伊拉克B9區(qū)塊大井眼鉆柱粘滑振動分析及控制技術(shù)

胡清富，司小東，李增樂，林 輝

（1.中國石油天然氣集團有限公司大慶鉆探工程公司國際事業(yè)部，黑龍江 大慶 163411；2.中國石油天然氣集團有限公司大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163413）

1 概述

伊拉克B9區(qū)塊位于伊拉克南部，構(gòu)造上位于中東波斯灣盆地扎格羅斯山前褶皺和阿拉伯地臺的過渡帶，為軸向近似南北向的長軸背斜，主要目的層：MISHRIF和YAMAMA，區(qū)塊平均井深4550m，地層壓力層系多，不穩(wěn)定頁巖發(fā)育，鉆井過程中井下事故頻發(fā)，前期施工的4口井累計發(fā)生鉆具失效事故8起，多為井下粘滑振動導致鉆具疲勞并斷裂。關(guān)于鉆具的粘滑振動，國內(nèi)外學者進行了廣泛研究，Kyllingstand(1988)認為粘滑振動是由于鉆具與井壁和鉆頭與井底接觸面上靜摩擦到動摩擦交替變化而導致摩擦阻力的不同而產(chǎn)生[1-4]。Brett（1992）認為隨著轉(zhuǎn)速的增加鉆頭扭矩降低是產(chǎn)生粘滑振動的根本原因，F(xiàn)ear（1997）分析了300多只鉆頭的使用情況，驗證了這一理論，Pelfrene(2011)稱這種現(xiàn)象為負阻尼效應(yīng)。Richard(2000)、Germay(2009)和Detournay（2008）反對第二種觀點，認為扭矩的降低不是產(chǎn)生粘滑效應(yīng)的原因，而是粘滑震動的結(jié)果，認為快速的軸向震動和緩慢的周向扭轉(zhuǎn)震動是PDC鉆頭粘滑震動的根本原因[5-7]。Jain(2011)提出了新的觀點，認為粘滑振動根據(jù)其成因分為鉆頭因素導致的粘滑振動和鉆具因素導致的粘滑振動兩種[8-10]。本文主要對該區(qū)塊井下粘滑振動發(fā)生的原因進行分析，進而提出了粘滑振動的發(fā)現(xiàn)和控制手段，達到現(xiàn)場施工中快速發(fā)現(xiàn)、快速消除的目的。

2 鉆柱粘滑振動分析和識別

2.1 B9區(qū)塊鉆具事故情況

對B9 區(qū)塊FH-08 等4 口井的鉆具事故進行了統(tǒng)計，如表1所示。

表1 B9區(qū)塊鉆具事故統(tǒng)計表

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，共有3 次公扣斷裂、2 次母扣斷裂、1 次震擊器殼體斷裂、1次接箍刺漏，斷裂事故發(fā)生概率占總事故量的85.7%。斷裂事故發(fā)生位置分別為穩(wěn)定器、定向接頭、浮閥、轉(zhuǎn)換接頭、震擊器、加重鉆桿等，斷裂位置并不固定，斷裂工具均為不同廠家生產(chǎn)且除鉆桿外均為全新工具，由此判斷事故發(fā)生的主要原因是鉆具井下工作環(huán)境導致，而并非工具本身原因。

2.2 粘滑振動產(chǎn)生原因

井下粘滑振動分為兩類：鉆頭粘滑和鉆具粘滑。

鉆頭粘滑產(chǎn)生的因素主要是鉆頭切削齒在吃入地層進行破巖時巖石對鉆頭的反作用力以及鉆頭與接觸面的摩擦力共同作用的結(jié)果，即鉆頭粘滑受鉆頭的切削結(jié)構(gòu)、鉆井參數(shù)以及巖石性質(zhì)的影響。尤其是在韌性、塑性較強的泥灰?guī)r地層時，鉆頭的攻擊性強弱對鉆頭粘滑有非常大的影響。

鉆具粘滑產(chǎn)生的影響因素主要是鉆具與井壁的接觸面產(chǎn)生的摩擦力以及受井眼軌跡和鉆具自身旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)震動，受井眼軌跡、鉆具自身剛度、鉆井參數(shù)以及泥漿性能的影響。當鉆柱在頂驅(qū)的作用下旋轉(zhuǎn)時需要克服鉆柱與井壁接觸產(chǎn)生的摩擦力才能正常旋轉(zhuǎn)，當靜摩擦系數(shù)較大時，頂驅(qū)需要旋轉(zhuǎn)數(shù)周才能夠積蓄足夠的扭矩使井下鉆具旋轉(zhuǎn)，而鉆柱由靜止到旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時，靜摩擦轉(zhuǎn)換為動摩擦，摩擦力大大降低，井下鉆具在積蓄的扭力作用下快速旋轉(zhuǎn)，此時的鉆具轉(zhuǎn)速有可能達到地面轉(zhuǎn)速的2~5 倍以上，在慣性的作用下鉆具轉(zhuǎn)過與頂驅(qū)相同的轉(zhuǎn)數(shù)后會繼續(xù)向前旋轉(zhuǎn)直至動力不足，甚至出現(xiàn)反扭矩，當頂驅(qū)扭矩不足以驅(qū)動鉆具旋轉(zhuǎn)時，鉆具又進入靜止狀態(tài)（粘滯狀態(tài)），直至頂驅(qū)傳遞的扭矩繼續(xù)積蓄到足以克服靜摩擦力時，鉆具又開始高速旋轉(zhuǎn)（滑移狀態(tài)），進入下一個粘滑周期。若頂驅(qū)轉(zhuǎn)速高于某個臨界值時，即井下瞬時轉(zhuǎn)速不會超過地面轉(zhuǎn)速，則鉆具不會重復進入靜止狀態(tài)，粘滑振動則會消除?？梢娋裸@具受的靜摩擦力、動摩擦力、地面轉(zhuǎn)速和鉆具本身的臨界轉(zhuǎn)速是影響粘滑振動的關(guān)鍵。

2.3 粘滑振動識別

為了定量的評價井下粘滑振動的情況，借助Ertas和Bailey提出的扭轉(zhuǎn)嚴重系數(shù)TSE[7]，并將其簡化為：

式中：TSE——扭轉(zhuǎn)嚴重度，無量綱；

ΔTQi——實際扭矩變化量，klbs·ft；

ΔTQS——發(fā)生完全粘滑振動時鉆具的扭矩與臨界轉(zhuǎn)速的比值，klbs·ft/(r/min)，與鉆具的結(jié)構(gòu)和井深有關(guān)；

rpm——實時轉(zhuǎn)速。

當TSE=0時，無粘滑振動，當TSE=1時發(fā)生完全粘滑振動，當TSE<1 時，部分粘滑振動（井底鉆具無靜止狀態(tài)）。

該方法在FH-10 井進行了應(yīng)用，該井鉆進至3010m 時，地面轉(zhuǎn)速恒定在120r/min，地面扭矩出現(xiàn)了明顯的周期性波動，通過扭轉(zhuǎn)嚴重度分析發(fā)現(xiàn)，其TSE>1，即井下發(fā)生了完全粘滑振動，見圖1。

圖1 FH-10井井深3010m時地面扭矩、轉(zhuǎn)數(shù)隨時間的變化曲線

對其它5套鉆具組合的分析也表明，施工中均存在粘滑振動現(xiàn)象TSE位于0.5~2之間，為典型的粘滑振動特征。

3 鉆柱粘滑振動控制關(guān)鍵技術(shù)

3.1 減小鉆具與井壁的摩擦力

鉆具和井壁的摩擦力尤其是靜摩擦力是產(chǎn)生鉆具粘滑的重要原因，而降低摩擦力的關(guān)鍵：一是減小摩擦系數(shù)，即提高泥漿的潤滑性，使用降摩減扭工具；二是減少側(cè)向力，即保持平滑的井眼軌跡，如果是直井則盡量保持井眼垂直。

3.2 優(yōu)化鉆井參數(shù)

（1）使用螺桿提高鉆頭轉(zhuǎn)速。隨著轉(zhuǎn)速的增加，粘滑振動會減小，由于地面轉(zhuǎn)速通常會受到頂驅(qū)或轉(zhuǎn)盤設(shè)備功率或設(shè)計參數(shù)的限制，不能任意提高，但是可以借助螺桿等井下動力工具提高鉆頭的轉(zhuǎn)速。常規(guī)鉆具情況下地面頂驅(qū)轉(zhuǎn)速通常設(shè)定為120r/min，如果采用螺桿復合鉆具的情況下，鉆頭轉(zhuǎn)速能夠達到240r/min，同等情況下TSE可以降低50%。

（2）使用頂驅(qū)軟扭矩降低臨界轉(zhuǎn)速。軟扭矩系統(tǒng)相當于在頂驅(qū)和鉆柱之間增加了一個阻尼原件，通過對鉆柱內(nèi)彈性勢能的補償調(diào)節(jié)而改變了鉆柱本身的性質(zhì)，即降低了鉆柱產(chǎn)生粘滑振動的臨界轉(zhuǎn)速，從而在相同的轉(zhuǎn)速和鉆具條件下，可以有效降低井下的粘滑振動。

（3）控制鉆壓降低無效鉆頭摩阻。B9 區(qū)塊由于地層巖性多變，且存在燧石夾層，為了保護PDC 鉆頭，現(xiàn)場采用的鉆頭為帶有限位齒的中等攻擊性鉆頭，當鉆遇泥質(zhì)灰?guī)r等硬塑性地層時，由于鉆頭齒無法有效地吃入地層，此時鉆頭與地層的摩擦力變?yōu)殂@頭與地層的主要作用力，鉆速變慢。此時，施工中最易采取的措施是加大鉆壓，期望以此提高鉆速，但是鉆速往往并沒有明顯的變化，過高的鉆壓只是加大了鉆頭與井底接觸面的摩擦力，從而加重了粘滑振動現(xiàn)象，導致井下工具的疲勞損壞和鉆頭齒的崩壞。因此，當部分地層出現(xiàn)鉆速變慢，扭矩波動現(xiàn)象時，最有效的方法是保持鉆壓10~15t 不變，然后根據(jù)頂驅(qū)和井下工具的設(shè)計參數(shù)盡可能提高鉆頭轉(zhuǎn)速，從而抑制或減輕鉆頭的粘滑振動。

3.3 增加井下鉆柱的穩(wěn)定性

在B9 區(qū)塊施工過程中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)常出現(xiàn)鉆具的共振，且有時粘滑振動和鉆具的共振同時存在。為了避免鉆具的共振，將8寸鉆鋌的用量由7根增加為11根，增加了鉆具的剛性，改變了鉆具本身的共振轉(zhuǎn)速，在后期的施工過程中也沒有發(fā)現(xiàn)共振現(xiàn)象。需要注意的是，同一套鉆具在不同深度時其發(fā)生的共振轉(zhuǎn)速也不同，因此實際鉆進過程中并不能始終采用同一轉(zhuǎn)速施工。

3.4 保持鉆頭與地層的作用力相對平穩(wěn)

Block9 油田由于地層存在燧石夾層，為了避免鉆頭崩齒破壞，PDC鉆頭設(shè)計的攻擊性偏弱，這種設(shè)計雖然在燧石層位置保護了鉆頭，但是在硬塑性地層，由于鉆頭難以有效吃入地層，或者由于塑性強而存在滑脫現(xiàn)象，若增大鉆壓，限位齒又增加了鉆頭與井底接觸面的摩擦力進而加劇了粘滑振動現(xiàn)象。為了解決這一矛盾，與NOV公司共同改進了鉆頭的切削齒設(shè)計，由常規(guī)的圓形齒，升級為異形齒（3D齒、4D齒），如圖2所示。

圖2 2D、3D、4D齒示意圖

通過改變鉆頭齒的切削結(jié)構(gòu)，鉆頭破巖的機械比能MSE降低了20%~30%，通過優(yōu)化鉆頭齒的布局和傾角，使鉆頭齒在同樣的鉆壓下能夠有效地吃入地層，并對局部巖石產(chǎn)生更高的剪切應(yīng)力，從而實現(xiàn)有效破巖，既避免了粘滑振動的產(chǎn)生，又提高了鉆速。

4 現(xiàn)場應(yīng)用情況

4.1 頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)應(yīng)用效果

同樣鉆具組合條件下，啟動軟扭矩系統(tǒng)后，可以發(fā)現(xiàn)：粘滑振動現(xiàn)象明顯降低，地面轉(zhuǎn)速在軟扭矩系統(tǒng)控制下在95~125r/min之間波動，扭轉(zhuǎn)嚴重度TSE<0.3，局部0.5，僅存在輕微的部分粘滑現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 FH-10井井深3090m安裝軟扭矩后地面扭矩、轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線

4.2 螺桿復合鉆具應(yīng)用效果

受倒劃眼現(xiàn)象的限制，目前該區(qū)螺桿使用并不廣泛，但是在FH-10 井側(cè)鉆井段使用螺桿后地面檢測的扭矩波動現(xiàn)象明顯緩解，通過扭轉(zhuǎn)嚴重度的分析，TSE<0.3，粘滑現(xiàn)象基本消除，見圖4。證明借助螺桿提高鉆頭轉(zhuǎn)速的方法有利于降低井下粘滑振動，待解決倒劃眼問題后可推廣使用。

圖4 FH-10井深2391m處使用螺桿的地面扭矩、鉆頭轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線

4.3 控制鉆壓對粘滑振動的影響

FH-10井鉆進至3018m時，地面監(jiān)測到明顯的粘滑現(xiàn)象，但是當鉆壓由20klb降低到15klb后，粘滑現(xiàn)象消失，見圖5。雖然鉆壓降低后，鉆速依然沒有明顯改觀，但是粘滑振動小時，大大降低了井下事故發(fā)生的幾率。

圖5 FH-10 井深3018m處粘滑現(xiàn)象嚴重，鉆壓降低到15klbs后逐漸消失

4.4 鉆頭攻擊性優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用效果

普通齒和4D齒鉆頭在Hartha 層的應(yīng)用表明，在相同地層條件下，圓形齒的破巖效率為43%，4D齒的破巖效率為58%，4D齒鉆頭鉆速由3.3m/h提高到6.6m/h，提高了100%，見圖6。

圖6 同層位普通齒與4D齒鉆頭鉆速對比

4.5 綜合應(yīng)用效果

通過增加頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)、改進鉆具組合設(shè)計、改進鉆頭設(shè)計，并在施工中實時跟蹤地面參數(shù)的變化，當發(fā)現(xiàn)扭矩波動大時及時調(diào)整鉆壓和轉(zhuǎn)速，有效地避免了井下粘滑振動導致的鉆具失效事故。FH-12與FH-13 444.5mm井眼和311.2mm井眼段平均機械鉆速與前四口井相比分別提高了82.6%和62.2%；鉆具事故損失時間降為0；兩口井的平均鉆井周期由前期的122.4d縮短為69.0d，縮短了43.6%。通過避免鉆具的粘滑振動，有效避免了鉆具失效問題，大幅縮短了非生產(chǎn)時間。

5 結(jié)論

（1）B9 區(qū)塊前期鉆具失效事故發(fā)生的主要原因是由于井下鉆具粘滑振動引起的鉆具疲勞破壞，通過控制井下鉆具的粘滑振動，可以有效避免鉆具失效事故。

（2）借助常規(guī)錄井的地面扭矩波動情況，能夠判斷出井下粘滑振動，周期性的扭矩波動可以作為井下粘滑振動的定性判斷特征，扭轉(zhuǎn)嚴重度可以定量描述粘滑振動的嚴重程度。

（3）通過使用頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)、螺桿復合鉆具、控制鉆壓和鉆頭的攻擊性優(yōu)化設(shè)計，可以有效降低粘滑振動產(chǎn)生。