振動減摩阻工具振動參數(shù)及安放位置研究

馮 強， 陳世春， 王建龍， 張文華， 張 蘇， 柳 鶴

(中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，天津 300280)

目前，常規(guī)的鉆井提速主要是通過優(yōu)化井眼軌道設(shè)計、向鉆井液中添加潤滑劑、短程起下鉆，或者采用近鉆頭水力加壓、使用振動減摩工具等方法來緩解滑動鉆進(jìn)托壓[1-4]；也有研究表明，振動減摩工具與液力推力器集成應(yīng)用可有效緩解復(fù)雜結(jié)構(gòu)井滑動鉆進(jìn)時的托壓問題，從而提高滑動鉆進(jìn)效率[5-7]。然而，通過分析大量應(yīng)用統(tǒng)計結(jié)果可知，各井的使用效果并不一致，即該技術(shù)的應(yīng)用效果并不穩(wěn)定。分析認(rèn)為，這主要是由于對托壓機理認(rèn)識不清，和對振動減摩阻工具的安放位置研究不夠造成的?；谏鲜銮闆r，筆者在分析托壓機理的基礎(chǔ)上，通過對振動減摩阻工具的振動參數(shù)和安放位置建模，分析了振動頻率對井底鉆具的影響規(guī)律，提出了安放位置優(yōu)化方法，并以典型的二開三段式井眼軌道為例對其進(jìn)行了模擬分析和現(xiàn)場試驗。

1 托壓機理分析

在滑動鉆進(jìn)中，當(dāng)鉆柱中累積的摩擦阻力大于所施加的鉆壓時，鉆壓施加不到鉆頭上，這種情況即為托壓。發(fā)生托壓時，鉆壓不斷增大而鉆頭的位置不變、無進(jìn)尺，泵壓不升高、不憋泵。此時，如再增加鉆壓可能會造成憋泵。發(fā)生托壓時鉆具的受力如圖1所示。

圖1 托壓時的鉆柱受力情況Fig.1 BHA stress status when WOB is restricted

由圖1可知，之所以發(fā)生托壓，主要是因為下部鉆具側(cè)向力過大，導(dǎo)致摩擦阻力大，鉆壓堆積在上部井段，近鉆頭部位得不到鉆壓，這樣就限制了鉆壓的傳遞。而側(cè)向力過大，除了鉆柱自身產(chǎn)生的重力外，還受鉆柱屈曲、井眼軌跡、井眼清潔情況、鉆具組合和鉆井液性能等的影響[8]，其中鉆柱屈曲和井眼軌跡的影響最大。

1.1 鉆柱屈曲

當(dāng)摩阻開始增大時，通常需要增大鉆壓，直至鉆壓能夠克服摩阻，但鉆壓較大容易引起鉆柱屈曲，并產(chǎn)生附加側(cè)向力。也可能所加鉆壓無法克服摩阻，而在鉆壓持續(xù)增大時鉆柱出現(xiàn)了屈曲。鉆柱屈曲分正弦屈曲和螺旋屈曲2種形式，如圖2所示。

圖2 鉆柱屈曲示意Fig.2 Sketch of drilling string buckling

1) 正弦屈曲。加載了過大鉆壓鉆柱首先出現(xiàn)的是正弦屈曲，正弦屈曲下鉆柱每個周期都與井壁點接觸。由于鉆柱發(fā)生彎曲，鉆壓將不再沿鉆柱傳遞到鉆頭，在接觸點部分鉆壓沿著鉆具切線方向作用到了井壁上(由此產(chǎn)生附加的側(cè)向力)。

2) 螺旋屈曲。發(fā)生正弦屈曲后，如果繼續(xù)增大鉆壓，當(dāng)鉆壓達(dá)到一定程度時，鉆柱會彎曲成三維螺旋狀態(tài)。此時，鉆柱與井壁之間的接觸不再在一個平面內(nèi)，而是三維的空間點接觸，其接觸狀態(tài)更為復(fù)雜。螺旋屈曲和正弦屈曲一樣，也會導(dǎo)致一部分鉆壓在和井壁接觸中消耗，而傳遞不到鉆頭。

1.2 井眼軌跡

定向鉆進(jìn)中，托壓與井眼軌跡密切相關(guān)。目前鉆井現(xiàn)場常用螺桿鉆具進(jìn)行定向，這種定向方法通常是短距離造斜后穩(wěn)斜一段距離，并反復(fù)這個過程直至完成定向作業(yè)，但該過程會造成局部狗腿度較大。

現(xiàn)場施工時，有些井會因地層問題多次反復(fù)定向，造成井眼軌跡局部曲率變化頻繁。這一方面會引起井眼軌跡不規(guī)則，另一方面會引起井壁不光滑，由此導(dǎo)致的托壓主要表現(xiàn)為產(chǎn)生附加側(cè)向力和托阻臺階。但上述2種因素不會改變摩阻系數(shù)。因此，由該情況引起托壓時，上提鉆具時的附加拉力(上提時的摩阻)不會有很大變化；同時，因井壁形狀和摩阻系數(shù)較為穩(wěn)定，引起的托壓釋放現(xiàn)象較少。造斜率越小，則井壁受到的附加側(cè)向力越小；井壁越平滑，托阻點越少，且這2種情況下產(chǎn)生的托壓現(xiàn)象較少。因此，長半徑水平井較中半徑、短半徑水平井產(chǎn)生托壓的概率要小得多。

2 振動參數(shù)優(yōu)選與安放位置優(yōu)化

振動減摩阻是在鉆柱中增加一個能夠產(chǎn)生軸向振動的振動源，帶動鉆柱整體做軸向振動，從而將鉆柱由原來與井壁的靜摩擦接觸狀態(tài)改變?yōu)閯幽Σ两佑|狀態(tài)，從而減小鉆柱與井壁間的摩擦系數(shù)，減小摩擦力(鉆進(jìn)中振動管柱的受力如圖3所示)。同時，由于下部鉆具的摩擦力減小，中性點下移，鉆壓傳遞效率提高，使得鉆柱不容易發(fā)生屈曲，井眼軌跡控制得更加平滑，側(cè)向力顯著減小，形成了減小摩擦力的良性循環(huán)。在整個系統(tǒng)中，要重點考慮振動源的激振能力和在井下的作用范圍，因為這關(guān)系到振動工具參數(shù)的優(yōu)選及其安放位置的優(yōu)化。

圖3 振動管柱的受力情況Fig.3 Stress distributions of vibration string

2.1 振動參數(shù)優(yōu)選

激振力和振動頻率是振動源的2項重要參數(shù)，均與振蕩工具的結(jié)構(gòu)、施工排量等有關(guān)。

振動源在井下正常工作的前提是：軸向激振力Fi大于其所在鉆具位置的軸向力FT，而FT與井眼軌跡、井身結(jié)構(gòu)、鉆具組合、鉆井液性能和鉆井參數(shù)等有關(guān)。當(dāng)振動源安放在鉆柱受拉段時，該軸向力為拉力；當(dāng)振動源安放在鉆柱受壓段時，該軸向力為壓力。因此，可以計算出受拉狀態(tài)下當(dāng)Fi=FT時振動源相對鉆頭的距離L1(受拉極限位置)，以及受壓狀態(tài)下當(dāng)Fi=FT時振動源相對鉆頭的距離L2(受壓極限位置)。振動源安放位置，即振動源相對鉆頭的距離L，應(yīng)滿足L∈(L1,L2)。而振動減摩阻工具工作時，可以用有效激振力Fie(Fi克服FT的能力)來表征該工具在軸向力作用下的激振效果，即Fie=Fi-FT。

振動源的振動頻率fi主要影響下部鉆具的結(jié)構(gòu)強度，尤其是MWD等定向工具。文獻(xiàn)[9-10]表明：fi低于10 Hz時，振動對下部鉆具的影響是良性的；當(dāng)fi高于10 Hz而低于60 Hz時，影響是中等的；而當(dāng)fi高于60 Hz時，則認(rèn)為影響具有破壞性。同時，從理論上講，fi的大小影響振動在鉆柱中傳播的范圍。文獻(xiàn)[11]通過有限差分網(wǎng)格法，將鉆柱分為若干有限單元，并建立時間迭代方法，分別分析了頻率為10和100 Hz時激振在鉆柱中的傳播情況，結(jié)果表明，激振在鉆柱中的傳播能力與振動頻率的相關(guān)性較小。

由此可知，振動減摩阻工具振動源的輸出激振力決定了井下有效作業(yè)范圍，提高輸出激振力可增大有效作業(yè)范圍。設(shè)計振動頻率時可以不考慮對有效作業(yè)范圍的影響，優(yōu)先選用10 Hz以內(nèi)的振動頻率，以延長管串的使用壽命。

2.2 安放位置優(yōu)化

發(fā)生托壓前鉆壓傳遞較好，近鉆頭段摩阻是托壓的主要影響因素，激振力克服近鉆頭段的摩阻越多，則減阻效果越好，鉆壓傳遞效果越好。將鉆柱視為柔性體，鉆柱與井壁之間的摩阻主要取決于側(cè)向力和摩擦系數(shù)，其中側(cè)向力的大小與鉆柱浮重、井眼軌跡的幾何參數(shù)密切相關(guān)。將鉆柱離散為若干單元，定義各單元內(nèi)鉆柱的屬性(截面積、鋼級等)和所處的井眼環(huán)境相同。鉆柱單元的受力狀態(tài)如圖4所示，其相互關(guān)系可以表征為式(1)—式(5)。

圖4 鉆柱單元受力示意Fig.4 Stress diagram of drilling string

FD=μFN

(1)

ΔFT=Wcosα±μFN

(2)

式(6)表明：1)鉆柱井斜角、方位角的變化會使側(cè)向力增大，引起摩阻增大，井斜角、方位角變化越頻繁則摩阻增量越大；2)軸向力、側(cè)向力和摩阻相互影響，下部鉆柱摩阻會使上部鉆柱軸向力增大，軸向力增大引起側(cè)向力增大，進(jìn)而增大了上部鉆柱摩阻，引起鉆柱整體摩阻增大，因此解決托壓問題要優(yōu)先克服近鉆頭段的摩阻，振動源應(yīng)優(yōu)先安放在靠近鉆頭的位置。

3 安放位置影響因素模擬分析

根據(jù)上述理論編制了軟件，對典型的三段式(直—增—穩(wěn))井眼軌道進(jìn)行了模擬計算與分析。模擬井深為3 000.00m，鉆具組合為：φ215.9mmPDC×0.50m+φ172.0mm螺桿鉆具×9.10m+φ165.1mm鉆鋌×19.60m+φ127.0mm加重鉆桿×168.80m+φ127.0mm鉆桿，造斜終點都為3 000.00m。分析的影響因素為井斜角和造斜率，其中井斜角分別取15°，30°，45°，60°，75°和90°，造斜率分別取3，6和9 (°)/30m。用受拉狀態(tài)下Fi=FT時的L1和受壓狀態(tài)下Fi=FT時的L2來表征安放位置，模擬了造斜率、井斜角對受拉極限位置和受壓極限位置的影響規(guī)律，結(jié)果分別見圖5和圖6。

由圖5和圖6可知：井斜角一定時，隨著造斜率增大，振動減摩阻工具最優(yōu)安放位置相對鉆頭的距離縮短；造斜率一定時，隨著井斜角增大，振動減摩阻工具最優(yōu)相對位置相對鉆頭的距離增長；造斜率超過6°/30m時，井斜角對振動減摩阻工具最優(yōu)安放位置的影響幅值減小。

圖5 造斜率和井斜角對受拉極限位置的影響Fig.5 Simulated relationship between build-up rate/inclinations and tensile limit position

圖6 造斜率和井斜角對受壓極限位置的影響Fig.6 Simulated relationship between build-up rate/inclinations and compressive limit position

為了分析井深對安放位置的影響，模擬了穩(wěn)斜過程中，穩(wěn)斜段長度分別為50.00，100.00，150.00，200.00，250.00和300.00m時，不同井斜角、造斜率條件下井深對受拉極限位置和受壓極限位置的影響規(guī)律，結(jié)果分別見圖7和圖8。

圖7 不同井斜角、造斜率下井深對受拉極限位置的影響Fig.7 Simulated relationship between well depth and tensile limit position under various build-up rates and inclinations

圖8 不同井斜角、造斜率下井深對受壓極限位置的影響Fig.8 Simulated relationship between well depth and compressive limit position under different build-up rates and inclinations

由圖7和圖8可知：相同造斜率、井斜角條件下，當(dāng)井斜角較小時，最優(yōu)安放位置受井深影響較小，當(dāng)井斜角較大時，最優(yōu)安放位置相對鉆頭的距離隨井深增加而增長；相同井深、井斜角條件下，最優(yōu)安放位置相對鉆頭的距離隨造斜率增大而縮短，當(dāng)造斜率較小時最優(yōu)安放位置變化幅值較小，當(dāng)造斜率較大時最優(yōu)安放位置變化幅值較大。

4 現(xiàn)場試驗

C26-12X井是一口二開三段式定向井，設(shè)計井

深4 326.00m，設(shè)計最大井斜角56.57°，設(shè)計鉆井液密度1.26kg/L。在實鉆過程中，二開φ215.9mm井眼鉆至井深3 385.00m時(井斜角43.41°)，托壓現(xiàn)象嚴(yán)重，托壓達(dá)到200～300kN，且托壓頻繁釋放，導(dǎo)致工具面不穩(wěn)定、憋泵頻繁，定向期間需要頻繁活動鉆具，嚴(yán)重影響了定向機械鉆速及增斜率。3 299.00～3 385.00m井段的實鉆數(shù)據(jù)顯示，定向機械鉆速僅0.8m/h，增斜率僅2.25°/30m。通過軟件進(jìn)行模擬計算，確定振動減摩阻工具的最優(yōu)安放位置在距離鉆頭197.00m處。

使用振動減摩阻工具后效果明顯。使用之前，3 299.00～3 385.00m井段鉆具托壓頻繁釋放，導(dǎo)致工具面跳動、憋泵，基本無法定向；使用之后，3 385.00～4 090.00m井段未出現(xiàn)托壓、鉆具滑脫現(xiàn)象，工具面穩(wěn)定，基本能夠保證定向連續(xù)。從大鉤載荷變化看出(見圖9)：使用振動減摩阻工具之前，僅在3 301.00～3 305.00m井段定向4.00m，活動鉆具次數(shù)高達(dá)18次；使用振動減摩阻工具之后，在3 440.00～3 450.00m井段定向，活動鉆具次數(shù)僅4次。

C26-12X井使用振動減摩阻工具前后的鉆時對比如圖10所示。由圖10可知：使用之前，3 300.00～3 307.00m井段滑動鉆進(jìn)鉆時較高，一般在30～70min/m；使用之后，3 385.00～4 090.00m井段鉆時大幅度降低，一般保持在8～20min/m。

圖9 C26-12X井使用前后大鉤載荷對比Fig.9 Comparison of hook load variation of Well C26-12X before and after the application of vibration friction reducing tool

另外，滑動鉆進(jìn)機械鉆速由使用前的0.8m/h提高至3.02m/h，平均機械鉆速由之前的4.19m/h提高至9.11m/h。此次振動減摩阻工具入井進(jìn)尺705.00m，充分證明安放位置的計算結(jié)果合理。但從圖10也可以看出，當(dāng)井深超過3 900.00m后滑動鉆時增加，說明隨著井深的增加出現(xiàn)不同程度的托壓，此時應(yīng)該對振動減阻工具安放位置進(jìn)行調(diào)整。不過，由于考慮到C26-12X井后期定向作業(yè)少，滑動機械鉆速不算很低，兼顧起下鉆成本，便未進(jìn)行調(diào)整。

5 結(jié) 論

1) 受拉極限位置和受壓極限位置可以用來分析振動減摩阻工具的安放位置，與振動源激振力、井眼軌跡、井身結(jié)構(gòu)、鉆具組合、鉆井液性能、鉆井參數(shù)等有關(guān)。

圖10 C26-12X井使用振動減摩阻工具前后鉆時對比Fig.10 Comparison of drilling time of Well C26-12X before and after the application of vibration friction reducing tool

2) 振動減摩阻工具振動源的輸出激振力決定了井下有效作業(yè)范圍，提高輸出激振力可增大有效作業(yè)范圍。設(shè)計振動頻率時可以不考慮對有效作業(yè)范圍的影響，優(yōu)先選用10Hz以內(nèi)的振動頻率，以延長管串的使用壽命。

3) 軸向力、側(cè)向力和摩阻相互影響，下部鉆具組合產(chǎn)生的摩阻會使上部鉆柱軸向力增大，從而使側(cè)向力增大，進(jìn)而增大上部鉆柱摩阻，使鉆柱整體摩阻增大。因此，振動源應(yīng)優(yōu)先安放在下部鉆具組合中，以確保能夠克服底部鉆具組合與井壁之間的摩阻。