水力振蕩器安放位置選擇及試驗

張 蘇, 李 娜, 徐明磊, 李立昌, 馮 強, 程 林, 崔樹清

(1廣東石油化工學院 2中國石油集團渤海鉆探工程有限公司 3中國石油集團渤海鉆探工程有限公司定向井技術服務分公司 4中國石油集團華北油田公司)

近年來水力振蕩器作為緩解托壓的工具得到了一定的應用[1-11]，水力振蕩器的效果與其安放在鉆柱中的位置有密切關系，但目前國內(nèi)外關于水力振蕩器緩解托壓的機理和安放位置的文獻較為匱乏[12-13]，為了更好的發(fā)揮水力振蕩器作用，達到緩解托壓的目的，開展了水力振蕩器安放位置的理論和試驗研究，為滑動鉆進作業(yè)提供技術支撐。

一、安放位置判定方法

1. 工具起振條件

工具在一定激振力和恢復力條件下振動應滿足以下兩個條件：當工具所處位置軸向受壓時，激振力要能克服該壓力使芯軸伸出，當工具處于受拉位時，芯軸伸出不會受到限制，即軸向力和激振力的和要大于零,如式(1)所示，通過該式判斷出達到伸出條件的所處鉆柱位置的范圍為L1～井口，L1點稱為伸出點。同樣當芯軸在碟簧組的恢復力作用下縮回時，恢復力要大于軸向拉力達到收縮條件，以便于芯軸有效縮回，通過式(2)判斷出工具達到收縮條件的所處鉆柱位置范圍是鉆頭～L2，L2稱為收縮點。

(1)

Fr-FT>0

(2)

式中:Fi—工具的激振力，kN;Fr—恢復力，kN;FT—有效軸向力，kN。

鉆具通過周期性的伸出、縮回才能形成振動，這兩個限制因素稱為起振條件，通過兩個限制因素得出位置范圍的交集是能夠使工具有效振動的安放范圍為L1～L2，稱為起振位置段。

2. 工具最佳安放位置

將鉆柱視為柔性體，鉆柱和井壁之間的的摩阻如式(3)所示，側向力的大小與鉆柱浮重、井眼軌跡的幾何參數(shù)密切相關。將鉆柱離散為若干單元，各單元內(nèi)鉆柱物質(zhì)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1。

FD=FN×μ

(3)

ΔFT=Wcosα±μFN

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：FD—摩阻，kN;μ—摩阻系數(shù)，無因次;FT—鉆柱軸向力，kN;α—平均井斜角，rad;Δα—方位變化量，rad;ΔΦ—井斜變化量，rad;W—鉆柱的浮重，kN。

(8)

圖1 鉆柱單元受力示意圖

上述各式表明,一方面鉆柱的井斜角、方位角的變化會使側向力增大，引起摩阻增大，井斜角、方位角變化越頻繁則摩阻增量越大，即井眼不光滑會使摩阻增大。另一方面軸向力、側向力、摩阻相互影響，下部鉆柱摩阻會使上部鉆柱軸向力增大，軸向力增大引起側向力增大，進而增大了上部鉆柱摩阻，引起了鉆柱整體摩阻增大，因此解決托壓問題要優(yōu)先克服近鉆頭段的摩阻。

克服近鉆頭段的靜摩阻的條件是有效激振力大于近鉆頭段的摩阻，若從鉆頭算起長度為L3的鉆柱靜摩阻和有效激振力相等，則工具的安放位置范圍應為鉆頭～L3，安放在L3處可以達到最大的近鉆頭段減阻效果。

Fie=Fi-FT

(9)

Fie>FD

(10)

通過起振條件得出安放位置在L1～L2，有效激振力減阻條件得出安放位置為L3。工具的安放首先滿足起振條件，其位置應在起振范圍內(nèi)，當滿足起振條件后再優(yōu)選安放位置，即L3在L1～L2之間時，取L3，能夠達到最佳緩解托壓的效果，否則取工具伸出點的位置L1，只能對托壓起到一定的緩解作用，則最佳安放位置如式(11)所示。

(11)

式中：L—最佳安放位置，m。

3. 模擬分析

對三段式、雙增式、五段式三種井眼軌道模擬分析，造斜率分別取3°/30 m、6°/30 m、9°/30 m。模擬中鉆具組合為?215.9 mm PDC×0.5 m+?172 mm螺桿鉆具×9.14 m+?165 mm鉆鋌×19.57 m+?127 mm加重鉆桿×168.77 m+?127 mm鉆桿×若干。

3.1 三段式軌道時的安放位置

模擬中在不同井深處造斜，造斜終點都為3 000 m，井斜分別為15°、30°、45°、60°、75°、90°，模擬結果如圖2所示。

在相同井斜條件下，當井斜較小時，最佳安放位置隨造斜率的增大而減小。在相同造斜率時隨著井斜的增大而增大，當造斜率較小時隨著井斜的增大而增大的幅值較大，當造斜率較大時隨著井斜的增大而增大的幅值較小。

圖2 三段式軌道時不同井斜最佳安放位置隨井斜的變化

3.2 雙增式軌道時的安放位置

模擬中采用雙增式軌道，先造斜到一定角度后再增斜到90°，先增斜的角度分別是30°、45°、60°。增斜到90°時井深3 000 m，繼續(xù)穩(wěn)斜，穩(wěn)斜段長和三段式相同,模擬結果如圖3所示。

圖3 雙增式軌道時最佳安放位置隨井深的變化

相同造斜率、井斜時L隨井深的增大而增大。相同井深、井斜時L變化較小，可視為基本不變。

相同井深條件下，造斜率越小，L離鉆頭越近，反之越遠。

雙增式軌道的L和L1相同，剩余激振力已經(jīng)無法克服自鉆頭到工具處的摩阻，優(yōu)先選擇工具起振的且最靠近鉆頭的位置。

3.3 五段式軌道時的安放位置

模擬中采用雙增式軌道，先造斜到一定角度后再降斜到0°，造斜率和降斜率相同，先增斜的角度分別是和雙增式軌道相同。增降斜到0°時井深3 000 m，繼續(xù)穩(wěn)斜，穩(wěn)斜段長和三段式相同。模擬結果如圖4所示。

圖4 五段式軌道時最佳安放位置隨井深的變化

五段式軌道對應的最佳安放位置相對固定，且在工具伸出點和收縮點之間，能夠達到最佳緩解托壓的效果。

3.4 分析結論

(1)在同樣的造斜井深時，五段式軌道對應的水力振蕩器最佳安放位置最小，雙增軌道最大，三段制在二者之間。

(2)三段式和雙增式軌道中不同造斜率時井斜角30°對應的最佳安放位置變化較小，井斜60°、90°時隨井深的增大而增大。五段式軌道中各種井斜對應的最佳安放位置和井深、造斜率的相關性較小。

(3)三段式軌道和五段式軌道工具的安放位置能夠達到最佳緩解托壓的效果。雙增式軌道工具的安放位置只能對托壓起到一定的緩解作用。

二、現(xiàn)場試驗

1. 試驗井信息

華北地區(qū)某三開三段制定向井，設計井深4 370 m，設計最大井斜50.53°，井身結構如表 1。

表1 試驗井井身結構表

在該井進行水力振蕩器安放位置試驗，試驗中水力振蕩器的脈沖激振力為35 kN，碟簧組恢復力為400 kN。試驗前鉆具組合為:?215.9 mm PDC×0.35 m+?172 mm螺桿鉆具×8.39 m+?210 mm欠尺寸扶正器×1.55 m+?165 mm浮閥×0.5 m+?165 mm無磁鉆鋌×8.82 m+MWD短節(jié)×2.08 m+?165 mm無磁鉆鋌×8.67 m+?127 mm加重鉆桿×168.77 m+?127 mm加重鉆桿×28.13 m+?127 mm鉆桿×若干。

在鉆井過程中，三開?215.9 mm井眼穩(wěn)斜段鉆進，鉆至2 876 m時由于地質(zhì)因素增斜，需要定向作業(yè)，在井深2 875.01～2 876.80 m定向，滑動鉆進托壓值127.3 kN，托壓嚴重，通過不斷上提下放來調(diào)整工具面，無法進行定向作業(yè)。同時由于托壓導致的鉆具滑脫釋放導致工具面不穩(wěn)定、蹩泵頻繁，定向期間需要頻繁活動鉆具，影響定向作業(yè)，該井具有典型的托壓現(xiàn)象。

經(jīng)分析該井設計軌道滑動鉆進摩阻59.8 kN，實際軌跡滑動鉆進摩阻113.0 kN，因井眼軌道不光滑導致摩阻增大了53.2 kN。托壓前鉆壓70 kN，托壓時鉆壓120 kN，鉆柱整體摩阻增加了60 kN。經(jīng)計算安放位置范圍距離鉆頭46.09～2047.09 m，最佳安放位置在距離鉆頭172.67 m，實際安放位置在199.13 m。

試驗鉆具組合:?215.9 mm PDC×0.35 m+?172 mm螺桿鉆具×8.39 m+?210 mm欠尺寸扶正器×1.55 m+?165 mm浮閥×0.5 m+?165 mm無磁鉆鋌×8.82 m+MWD短節(jié)×2.08 m+?165 mm無磁鉆鋌×8.67 m+?127 mm加重鉆桿×168.77 m+?178 mm水力振蕩器×6.04 m+?127 mm加重鉆桿×28.13 m+?127 mm鉆桿×若干。

2. 結果分析

在2 877～4 469 m的井段試驗水力振蕩器，在井深2 876.80～2 881.61 m、3 213.31～3 219.99 m、3 348.85～3 355.47 m處分別定向，使用水力振蕩器一段時間后滑動鉆進平均鉆壓穩(wěn)定在50 kN，未出現(xiàn)托壓、鉆具滑脫釋放現(xiàn)象，滑動期間基本不需要活動鉆具，鉆頭位置較為穩(wěn)定。

通過水力振蕩器使用前后鉆頭位置對比分析，結果表明水力振蕩器降低了滑動鉆進托壓值、托壓釋放和工具面調(diào)整次數(shù)。主要由于水力振蕩器產(chǎn)生的軸向激振力克服了近鉆頭段摩阻，改善了鉆壓傳遞，提高了破巖效率，創(chuàng)造了良好的鉆具下放空間，保證了定向作業(yè)的連續(xù)性，使鉆具和井壁之間始終處于動摩擦的狀態(tài)，從而有效緩解了托壓現(xiàn)象。

三、結論

(1)水力振蕩器安放位置要滿足起振條件，最佳安放位置應能在起振范圍內(nèi)最大限度地克服近鉆頭摩阻。

(2)理論分析中三段式、雙增式軌道對應的水力振蕩器最佳安放位置隨著井斜、井深的增大而增大，隨著造斜率的增大而減小。五段式對應的最佳安放位置隨造斜率和井深的變化不明顯。

(3)試驗中安放水力振蕩器能有效緩解托壓現(xiàn)象，減少了鉆具滑脫釋放，從而減少了定向過程中調(diào)整工具面的次數(shù)，使定向作業(yè)平穩(wěn)順暢。