井下鉆柱震動(dòng)減阻理論與技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

王海 王彪 錢(qián)程

摘要：隨著我國(guó)開(kāi)采水平的提升，水平井、大斜度井已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在開(kāi)采過(guò)程當(dāng)中，鉆柱與井壁之間，由于摩擦阻力會(huì)大，會(huì)產(chǎn)生拖壓的現(xiàn)象，偶爾會(huì)產(chǎn)生無(wú)法施加轉(zhuǎn)速，影響機(jī)械轉(zhuǎn)速，甚至造成井下事故的現(xiàn)象。所以井下鉆柱震動(dòng)減阻理論的發(fā)展以及技術(shù)的革新會(huì)朝著減少轉(zhuǎn)矩與井壁之間的摩擦阻力為方向進(jìn)行發(fā)展?；诖?，下文從井下鉆柱震動(dòng)減阻理論的現(xiàn)狀分析入手，為其技術(shù)發(fā)展提供幾點(diǎn)思考。

關(guān)鍵詞：鉆柱震動(dòng);減阻理論;技術(shù);現(xiàn)狀

模組問(wèn)題目前是各種復(fù)雜的鉆井作業(yè)中最為凸顯的一種問(wèn)題，它尤其是體現(xiàn)在滑動(dòng)的鉆井過(guò)程當(dāng)中會(huì)造成脫粘、粘阻非常嚴(yán)重，而且模組和大扭矩的存在會(huì)使得鉆柱發(fā)生曲轉(zhuǎn)，無(wú)法傳遞到鉆頭，延伸自動(dòng)停止，鉆井工作很難推進(jìn)下去，甚至?xí)霈F(xiàn)一些安全事故。所以在一定程度上，井下模組產(chǎn)生的原因是多元的，而且它帶來(lái)的危害是極大的。而對(duì)鉆柱震動(dòng)減阻理論進(jìn)行研究，無(wú)疑是為提高更好的鉆柱技術(shù)水平服務(wù)的，它對(duì)開(kāi)采技術(shù)的革新有一定的推動(dòng)作用。

1.井下鉆柱震動(dòng)減阻理論的研究現(xiàn)狀

1.1鉆柱震動(dòng)減阻原理

鉆柱震動(dòng)減阻，主要是靠震動(dòng)工具引起鉆柱的震動(dòng)，從而改變柱受力的情況而改變摩擦力的類(lèi)型，將靜摩擦力改為動(dòng)摩擦力的過(guò)程，使動(dòng)摩擦的系數(shù)小于靜摩擦的系數(shù)，會(huì)在一定程度上減少鉆柱所受到的阻力，從而提高震壓的傳遞效率，也就是提高了鉆柱的速度，進(jìn)而為井眼長(zhǎng)度延伸做了準(zhǔn)備。鉆柱震動(dòng)可以通過(guò)改變中受力的狀態(tài)，可以通過(guò)疊加的原理，使鉆柱所受到的震動(dòng)疊加到鉆柱入井的速度當(dāng)中，即改變注入井的平均速度。假設(shè)震動(dòng)的變化是按正弦曲線(xiàn)的變化規(guī)律為基準(zhǔn)的，就會(huì)得出一個(gè)鉆柱入井的速度和震動(dòng)幅度值之間的一個(gè)函數(shù)關(guān)系。結(jié)合函數(shù)關(guān)系就可以推斷出，鉆柱彈性作用的運(yùn)動(dòng)方向、周期與震動(dòng)部分的分量是相反的，它可以有效的將摩擦阻力減少。例如通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，如果入口的速度值達(dá)到1/2的時(shí)候摩擦力幾乎減少為原來(lái)的70%左右。通過(guò)這個(gè)原理就可以建立起入口速度和摩擦力之間的關(guān)系。這也是，鉆柱震動(dòng)減阻研究的原始形式，它是假設(shè)摩擦力和運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)的基礎(chǔ)之上的。

1.2鉆柱震動(dòng)模型

井下鉆柱震動(dòng)減阻理論的核心研究主要是鉆柱震動(dòng)模型的研究。在最近幾年當(dāng)中經(jīng)常出現(xiàn)的模型有間隙元理論、分段計(jì)算方法、分析非線(xiàn)性有限元方法，其中間隙元理論是在2002年建立的，它主要適用于計(jì)算水平井的整體摩擦阻力的三維力學(xué)模型，它在一定程度上考慮到抗彎剛度和井傳以及井壁之間的初始間隙和隨機(jī)接觸的狀態(tài)。從三維空間的角度整體分析鉆柱和緊密的接觸力、摩擦力以及鉆柱軸線(xiàn)的分布規(guī)律。而分段計(jì)算法是2006年提出來(lái)的一種大位移摩阻扭矩力學(xué)分析新模型，它是在思路上的一種創(chuàng)新，采用的是分段模組，有據(jù)計(jì)算原則。而非線(xiàn)性有限元法是通過(guò)對(duì)于鉆柱大變形的非線(xiàn)性以及鉆柱和井壁之間接觸的非線(xiàn)性問(wèn)題，提出來(lái)的力學(xué)模式，對(duì)短半徑水平井中的鉆柱受力進(jìn)行非線(xiàn)性分析。

1.3材料震動(dòng)與摩擦力的關(guān)系

而對(duì)于材料震動(dòng)和摩擦力之間的研究，主要有以下三種觀(guān)點(diǎn)。第一種認(rèn)為，震動(dòng)激發(fā)了接觸面之間的法向震動(dòng)，也就是由于受到超聲轉(zhuǎn)換器的激勵(lì)之后，摩擦材料之間會(huì)產(chǎn)生機(jī)械碰撞，那就會(huì)導(dǎo)致相互接觸的物體之間的真實(shí)接觸面積發(fā)生改變;而兩物體之間的接觸時(shí)間，也會(huì)因?yàn)檎饎?dòng)時(shí)的連續(xù)接觸變?yōu)殚g接性接觸，由此接觸面積和接受時(shí)間均會(huì)減少，平均阻力也會(huì)減少。第二種觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為，震動(dòng)改變了接觸面之間的方向，所以這種觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為，震動(dòng)改變了接觸面之間的摩擦力方向，從而降低了一個(gè)震動(dòng)周期內(nèi)的平均摩擦力。而第三種觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為，震動(dòng)讓摩擦接觸面之間更加的光滑。每一個(gè)物體的接觸表面都有一個(gè)震動(dòng)的周期，那么他們也都有一個(gè)脫離的瞬間，這樣會(huì)使?jié)櫥橘|(zhì)更好發(fā)揮作用。

2 井下鉆柱震動(dòng)技術(shù)的發(fā)展

2.1未來(lái)減阻技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

未來(lái)減阻技術(shù)的發(fā)展，可能會(huì)朝著高分子聚合物的方向發(fā)展，這種現(xiàn)象稱(chēng)為高聚物減阻。方法就是在液體當(dāng)中加入適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)劑，稱(chēng)之為減阻劑，簡(jiǎn)稱(chēng)D2A，減阻劑是一種分子量大于百萬(wàn)以上的線(xiàn)性結(jié)構(gòu)，柔性高分子聚合物。它不僅有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而且對(duì)于管道系統(tǒng)減少摩擦?xí)r可以大大的降低運(yùn)行動(dòng)力的消耗，對(duì)于石油的開(kāi)采過(guò)程來(lái)說(shuō)，它可以縮短碼頭的卸油時(shí)間，提高工作效率，尤其是目前隨著石油產(chǎn)量的開(kāi)發(fā)，中大號(hào)管道更是需要通過(guò)注入減阻劑來(lái)減少管道和管井壁之間的摩擦阻力。而現(xiàn)在比較有前景的減阻技術(shù)，還有構(gòu)槽法，柔性臂法，微氣泡法。構(gòu)槽法是在物體的表面進(jìn)行開(kāi)一系列的橫向縱向的溝槽，來(lái)改變流動(dòng)結(jié)構(gòu)，以達(dá)到減阻的目的;而微氣泡法是，通過(guò)在物體表面制造一些氣泡來(lái)達(dá)到減阻、降噪的效果;柔性臂法是通過(guò)一層薄薄的彈性涂料或不滲透的薄膜，來(lái)達(dá)到減阻的效果。

2.2 發(fā)展策略

為了減少井下鉆柱震動(dòng)主力可以對(duì)于水平井和大位移井，使用一些震動(dòng)減阻技術(shù)，利用鉆井當(dāng)中的熱能使鉆柱震動(dòng)增加從而增加轉(zhuǎn)速，有效的降低成本還能夠得到廣泛的應(yīng)用。其次，對(duì)于一些目前被成功設(shè)計(jì)并運(yùn)用到實(shí)際生活當(dāng)中的一些震動(dòng)減阻工具，可以為我國(guó)研究人員作震動(dòng)工具設(shè)計(jì)的參考，這樣能夠有效的避免一些明確不合理的設(shè)計(jì)，也可以節(jié)約設(shè)計(jì)的周期，降低設(shè)計(jì)試驗(yàn)的成本。在一些油田的開(kāi)采過(guò)程當(dāng)中，可以大量的使用大位移井和水平井，這樣能夠提高開(kāi)采的效率，降低開(kāi)采過(guò)程當(dāng)中的消耗。雖然這些井都會(huì)存在摩擦力較大的問(wèn)題，但是可以通過(guò)有效的設(shè)計(jì)減阻技術(shù)，以滿(mǎn)足需求。

結(jié)束語(yǔ)

簡(jiǎn)而言之，水平井以及斜坡井的開(kāi)采已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用，而如何減少井壁之間的摩擦力問(wèn)題，已經(jīng)成了降低開(kāi)采成本，提高開(kāi)采效率的主要途徑，可以通過(guò)提高機(jī)械轉(zhuǎn)速以及鉆井的效率來(lái)減少阻力問(wèn)題。但就目前來(lái)看，工作人員的經(jīng)驗(yàn)和輸入工具的局限性無(wú)法達(dá)到減阻效果的最佳，從而影響工作，也影響鉆井的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩效率，并且會(huì)帶來(lái)一定的工作風(fēng)險(xiǎn)。所以，應(yīng)該廣泛的吸收國(guó)外相關(guān)技術(shù)，通過(guò)一定的模型和理論來(lái)探究減阻模型，革新減阻技術(shù)，讓鉆柱的摩擦阻力以及拖延問(wèn)題能夠得到有效的解決，從而提高鉆井的速度和效率。

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