水平井鉆井水力振蕩器安放位置優(yōu)化與試驗(yàn)

歐陽(yáng)勇，段志鋒，陳春宇，馬天壽

（1中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司油氣工藝研究院2低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室3西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

歐陽(yáng)勇等.水平井鉆井水力振蕩器安放位置優(yōu)化與試驗(yàn).鉆采工藝，2019，42（5）：1-4

常規(guī)油氣資源逐漸枯竭，致密油氣、頁(yè)巖油氣、煤層氣、海油油氣等非常規(guī)油氣資源逐漸受到關(guān)注，定向井、水平井、大位移井等鉆井技術(shù)是開(kāi)發(fā)這類(lèi)非常規(guī)油氣資源的關(guān)鍵技術(shù)［1］。正是由于水平井鉆井技術(shù)和水力壓裂技術(shù)的進(jìn)步，才推動(dòng)了致密油氣、頁(yè)巖油氣的商業(yè)化開(kāi)發(fā)進(jìn)程；但是，水平井鉆井過(guò)程中時(shí)常遇到水平段位移大、工具面控制難度大、鉆柱摩阻／扭矩高、水平段托壓明顯、機(jī)械鉆速低、鉆井周期長(zhǎng)、鉆井綜合成本高等一系列問(wèn)題，解決這一系列問(wèn)題的核心在于降低鉆柱摩阻［2］。

降低鉆柱摩阻可以采用減少鉆柱接觸壓力、降低摩擦系數(shù)、振動(dòng)方法釋放摩阻以及增強(qiáng)鉆機(jī)系統(tǒng)工作能力等4種方法［3］，其中主動(dòng)機(jī)械激振方法是較具有發(fā)展前景的減阻方式，水力振蕩器便是減阻效果最為有效的方式之一。水力振蕩器通過(guò)產(chǎn)生軸向振動(dòng)來(lái)提高鉆井過(guò)程中鉆壓傳遞效率和減少底部鉆具與井眼之間摩阻，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外各大油田取得了顯著的提速效果［4-8］。但是，目前對(duì)于水力振蕩器的安放位置仍然存在較大爭(zhēng)議，究其原因在于缺乏有效的鉆柱摩阻評(píng)價(jià)技術(shù)。大量的相關(guān)研究指出，水力振蕩器降低摩阻的關(guān)鍵在于將靜摩擦力轉(zhuǎn)化為動(dòng)摩擦力［9-10］，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)了剛體庫(kù)倫摩擦模型存在的不足，也證實(shí)了振動(dòng)摩擦過(guò)程有別于傳統(tǒng)的滑動(dòng)摩擦，這使得常規(guī)鉆柱摩阻評(píng)價(jià)技術(shù)已經(jīng)不再適用于水力振蕩器鉆井工況。王鵬等［10］、Liu等［11-12］、Wang等［13］通過(guò)研究證實(shí)了Dahl動(dòng)態(tài)摩擦模型能夠更好地描述水力振蕩器工作情況下的振動(dòng)-滑動(dòng)耦合過(guò)程。為此，本文將基于常規(guī)剛桿模型和Dahl動(dòng)態(tài)摩擦模型，建立水力振蕩器工作情況下的鉆柱摩阻模型，優(yōu)化水力振蕩器的安放位置，并開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，從而為水力振蕩器的有效應(yīng)用提供理論依據(jù)和支撐。

一、鉆柱摩阻計(jì)算模型

1.模型假設(shè)

（1）水力振蕩器振動(dòng)為正弦振動(dòng)，且滿足u＝u0sinωt。

（2）假設(shè)含水力振蕩器的鉆具組合工作過(guò)程中不發(fā)生螺旋屈曲。

（3）正常鉆進(jìn)過(guò)程中，機(jī)械鉆速相對(duì)平穩(wěn)，即鉆具組合滑動(dòng)速度恒定。

（4）假設(shè)軸向振動(dòng)對(duì)滑動(dòng)過(guò)程中的摩擦系數(shù)是沒(méi)有影響的。

（5）所選微元段井眼曲率為常數(shù)。

（6）假設(shè)井眼曲率與管柱曲率相等，且管柱與上井壁或下井壁接觸。

（7）選取空間斜平面內(nèi)的微元段進(jìn)行計(jì)算。

2.Dahl動(dòng)態(tài)摩擦模型

Dahl動(dòng)態(tài)摩擦模型假設(shè)在摩擦力未達(dá)到最大靜摩擦力之前，接觸界面間有微小的位移，即預(yù)滑動(dòng)位移。對(duì)于塑性巖石材料，根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，動(dòng)態(tài)摩擦力隨時(shí)間的變化關(guān)系可采用如下偏微分方程描述［14］：

而接觸物體間的動(dòng)態(tài)摩擦力可由切向剛度系數(shù)與接觸表面間的微凸體變形量之積求得，即

將式（1）帶入式（3）可得動(dòng)態(tài)摩擦力的計(jì)算表達(dá)式為：

式中：FC—庫(kù)倫摩擦力，N；FD—?jiǎng)討B(tài)摩擦力，N；t—時(shí)間，s；kt—接觸表面間的切向剛度系數(shù)，N／mm；vr—相對(duì)速度，m／s；sgn（）—符號(hào)函數(shù)；z—預(yù)滑動(dòng)位移，m。

3.鉆柱動(dòng)態(tài)摩阻計(jì)算模型

常規(guī)鉆柱剛桿模型受力分析如圖1所示，根據(jù)受力平衡條件，并以式（4）中的動(dòng)態(tài)摩擦力FD代替常規(guī)庫(kù)倫摩擦力FC，可得鉆柱動(dòng)態(tài)摩阻計(jì)算模型為［12］：

式中：kf—浮力系數(shù)，kf＝1-γm／γs；γm—鉆井液密度；γs—鉆柱材料密度；Nn和Nb—分別表示s處的主副法線方向?qū)?yīng)的均布接觸力，N／m；Mb—鉆柱微段上的均布接觸力，kN；Mt—鉆柱所受扭矩，kN·m；d T—鉆柱軸向力增量，kN；T—微元段上的軸向力，kN；d s—微元段弧長(zhǎng)，m；k—全角變化率，rad／m；kα—井斜變化率，rad／m；kφ—方位變化率，rad／m；α—井斜角，rad；φ—方位角，rad；R—鉆柱半徑，m。

圖1 微元段鉆柱受力情況示意圖

4.模型求解

動(dòng)態(tài)摩擦模型的解析表達(dá)式是一個(gè)與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)的分段函數(shù)，采用常規(guī)方法可以獲得準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，但計(jì)算過(guò)程極為復(fù)雜，本文采用Simulink建模的方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)摩擦模型的求解［11］。

二、模型驗(yàn)證

長(zhǎng)慶油田某水平井的4 000～5 000 m井段采用了水力振蕩器，采用本文建立的新模型、常規(guī)剛桿模型分別計(jì)算了4 000～5 000 m井段的大鉤載荷，并與該井段實(shí)測(cè)的大鉤載荷進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如圖2所示。不難發(fā)現(xiàn)：①該井實(shí)測(cè)的大鉤載荷隨井深的增加不斷減小，大鉤載荷降低幅度約為140 kN；采用常規(guī)模型計(jì)算得到的大鉤載荷降低幅度約為184.6 kN，說(shuō)明使用水力振蕩器后摩阻明顯降低，降低的摩擦阻力約為44.6 kN，水平井段的減阻效果顯著；②本文新模型計(jì)算得到的大鉤載荷更加接近實(shí)測(cè)的大鉤載荷數(shù)據(jù)，二者的誤差介于0% ～13.19%，平均誤差僅4.90%；而常規(guī)剛桿模型計(jì)算得到的大鉤載荷與實(shí)測(cè)大鉤載荷相比誤差相對(duì)較大，二者的誤差介于0% ～30.29%，平均誤差約為12.19%；說(shuō)明常規(guī)模型并不能適用于水力振蕩器鉆井工況下的摩阻預(yù)測(cè)，而本文建立的新模型能夠準(zhǔn)確考慮水力振蕩器對(duì)鉆柱摩阻的影響，更加適合于水力振蕩器鉆井工況下的摩阻預(yù)測(cè)。

圖2 4 000～5 000 m井段大鉤載荷對(duì)比

三、水力振蕩器位置優(yōu)化

1.基礎(chǔ)參數(shù)

為了分析鉆柱摩阻的分布規(guī)律并優(yōu)化水力振蕩器安放位置，以長(zhǎng)慶油田某水平井為例，該井三開(kāi)3 781～4 732 m井段采用了水力振蕩器，所使用的鉆具組合（鉆具組合1）：?152.4 mm鉆頭+?127 mm單彎螺桿+?127 mm箭形止回閥+?148 mm扶正器+MWD-SUB+?120 mmNMDC×1根+311×HLST39（母）SUB+?101.6 mmHWDP×10根+水力振蕩器+?101.6 mmHWDP×5根+?101.6 mm-DP×（45～150）根+?101.6 mmHWDP×45根+?101.6 mmDP，作為對(duì)比的常規(guī)鉆具組合只是沒(méi)有安裝水力振蕩器（鉆具組合2），鉆進(jìn)參數(shù)：鉆頭尺寸為?152.4 mm、鉆壓40～80 kN、滑動(dòng)轉(zhuǎn)速為0 r／min、排量14～18 L／s、泵壓20～24 MPa。

圖3 斜井段不同安裝位置和排量下的鉆柱摩阻

2.水力振蕩器位置優(yōu)化

為了優(yōu)化水力振蕩器安裝位置，分別計(jì)算了水力振蕩器在不同安裝位置和不同鉆井液排量下的鉆柱摩阻，斜井段和水平井段兩種情況下的計(jì)算結(jié)果分別如圖3和圖4所示。不難發(fā)現(xiàn)：①對(duì)于斜井段滑動(dòng)鉆進(jìn)，水力振蕩器安裝位置適當(dāng)靠近鉆頭將有利于降低鉆柱摩阻，推薦的水力振蕩器安裝位置可以為60～80 m；②對(duì)于水平段滑動(dòng)鉆進(jìn)，推薦的水力振蕩器安裝位置為60～100 m。

圖4 水平段不同安裝位置和排量下的鉆柱摩阻

表1 水力振蕩器現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

四、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果分析與評(píng)價(jià)

為了改善水力振蕩器的使用效果，依據(jù)水力振蕩器位置優(yōu)化結(jié)果，對(duì)于斜井段將水力振蕩器安裝位置由原來(lái)距鉆頭位置200 m左右調(diào)整到60～80 m，對(duì)于水平段將水力振蕩器安裝位置由原來(lái)距鉆頭位置200 m左右調(diào)整到60～100 m，并分別開(kāi)展了水力振蕩器現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。不難發(fā)現(xiàn)：對(duì)于斜井段，位置調(diào)整前平均滑動(dòng)機(jī)械鉆速2.23 m／h，調(diào)整后平均滑動(dòng)機(jī)械鉆速為3.10 m／h，機(jī)械鉆速提高了39.01%；對(duì)于水平段，位置調(diào)整前平均滑動(dòng)機(jī)械鉆速0.89 m／h，調(diào)整后平均滑動(dòng)機(jī)械鉆速為1.26 m／h，機(jī)械鉆速提高了41.57%；這說(shuō)明優(yōu)化后的水力振蕩器安裝位置能夠大幅度的提升蘇里格氣田水平井機(jī)械鉆速，建議在蘇里格氣田進(jìn)一步推廣應(yīng)用優(yōu)化該優(yōu)化結(jié)果。

五、結(jié)論

（1）針對(duì)常規(guī)鉆柱摩阻預(yù)測(cè)模型無(wú)法考慮水力振蕩器影響的問(wèn)題，考慮水力振蕩器產(chǎn)生軸向振動(dòng)的影響，引入Dahl動(dòng)態(tài)摩擦模型描述鉆柱在軸向振動(dòng)情況下摩擦特性，并基于常規(guī)剛桿模型建立了鉆柱動(dòng)態(tài)摩阻計(jì)算模型，通過(guò)對(duì)比計(jì)算和實(shí)測(cè)的大鉤載荷發(fā)現(xiàn)，該模型計(jì)算的大鉤載荷最大誤差為13.19%，平均誤差僅4.90%，說(shuō)明該模型具有較高的精度，也驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性。

（2）長(zhǎng)慶油田某區(qū)塊水力振蕩器的安放位置優(yōu)化結(jié)果表明，水平井斜井段的最佳安放位置距離鉆頭60～80 m，水平井段的最佳安放位置距離鉆頭60～100 m。