扭轉(zhuǎn)式機(jī)械振蕩器的研制與應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

王方祥，楊 鑫，任健偲,蔡曉偉,張建山，張 乾

1中國(guó)石油渤海鉆探工程公司井下技術(shù)服務(wù)公司 2中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司第二鉆井工程分公司 3中國(guó)石油渤海鉆探井下作業(yè)分公司試油工程作業(yè)部 4中國(guó)石油渤海鉆探工程公司第二錄井分公司

0 引言

為了滿足油氣勘探開(kāi)發(fā)的需求，長(zhǎng)水平段的水平井?dāng)?shù)量逐漸增多[1]。利用連續(xù)油管在長(zhǎng)水平井段施工時(shí)，由于管柱本體螺旋變形，使得其與井壁的摩擦力增加，施加在管柱上的鉆壓被摩擦力抵消，導(dǎo)致不能在水平段推進(jìn)，形成自鎖現(xiàn)象[2]。如四川頁(yè)巖氣H23平臺(tái)的3口上傾井，水平井段平均長(zhǎng)度1 900 m，平均井斜102.13°，連續(xù)油管無(wú)法下至預(yù)定位置，距離最長(zhǎng)達(dá)750 m，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和施工質(zhì)量。

目前，為了提高管柱在水平井段的推進(jìn)能力，一般從液體環(huán)境和管柱結(jié)構(gòu)兩方面入手。改變液體環(huán)境即向井內(nèi)泵注金屬降阻劑，改變管柱與套管間的摩擦系數(shù)[3-4]，但金屬降阻劑造價(jià)高，用量大，然而作用有限，給降本增效帶來(lái)較大壓力。改善管柱結(jié)構(gòu)即在入井管柱上安裝螺桿水力振蕩器[5]，利用液體流通面積周期性的改變產(chǎn)生壓力激動(dòng)，對(duì)管柱產(chǎn)生振動(dòng)載荷，從而降低管柱與井壁間的摩擦力[6]。鉆井過(guò)程中常使用水力振蕩器解決水平井段高摩阻的問(wèn)題，吳志勇[7]、王建龍[8]等學(xué)者對(duì)水力振蕩器的結(jié)構(gòu)、性能及關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，歐陽(yáng)勇等[9]利用理論計(jì)算的方法優(yōu)化了水力振蕩器的安放位置。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，水力振蕩器的使用效果主要受泵壓、排量、液體性能的影響，鉆井中一般使用152 mm外徑的大螺桿，排量為16～20 L/s，能夠起到較好的降阻效果。但連續(xù)油管施工中一般使用73 mm外徑的小螺桿，排量為5～8 L/s。在該工況下，水力振蕩器的振蕩強(qiáng)度不足，適用性較差，對(duì)于較長(zhǎng)的水平井段未能達(dá)到理想的應(yīng)用效果。

為此，本文摒棄水力振蕩器的固有思路，結(jié)合彈簧蓄能和齒形交錯(cuò)結(jié)構(gòu)，研制了一種扭轉(zhuǎn)式機(jī)械振蕩器，基于沖擊動(dòng)力學(xué)理論建立了其沖擊載荷的計(jì)算模型，結(jié)合管柱的螺旋屈曲摩阻模型，分別計(jì)算了同工況下光管柱、安裝水力振蕩器、安裝機(jī)械振蕩器的連續(xù)油管在水平段的極限推進(jìn)深度，并介紹了扭轉(zhuǎn)式機(jī)械振蕩器在頁(yè)巖氣井的應(yīng)用效果。

1 扭轉(zhuǎn)式機(jī)械振蕩器的結(jié)構(gòu)及原理

井下振蕩器使管柱因振蕩產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)，從而降低與井壁之間的摩擦力[10-11]。齒形交錯(cuò)的機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠利用兩齒的嚙合和交錯(cuò)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)改變?yōu)檩S向運(yùn)動(dòng)，加之彈性元件的蓄能，使嚙合過(guò)程存在較強(qiáng)的沖擊運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)管柱的軸向振動(dòng)。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

扭轉(zhuǎn)式機(jī)械振蕩器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括上接頭、短螺桿、轉(zhuǎn)接頭、旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸、扶正軸承、彈性元件、沖擊體、受沖體和下接頭。工具內(nèi)短螺桿的轉(zhuǎn)子通過(guò)轉(zhuǎn)接頭連接旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸,轉(zhuǎn)接頭為萬(wàn)向軟連接接頭，具有一定的軸向活動(dòng)空間。旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸內(nèi)為流道結(jié)構(gòu)，可為液體提供向下流動(dòng)的通道。在旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸的中間部位安裝扶正軸承，保證旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，底部套入彈性元件后，安裝沖擊體，并使彈性元件處于壓縮狀態(tài)。彈性元件為彈簧蓄能結(jié)構(gòu)，根據(jù)齒形交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的軸向運(yùn)動(dòng)距離(齒高)及使用工況確定彈簧性能及預(yù)緊力。在工具外筒的最下部，通過(guò)花鍵結(jié)構(gòu)套裝受沖體，使得受沖體能夠沿軸向運(yùn)動(dòng)而不能旋轉(zhuǎn)。沖擊體的下端和受沖體上端為相互嚙合的齒形結(jié)構(gòu)，在受沖體的下部連接下接頭，中間留有一定的軸向運(yùn)動(dòng)空間。

圖1 機(jī)械振蕩器的結(jié)構(gòu)示意圖

1上接頭 2短螺桿 3轉(zhuǎn)接頭 4旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸 5扶正軸承 6彈性元件 7沖擊體 8受沖體 9下接頭

1.2 工作原理

扭轉(zhuǎn)式機(jī)械振蕩器的工作原理如圖2所示。

圖2 機(jī)械振蕩器的工作原理圖

當(dāng)?shù)孛姹米⒌牧黧w流過(guò)短螺桿時(shí)，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)接頭和旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，進(jìn)一步帶動(dòng)底部的沖擊體相對(duì)受沖體旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，兩者的齒形結(jié)構(gòu)相互交錯(cuò)、嚙合。由于限制了受沖體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在兩者齒形結(jié)構(gòu)交錯(cuò)時(shí)，沖擊體沿受沖體的齒面向上爬升，從而壓縮已經(jīng)蓄能的彈性元件，使其進(jìn)一步蓄能。當(dāng)?shù)竭_(dá)兩齒交錯(cuò)的頂端后，彈性元件突然釋放，在彈力推動(dòng)下，沖擊體向下沖擊受沖體，使其帶動(dòng)下接頭及之后的工具串產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)兩者齒形結(jié)構(gòu)相互嚙合。之后，沖擊體繼續(xù)沿齒面爬升，重復(fù)交錯(cuò)和嚙合過(guò)程，從而形成周期性的軸向振動(dòng)，解除連續(xù)油管的自鎖現(xiàn)象，延長(zhǎng)其在長(zhǎng)水平井段的推進(jìn)距離。

2 工具沖擊載荷的計(jì)算

扭轉(zhuǎn)式機(jī)械振蕩器的軸向振動(dòng)為純機(jī)械運(yùn)動(dòng)，其沖擊載荷受泵壓、排量等流體參數(shù)的影響較小，主要受彈性元件預(yù)緊力、齒高度和齒形輪廓的影響。

沖擊體在彈力作用下沖擊受沖體，加速過(guò)程需滿足：

(1)

式中：m—沖擊體的質(zhì)量，kg；s—沖擊體的位移，m；t—時(shí)間，s；KT—彈性剛度，N/m；L1—彈性元件壓縮量，m。

求解可得沖擊體的位移函數(shù)和速度函數(shù)。而沖擊體的最大位移即為齒的高度，代入速度函數(shù)即可獲得沖擊體的最大沖擊速度。

(2)

式中：vmax—沖擊體的最大沖擊速度，m/s；H—齒高度，m。

在沖擊過(guò)程中作用力可由動(dòng)力學(xué)理論表達(dá)為：

(3)

式中：F—沖擊載荷，N；δ—受沖體的波阻，kg/s；vs—受沖體的瞬時(shí)速度，m/s；vc—沖擊體的瞬時(shí)速度，m/s；Kc—齒面變形系數(shù)，N/m。

整合得到二階微分方程：

(4)

求解可得沖擊載荷函數(shù)F(t)：

(5)

而沖擊體的最大沖擊速度為該函數(shù)的初始條件，代入即可獲得最大沖擊載荷。

(6)

3 連續(xù)油管極限推進(jìn)深度

當(dāng)連續(xù)油管在水平井段發(fā)生自鎖時(shí)，管柱的軸向載荷小于等于庫(kù)倫摩擦力，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的深度即為連續(xù)油管的極限推進(jìn)深度。

3.1 螺旋屈曲摩阻模型

連續(xù)油管在井筒內(nèi)發(fā)生螺旋屈曲，根據(jù)非線性接觸的間隙元理論，綜合考慮井眼軌跡、連續(xù)油管物理性質(zhì)、管柱間的接觸摩擦力和井筒內(nèi)液體阻力，獲得計(jì)算庫(kù)倫摩擦力的螺旋屈曲摩阻模型[12]。

(7)

式中：Fc—庫(kù)倫摩擦力，N；E—連續(xù)油管的彈性模量，Pa；I—連續(xù)油管的截面慣性矩，m4；G—單位長(zhǎng)度連續(xù)油管的浮重，N/m；α—井斜角，(°)；r—環(huán)空半徑間隙，m；Lmax—連續(xù)油管在水平井段極限推進(jìn)深度，m。

3.2 光管柱軸向載荷

光管柱指的是連續(xù)油管管柱中不安裝任何的振蕩器,此時(shí)連續(xù)油管的軸向載荷即為井口釋放懸重所傳遞至管柱末端的軸向力。根據(jù)文獻(xiàn)[13]的研究結(jié)果可知：

(8)

式中：μ—管壁間的摩擦系數(shù)；σ—連續(xù)油管的屈服強(qiáng)度，Pa；h—施工井的垂深，m；其他參數(shù)同上。

3.3 水力振蕩器沖擊載荷

根據(jù)LuGre模型[14]，結(jié)合連續(xù)油管在水力振蕩器作用下的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)方程，由振動(dòng)幅度、振動(dòng)強(qiáng)度和振動(dòng)頻率表達(dá)其沖擊載荷為[15]：

(9)

式中：B=Xcosωt；C=Xsinωt；X—振動(dòng)幅度，m；ω—螺桿轉(zhuǎn)速，r/s；t—時(shí)間，s；ξ—?jiǎng)傂韵禂?shù)，N/m；p—施工泵壓，Pa；Fq—振動(dòng)強(qiáng)度，N；k—振動(dòng)頻率，Hz；Q—施工排量，m3/s。

3.4 實(shí)例計(jì)算

長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)地區(qū)頁(yè)巖氣井的水平段一般為1 400～2 400 m。以N216X井為實(shí)例，分別計(jì)算光管柱、安裝水力振蕩器、安裝機(jī)械振蕩器的連續(xù)油管在水平段的極限推進(jìn)深度。該井實(shí)際完鉆垂深2 323.64 m，現(xiàn)人工井底4 590.9 m，造斜點(diǎn)深2 270.00 m，最大井斜100.56°，水平井段全長(zhǎng)2 302.3 m。使用直徑50.8 mm、壁厚4.4 mm的連續(xù)油管進(jìn)行水平井段鉆塞施工，泵注排量0.007 m3/s，泵壓30 MPa。

3.4.1 光管柱軸向載荷計(jì)算參數(shù)

連續(xù)油管的彈性模量2.06×1011Pa，截面慣性矩2.86×10-7m4，單位長(zhǎng)度的浮重34.27 N/m，管壁間的摩擦系數(shù)0.3，屈服強(qiáng)度7.41×108Pa。

3.4.2 水力振蕩器沖擊載荷計(jì)算參數(shù)

水力振蕩器的振動(dòng)幅度0.006 m，振動(dòng)強(qiáng)度20 000 N，振動(dòng)頻率20 Hz。在排量0.007 m3/s、泵壓30 MPa情況下，螺桿轉(zhuǎn)速121 r/s。管壁間的剛性系數(shù)1×105N/m，摩擦系數(shù)為0.3。

3.4.3 機(jī)械振蕩器沖擊載荷計(jì)算參數(shù)

沖擊體的質(zhì)量7.8 kg，齒高度0.02 m，彈性元件壓縮量0.6 m，彈性剛度90 000 N/m，齒面變形系數(shù)3.5×10-6N/m。

3.4.4 庫(kù)倫摩擦力計(jì)算參數(shù)

連續(xù)油管的彈性模量、截面慣性矩、單位長(zhǎng)度的浮重等參數(shù)同上。連續(xù)油管與套管之間的環(huán)空半徑間隙為3.53×10-2m。

3.4.5 計(jì)算結(jié)果分析

將以上計(jì)算參數(shù)代入相應(yīng)公式，計(jì)算出光管柱、安裝水力振蕩器和安裝機(jī)械振蕩器的三種情況下，連續(xù)油管在水平段的極限推進(jìn)深度分別為1 406.7 m、1 538.3 m和2 739.5 m。由此可見(jiàn)，安裝水力振蕩器后，雖然連續(xù)油管的水平推進(jìn)深度相對(duì)光管柱提高了9.4%，但對(duì)于某些較長(zhǎng)水平井段的頁(yè)巖氣井還不適用，無(wú)法達(dá)到預(yù)定深度。安裝扭轉(zhuǎn)式機(jī)械振蕩器后，水平推進(jìn)深度相對(duì)光管柱提高了94.7%，相對(duì)安裝水力振蕩器提高了78.1%，極限推進(jìn)深度可達(dá)2 700 m以上，完全滿足長(zhǎng)水平井段的施工需求，體現(xiàn)出了該工具的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和對(duì)連續(xù)油管施工的適用性。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 N216X井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

以算例為基礎(chǔ)，在N216X井開(kāi)展了扭轉(zhuǎn)式機(jī)械振蕩器的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該井試油井段2 278～4 588 m，段總長(zhǎng)2 310 m。水力加砂分段壓裂改造后，使用連續(xù)油管鉆除井內(nèi)的32個(gè)橋塞，并通井至人工井底，以利于后期排采作業(yè)。

4.1.1 光管柱施工

在油層套管內(nèi)下入鉆磨工具串(?50.8 mm連續(xù)油管+?73 mm鉚釘連接器+?73 mm丟手+?73 mm震擊器+?73 mm馬達(dá)+?95 mm磨鞋)，為光管柱施工。下至2 600 m后，用滑溜水循環(huán)洗井一周以上，保持泵壓30 MPa、排量0.007 m3/s穩(wěn)定，控制鉆壓，連續(xù)鉆穿17個(gè)橋塞后，繼續(xù)下放至深度3 667.2 m(水平推進(jìn)1 378.6 m)時(shí)，加鉆壓30 kN無(wú)法推進(jìn)，判斷為連續(xù)油管自鎖。

4.1.2 水力振蕩器管柱施工

起出光管柱工具串，在?73 mm丟手和?73 mm震擊器之間安裝?73 mm水力振蕩器，以同樣的泵壓、排量下入連續(xù)油管，探至第18個(gè)橋塞(深度3 694.2 m)，順利鉆穿后繼續(xù)鉆進(jìn)至3 792.3 m(水平推進(jìn)1 503.7 m)，共鉆穿2個(gè)橋塞。下放加壓30 kN遇阻，反復(fù)試下無(wú)效。

4.1.3 機(jī)械振蕩器管柱施工

起出連續(xù)油管水力振蕩器管柱，在?73 mm丟手和?73 mm震擊器之間安裝?73 mm扭轉(zhuǎn)式機(jī)械振蕩器，以同樣的泵壓、排量下入連續(xù)油管，探至第20個(gè)橋塞(深度3 829.5 m)，順利鉆穿后持續(xù)下放，一趟鉆共鉆穿13個(gè)橋塞，中途加鉆壓不超過(guò)30 kN，探到人工井底4 590.9 m(水平推進(jìn)2 302.3 m)，施工過(guò)程中無(wú)連續(xù)油管自鎖現(xiàn)象。

4.1.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中，三種管柱結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的推進(jìn)距離與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 推進(jìn)距離理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由于該井的水平井段全長(zhǎng)2 302.3 m，未到機(jī)械振蕩器管柱理論計(jì)算數(shù)值，所以，通過(guò)對(duì)比光管柱和水力振蕩器管柱推進(jìn)距離的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)值與理論計(jì)算值發(fā)現(xiàn)，誤差分別為28.1 m和34.6 m，兩者基本相符，表明通過(guò)理論計(jì)算出的連續(xù)油管極限推進(jìn)深度是準(zhǔn)確可靠的?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)值偏小的原因是實(shí)際施工中泵壓、井底溫度等均會(huì)導(dǎo)致連續(xù)油管變形，使管壁間的摩擦阻力偏大。

4.2 應(yīng)用效果

扭轉(zhuǎn)式機(jī)械振蕩器在頁(yè)巖氣平臺(tái)應(yīng)用20余井次，統(tǒng)計(jì)典型井的應(yīng)用見(jiàn)表2。

由表2可見(jiàn)，使用該工具之后，連續(xù)油管在水平井段的推進(jìn)深度至少延伸400 m，平均延伸680 m，均能通井至人工井底，保證了施工進(jìn)度和施工質(zhì)量?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該工具可大大降低連續(xù)油管與套管壁之間的摩擦力，有效解決連續(xù)油管在長(zhǎng)水平井段的自鎖問(wèn)題，增加其在水平井段的推進(jìn)深度。根據(jù)水平井的不同水垂比、不同井斜角、不同連續(xù)油管規(guī)格配套機(jī)械振蕩器的結(jié)構(gòu)參數(shù)(預(yù)緊力、彈性元件、齒形等)，是下一步的研究重點(diǎn)。

表2 應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

(1)結(jié)合彈簧蓄能和齒形交錯(cuò)結(jié)構(gòu)，研制了一種扭轉(zhuǎn)式機(jī)械振蕩器，依靠旋轉(zhuǎn)過(guò)程中沖擊體與受沖體的齒形結(jié)構(gòu)相互交錯(cuò)、嚙合，并使預(yù)壓縮的彈性元件繼續(xù)蓄能，產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊振蕩，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)降阻。

(2)建立了工具沖擊載荷的計(jì)算模型，結(jié)合管柱的螺旋屈曲摩阻模型，計(jì)算了連續(xù)油管在水平段的極限推進(jìn)深度，安裝該工具后，同工況下推進(jìn)深度相對(duì)光管柱提高了94.7%，相對(duì)安裝水力振蕩器提高了78.1%，極限推進(jìn)深度可達(dá)2 700 m以上。

(3)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證了連續(xù)油管極限推進(jìn)深度理論計(jì)算的準(zhǔn)確可行性，并且表明該工具可大大降低管柱間的摩擦力，有效解決連續(xù)油管在長(zhǎng)水平井段的自鎖問(wèn)題，增加其在水平井段的推進(jìn)深度。