井下鉆柱粘滑振動(dòng)的識(shí)別及控制

趙洪山

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營(yíng) 257000）

鉆井過(guò)程中，粘滑振動(dòng)是導(dǎo)致PDC 鉆頭切削齒損壞和井下工具過(guò)早失效的主要原因之一，嚴(yán)重影響了鉆井效率和鉆井周期。大量理論和實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)，鉆頭切削特性、底部鉆具結(jié)構(gòu)及鉆井參數(shù)等因素均會(huì)對(duì)鉆頭粘滑振動(dòng)產(chǎn)生較大的影響[1-3]，在鉆頭設(shè)計(jì)中加入切削深度控制器（DOCC）、提高鉆柱的扭轉(zhuǎn)剛度并優(yōu)化鉆壓、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，有利于抑制鉆柱粘滑振動(dòng)；然而關(guān)于PDC 鉆頭攻擊性對(duì)粘滑振動(dòng)的影響，目前仍然存在較大的爭(zhēng)議。為了分析PDC 鉆頭切削結(jié)構(gòu)的攻擊性對(duì)粘滑振動(dòng)的影響，哈里伯頓公司利用研發(fā)的智能PDC鉆頭采集了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆的鉆頭振動(dòng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行深入分析，為揭示鉆柱粘滑振動(dòng)成因、類(lèi)型及控制方法提供了有意義的參考。

1 鉆柱粘滑振動(dòng)識(shí)別

智能PDC 鉆頭是實(shí)現(xiàn)利用鉆頭直接獲取井下工程信息的鉆頭技術(shù)，如圖1所示，為哈里伯頓公司研制的智能PDC鉆頭示意圖。在鉆頭接頭內(nèi)部，安裝有13個(gè)傳感器，包括3個(gè)加速度計(jì)、3個(gè)磁力計(jì)、3個(gè)陀螺儀、3 個(gè)測(cè)斜儀和1 個(gè)溫度傳感器，可直接測(cè)量鉆壓、鉆頭扭矩、彎矩、振動(dòng)和轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，其中加速度計(jì)工作范圍±200g，精度80mg；陀螺儀工作范圍±333r/min，精度0.5r/min；數(shù)據(jù)采集頻率為1000Hz；最大作業(yè)溫度為130°C；最大作業(yè)壓力20kps；存儲(chǔ)芯片可記錄150h的數(shù)據(jù)。

圖1 智能PDC鉆頭示意圖

智能PDC 鉆頭研制出來(lái)后，在全球范圍內(nèi)開(kāi)展了56 井次的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，井型包括直井、定向井和水平井，鉆頭直徑范圍為200.025～311.15mm，刀翼數(shù)量為5～8個(gè)。鉆進(jìn)過(guò)程中，智能鉆頭記錄下鉆頭扭矩、振動(dòng)和轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，用于鉆后每個(gè)井段粘滑特性的詳細(xì)分析。為研究切削結(jié)構(gòu)攻擊性對(duì)粘滑振動(dòng)的影響，現(xiàn)場(chǎng)所用的智能PDC 鉆頭均設(shè)計(jì)了臺(tái)階式保徑塊，以確保其不與井壁接觸，從而可以消除對(duì)粘滑振動(dòng)的影響。

如圖2所示，給出了利用智能鉆頭測(cè)量并分析得到的因PDC鉆頭切削引起的粘滑振動(dòng)變化情況[4]。從圖中可以看出，PDC 鉆頭粘滑振動(dòng)是由鉆頭切削引起的軸向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)之間的耦合產(chǎn)生的，其特征主要為：①粘滯階段鉆頭轉(zhuǎn)速為零；②粘滯階段不存在軸向振動(dòng)和橫向振動(dòng)，這些特征為確定粘滑振動(dòng)是否由鉆頭切削所引起提供了幫助。

圖2 鉆頭切削引起的典型粘滑振動(dòng)

2 鉆柱粘滑振動(dòng)控制

2.1 鉆頭扭矩和鉆頭攻擊性的關(guān)系

利用Chen 等人建立的鉆頭和巖石之間的相互作用模型[5]，計(jì)算得到了?215.9mm鉆頭A和鉆頭B的鉆壓與鉆頭扭矩之間的關(guān)系，如表1所示。從表中可以看出，與鉆頭A相比，鉆頭B只需55%的鉆壓和60%的鉆頭扭矩即可獲得相同的機(jī)械鉆速（15.24m/h），由此表明攻擊性強(qiáng)的鉆頭不易發(fā)生粘滑振動(dòng)。

表1 鉆壓和鉆頭扭矩計(jì)算結(jié)果（機(jī)械鉆速=15.24m/h）

此外，從現(xiàn)場(chǎng)施工角度容易理解上述情況，在給定鉆井條件下，對(duì)于攻擊性強(qiáng)的PDC 鉆頭，司鉆通常施加相對(duì)較小的鉆壓便可以獲得理想的鉆速，從而攻擊性強(qiáng)的鉆頭需要的鉆壓和破巖扭矩較小。因此，攻擊性強(qiáng)的鉆頭不易發(fā)生粘滑振動(dòng)，原因如下：

（1）在給定機(jī)械鉆速的情況下，鉆頭反扭矩小，有助于抑制粘滑振動(dòng)；

（2）在給定機(jī)械鉆速的情況下，需要的鉆壓小，而小鉆壓不易導(dǎo)致BHA 橫向變形或屈曲，從而減輕了BHA 與井壁的接觸，當(dāng)因此產(chǎn)生的摩擦扭矩偏小時(shí)，便不易引起粘滑振動(dòng)。

2.2 PDC鉆頭鉆進(jìn)效率計(jì)算

PDC鉆頭鉆進(jìn)效率DE定義為：

式中：Es——機(jī)械比能，MPa；

A——井眼橫截面積，m2；

σ?guī)r石——巖石抗壓強(qiáng)度，MPa；

RPM——轉(zhuǎn)速，r/min；

ROP——機(jī)械鉆速，m/h；

WOB——鉆壓，kN；

TOB——鉆頭扭矩，kN·m[6-8]。

式（2）中，因右側(cè)第一項(xiàng)與第二項(xiàng)相比非常小，可以忽略不計(jì)，若RPM和ROP已知，則Es的大小主要由TOB決定。因此，DE與TOB近似成反比關(guān)系，表明PDC 鉆頭的攻擊性越強(qiáng)，其鉆進(jìn)扭矩越小，鉆進(jìn)效率DE越高。

利用式（1）和式（2），經(jīng)計(jì)算可得鉆頭B 的鉆進(jìn)效率DE平均值為64%，而鉆頭A的DE平均值為38%，說(shuō)明鉆頭B比鉆頭A的攻擊性強(qiáng)，因此可以用DE平均值間接表示PDC鉆頭的攻擊性。此外，從智能鉆頭的轉(zhuǎn)速測(cè)量結(jié)果看，由于鉆頭A發(fā)生了切削引起的粘滑，而鉆頭B沒(méi)有發(fā)生粘滑，表明可以使用DE平均值來(lái)確定鉆頭切削結(jié)構(gòu)的攻擊性是否足以抑制PDC 鉆頭粘滑振動(dòng)的發(fā)生。

2.3 PDC鉆頭粘滑控制

為確定DE平均值與粘滑振動(dòng)之間的關(guān)系，對(duì)智能鉆頭測(cè)得的44 次井下數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，有30次未發(fā)生粘滑，而其他14次則發(fā)生了PDC鉆頭粘滑振動(dòng)。

如圖3所示，給出了計(jì)算得到的鉆進(jìn)效率DE平均值與PDC 鉆頭粘滑振動(dòng)之間的關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)DE值大于45%時(shí)，PDC 鉆頭沒(méi)有發(fā)生因切削引起的粘滑振動(dòng)，也就是說(shuō)，如果設(shè)計(jì)的PDC鉆頭DE值大于45%，那么鉆井過(guò)程中將不會(huì)發(fā)生粘滑問(wèn)題。因此，為了抑制切削引起的粘滑振動(dòng)，建議PDC 鉆頭的DE值應(yīng)至少為45%。

圖3 PDC鉆頭DE值與粘滑振動(dòng)的關(guān)系

2.4 PDC鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如前所述，PDC 鉆頭的鉆進(jìn)效率DE值越大，攻擊性越強(qiáng)，并且DE值越大，有助于抑制粘滑振動(dòng)。提高PDC 鉆頭攻擊性的做法通常包括：減少刀翼及切削齒數(shù)量、增大切削齒尺寸和減小切削齒后傾角及倒角尺寸，同時(shí)還應(yīng)考慮主切削齒和備用切削齒的布置對(duì)鉆頭鉆進(jìn)效率DE的影響，以及切削深度控制器（DOCC）對(duì)粘滑振動(dòng)的影響。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的未發(fā)生粘滑振動(dòng)的30 井次施工中，有27次PDC鉆頭鉆進(jìn)效率DE值大于臨界DE值，而其中17 次鉆頭未安裝DOCC。這表明，如果DE值足夠大，那么PDC鉆頭可以不需要使用DOCC來(lái)抑制粘滑振動(dòng)；相反，在發(fā)生粘滑振動(dòng)且鉆頭鉆進(jìn)效率DE值小于臨界值的26 次施工中，有12 次鉆頭安裝了DOCC，表明如果PDC 鉆頭鉆進(jìn)效率DE值小于臨界值，則僅靠DOCC無(wú)法有效抑制粘滑振動(dòng)。

綜上分析，PDC鉆頭的切削結(jié)構(gòu)（主切削齒和備用切削齒）設(shè)計(jì)應(yīng)在有限的切削深度內(nèi)盡可能增強(qiáng)攻擊性，并且當(dāng)超過(guò)該切削深度后，可以考慮增加DOCC設(shè)計(jì)，以便更有效抑制鉆頭粘滑振動(dòng)。

3 結(jié)論建議

（1）智能鉆頭通過(guò)在接頭部位安裝加速度計(jì)、磁力計(jì)等傳感器，能夠測(cè)量鉆頭處的鉆壓、扭矩、彎矩、振動(dòng)和轉(zhuǎn)速等井下工程信息，從而為鉆柱粘滑振動(dòng)分析提供了幫助。

（2）在相同機(jī)械鉆速情況下，與攻擊性較弱鉆頭相比，攻擊性強(qiáng)的鉆頭由于施加鉆壓小，減輕了BHA 與井壁的摩擦接觸，加之自身反扭矩較小，不易發(fā)生粘滑振動(dòng)。

（3）PDC 鉆頭攻擊性可使用鉆進(jìn)效率DE進(jìn)行表征，DE值越大表明鉆頭攻擊性越強(qiáng)，為有效抑制鉆頭粘滑振動(dòng)，PDC 鉆頭切削結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)為DE值大于臨界值。

（4）鉆柱粘滑振動(dòng)是由鉆頭切削和鉆柱摩擦共同產(chǎn)生的，建議針對(duì)不同的地層特性和井眼條件，深入開(kāi)展鉆頭切削特性、鉆具結(jié)構(gòu)及鉆井參數(shù)等因素的綜合優(yōu)化研究，進(jìn)一步提升井下粘滑振動(dòng)的控制效果，從而實(shí)現(xiàn)提高鉆井效率、并縮短鉆井周期的目的。