2005-06-21.

[10] Walter B.Acoustic flow pulsing and method for drilling string：US，7059426[P].2006-06-13.

[11] Eddison A M，Haredie R.Downhole flow pulsing apparatus：US，6279670[P].2001-08-28.

[12] 李瑋，閆鐵，張志超，等.高頻振動鉆具沖擊下巖石響應(yīng)機(jī)理及破巖試驗(yàn)分析[J].石油鉆探技術(shù)，2013，41(6)：25-28. Li Wei，Yan Tie，Zhang Zhichao，et al.Rock response mechanism and rock breaking test analysis for impact of high frequency vibration drilling tool[J].Petroleum Drilling Techniques，2013，41(6)：25-28.

[13] 易燦，李根生，范紅康.井下振動減摩器的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[J].石油礦場機(jī)械，2003，32(6)：42-44. Yi Can,Li Gensheng,Fan Hongkang.The design and experimentation of vibrational friction-reducing generator for down hole drilling[J].Oil Field Equipment，2003，32(6)：42-44.

[14] 陳朝偉，周英操，申瑞臣，等.連續(xù)管鉆井減摩技術(shù)綜述[J].石油鉆探技術(shù)，2010，38(1)：29-31. Chen Chaowei，Zhou Yingcao，Shen Ruichen，et al.Overview of drag reducing technologies in coiled tubing drilling[J].Petroleum Drilling Techniques，2010，38(1)：29-31.

[15] 倪紅堅(jiān)，王瑞和，王鵬.一種激發(fā)鉆柱振動的鉆井工具：中國，2012102560282[P].2014-11-05. Ni Hongjian,Wang Ruihe,Wang Peng.Drilling tool for stimulating vibration of drill column：CN，201210256028[P].2014-11-05.

[編輯 陳會年]

The Impact of Lateral Vibration on Friction of Drill String in Horizontal Wells

Zhang Huizeng1, Guan Zhichuan1, Ke Ke2, Dou Yuling3

(1.SchoolofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Huadong),Qingdao,Shandong,266580,China; 2.SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing,100101,China; 3.DrillingTechnologyResearchInstitute，SinopecShengliOilfieldServiceCorporation,Dongying,Shandong,257017,China)

The amplitude and frequency of the exciting force are main factors which impact on performance of the lateral vibrating friction-reducing tools. Through measuring friction under the load of rotary exciting force with the self-developed testing unit, the impact of amplitude and frequency of the exciting force on the friction coefficient of plane friction pairs between steel and rock plate was diagnosed. The results show that friction coefficients reduced by 21.6%, 29.0% and 34.4% respectively when the exciting force increased from zero to 34.2 N at the frequency of 5, 10 and 20 Hz, and by 22.8%, 27.4% and 39.0% respectively, when the exciting frequency increased from zero to 30 Hz at the exciting force of 11.4, 22.8 and 34.2 N respectively. The study indicates that the friction coefficient of plane friction pairs between steel and rock plate has a negative linear relationship with the amplitude of the exciting force at the same exciting frequency, and a negative logarithmic relationship with the exciting frequency at the same exciting force.

lateral vibration； friction of drill string； exciting force； exciting frequency； friction coefficient

2015-01-21；改回日期：2015-04-28。

張會增(1985—)，男，河南濮陽人，2009年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)石油工程專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，在讀博士研究生，主要從事井下系統(tǒng)、信息與控制工程、井下工具研發(fā)等方面的研究。

“十二五”國家科技重大專項(xiàng)“西部山前復(fù)雜地層安全快速鉆井技術(shù)”(編號：2011ZX05021-001)、國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)“海上大位移井鉆完井關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)與集成”(編號：2012AA091501)資助。

?鉆井完井?

10.11911/syztjs.201503012

TE243

A

1001-0890(2015)03-0061-04

聯(lián)系方式：18954253797，zhanghuizeng2005@126.com。