井底光鉆鋌鉆具組合旋轉(zhuǎn)及鉆壓波動(dòng)規(guī)律模擬研究

劉永旺，管志川，史玉才，邵冬冬，魏 凱

井底光鉆鋌鉆具組合旋轉(zhuǎn)及鉆壓波動(dòng)規(guī)律模擬研究

劉永旺，管志川，史玉才，邵冬冬，魏 凱

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266555）①

利用根據(jù)相似理論設(shè)計(jì)出的底部鉆柱動(dòng)力學(xué)研究試驗(yàn)裝置，進(jìn)行了井底光鉆鋌鉆具在不同鉆壓、轉(zhuǎn)速條件下旋轉(zhuǎn)及鉆壓波動(dòng)規(guī)律的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：光鉆鋌鉆具組合在井底的旋轉(zhuǎn)大部分為正向渦動(dòng)及諧波振動(dòng)，要想使其產(chǎn)生反向渦動(dòng)必須合理選擇鉆進(jìn)參數(shù)；使用光鉆鋌鉆具組合時(shí)井底鉆壓振動(dòng)幅度較大；單從減輕鉆柱振動(dòng)危害方面講，不建議采用光鉆鋌鉆具組合，但從利用井下鉆柱縱向振動(dòng)能量提高深井機(jī)械鉆速的角度看，該鉆具值得推薦；光鉆鋌鉆具組合的防斜機(jī)理有待于進(jìn)一步研究。

光鉆鋌；旋轉(zhuǎn)；鉆壓波動(dòng)；運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

淺部地層油氣資源開發(fā)已經(jīng)進(jìn)入中后期，開發(fā)深井、超深井油氣層成為石油工程領(lǐng)域提高油氣產(chǎn)量的重要方向。然而在深井、超深井鉆進(jìn)過程中，既保證鉆井作業(yè)安全又能夠有效地控制井斜成為困擾鉆探及開發(fā)領(lǐng)域工作者的難題。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明：利用光鉆鋌鉆具組合進(jìn)行防斜糾斜是解決上述難題的有效途徑之一，但學(xué)者對(duì)其防斜參數(shù)選擇的認(rèn)識(shí)卻存在著分歧。傳統(tǒng)的靜力學(xué)防斜理論認(rèn)為，光鉆鋌鉆具組合在防斜與糾斜過程中施加的鉆壓不能太大，需要減小鉆壓甚至“吊打”，才能起到防斜打直的作用，否則便會(huì)引起更大井斜［1］。基于動(dòng)力學(xué)防斜打快理論的光鉆鋌大鉆壓防斜打快技術(shù)正好與此相反，是建立在底部鉆具組合處于渦動(dòng)狀態(tài)的基本假設(shè)之上的，認(rèn)為施加足夠大的鉆壓使底部鉆具組合發(fā)生螺旋屈曲后而處于渦動(dòng)狀態(tài)，從而才能起到動(dòng)力學(xué)防斜打快效果［2－5］。為了合理選擇光鉆鋌組合的鉆進(jìn)參數(shù)，應(yīng)用根據(jù)相似理論設(shè)計(jì)出的鉆柱動(dòng)力學(xué)模擬試驗(yàn)裝置，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)不同參數(shù)下其旋轉(zhuǎn)及沖擊振動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)裝置

模擬試驗(yàn)過程中，鉆具組合及井筒尺寸與實(shí)際鉆具組合及井筒尺寸按1︰10（模型︰原型）比例對(duì)應(yīng)［6－7］。實(shí)際使用鉆柱的材料為鋼，密度ρ＝7.85 g／cm3，彈性模量E＝210GPa；模擬鉆柱的材料為ABS塑料，密度ρm＝1.10g／cm3，彈性模量Em＝2.30GPa。模擬試驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)架總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)相似理論［8－10］可以得出，試驗(yàn)參數(shù)與鉆進(jìn)參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：室內(nèi)鉆壓9.8N相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)鉆壓89.5 kN，室內(nèi)轉(zhuǎn)速60r／min相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)速23.1r／min。

試驗(yàn)鉆具組合的原型描述為：311mm鉆頭＋228.6mm鉆鋌×6根＋203.2mm鉆鋌×6根＋127mm鉆桿。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 光鉆鋌鉆具組合的旋轉(zhuǎn)規(guī)律

名義鉆壓為進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)、轉(zhuǎn)速為23.1r／min的井底實(shí)測(cè)鉆壓平均值。

利用快速傅立葉變換（FFT）算法，將試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的“時(shí)域”信號(hào)轉(zhuǎn)換成“頻域”信號(hào)，提取出底部鉆具組合的公轉(zhuǎn)頻率進(jìn)行分析，以便對(duì)鉆具組合的旋轉(zhuǎn)規(guī)律進(jìn)行分析。

1） 轉(zhuǎn)速一定時(shí)，公轉(zhuǎn)頻率隨名義鉆壓的變化規(guī)律。

公轉(zhuǎn)頻率隨名義鉆壓變化關(guān)系如圖2所示，圖中無因次頻率為公轉(zhuǎn)頻率與自傳頻率的比值。

圖2 公轉(zhuǎn)頻率隨名義鉆壓變化關(guān)系

由圖2a可以看出：當(dāng)轉(zhuǎn)速較低（46.2r／min）、鉆壓為44.75～134.25kN時(shí)，公轉(zhuǎn)頻率（角頻率）穩(wěn)定在自轉(zhuǎn)頻率的1倍（轉(zhuǎn)速46.2r／min）附近；鉆壓提高到179kN后，公轉(zhuǎn)頻率提高到2倍自轉(zhuǎn)頻率處（轉(zhuǎn)速92.4r／min）附近。根據(jù)文獻(xiàn)［11］可知：鉆壓為44.75～134.25kN時(shí)，鉆柱處于正向渦動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)名義鉆壓提高到179kN后，鉆柱發(fā)生諧波振動(dòng)，該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因還有待于進(jìn)一步研究。

由圖2b可以看出：轉(zhuǎn)速為115.5r／min時(shí)公轉(zhuǎn)頻率隨名義鉆壓變化不大，基本上穩(wěn)定于自轉(zhuǎn)頻率的1.5倍區(qū)域，即公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速在173.25r／min附近。鉆柱此時(shí)為諧波振動(dòng)，該種狀態(tài)的產(chǎn)生原因還有待于進(jìn)一步研究。

2） 名義鉆壓一定時(shí)，公轉(zhuǎn)頻率隨自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。

不同名義鉆壓時(shí)公轉(zhuǎn)頻率隨自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系如圖3所示。

圖3 光鉆鋌鉆具公轉(zhuǎn)頻率與自傳轉(zhuǎn)速關(guān)系

由圖3a可以看出：名義鉆壓為89.5kN時(shí)，公轉(zhuǎn)頻率剛開始隨著自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的增加平穩(wěn)變大，自傳轉(zhuǎn)速＜69.3r／min時(shí)，公轉(zhuǎn)頻率與自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速相當(dāng)，鉆柱處于正向渦動(dòng)狀態(tài)；隨著轉(zhuǎn)速的增加，公轉(zhuǎn)頻率變?yōu)樽赞D(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的2.7倍，鉆柱處于反向渦動(dòng)狀態(tài)；之后公轉(zhuǎn)頻率又開始平穩(wěn)地降低，倍數(shù)關(guān)系變?yōu)?倍關(guān)系，鉆柱恢復(fù)正向渦動(dòng)。

由圖3b可以看出：名義鉆壓為223.75kN、自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速＜69.3r／min時(shí)，公轉(zhuǎn)頻率與自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的倍數(shù)關(guān)系為1.5，鉆柱此時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為諧波振動(dòng)；當(dāng)轉(zhuǎn)速為92.4r／min時(shí)，倍數(shù)關(guān)系變?yōu)?.8，此時(shí)鉆柱處于反向渦動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)轉(zhuǎn)速提高到115.5r／min時(shí)，倍數(shù)又變?yōu)?.5，鉆柱又恢復(fù)到諧波振動(dòng)狀態(tài)。

2.2 光鉆鋌鉆具組合鉆壓波動(dòng)規(guī)律

1） 轉(zhuǎn)速一定時(shí)，實(shí)際鉆壓隨名義鉆壓的波動(dòng)規(guī)律。

轉(zhuǎn)速分別為46.2、115.5r／min時(shí)的鉆壓關(guān)系曲線如圖4。

圖4 實(shí)際與名義鉆壓鉆壓的關(guān)系

由圖4a可以看出：轉(zhuǎn)速為46.2r／min時(shí)平均鉆壓（實(shí)際鉆壓）隨著名義鉆壓增加而逐漸加大，井底的最大鉆壓、最小鉆壓都在平穩(wěn)的上升；鉆壓的波動(dòng)幅度在89.5～134.25kN之間，波動(dòng)幅度并太不大；實(shí)測(cè)鉆壓與平均鉆壓的比值以及實(shí)測(cè)鉆壓與名義鉆壓的比值最大值都逐漸減小，最小值都逐漸增大，其趨勢(shì)線趨近于1，說明低轉(zhuǎn)速下（46.2r／min）隨著名義鉆壓的增大，實(shí)際最大鉆壓和最小鉆壓的波動(dòng)幅度逐漸變小。由以上分析得出的結(jié)論是：光鉆鋌鉆具在小轉(zhuǎn)速下，鉆壓越高越穩(wěn)定，即低轉(zhuǎn)速下提高鉆壓能夠有效抑制振動(dòng)的產(chǎn)生。

由圖4b可以看出：轉(zhuǎn)速為115.5r／min時(shí)隨著名義鉆壓的增加，平均鉆壓（實(shí)際鉆壓）隨著名義鉆壓的增加而逐漸加大，最大鉆壓逐漸上升，最小鉆壓始終是0，這是因?yàn)楦咿D(zhuǎn)速下，鉆柱伸縮幅度較大，鉆頭跳離井底，鉆柱波動(dòng)幅度略有增加；隨著名義鉆壓的增加，實(shí)測(cè)鉆壓與平均鉆壓的比值最大值由23逐漸減小到2，逐漸趨近于1；實(shí)測(cè)鉆壓與平均鉆壓的比值最小值始終為零。由以上分析得出的結(jié)論是：光鉆鋌鉆具在高轉(zhuǎn)速下也是鉆壓越高越穩(wěn)定，高轉(zhuǎn)速下提高鉆壓也有利于抑制振動(dòng)；但隨著名義鉆壓的增加，高轉(zhuǎn)速下鉆柱的振動(dòng)減輕得較明顯。

2） 名義鉆壓一定時(shí)，實(shí)際鉆壓隨轉(zhuǎn)速的波動(dòng)規(guī)律，如圖5。

圖5 名義鉆壓一定時(shí)實(shí)際鉆壓波動(dòng)幅度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

由圖5a可以看出：鉆壓為89.5kN時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速逐漸增加，平均鉆壓（實(shí)際鉆壓）略微減小，最大鉆壓逐漸變大，最小鉆壓逐漸變小；當(dāng)轉(zhuǎn)速提高到115.5r／min后，由于名義鉆壓較低，高轉(zhuǎn)速下鉆柱開始劇烈地貼井壁橫向渦動(dòng)，鉆頭完全跳離井底，實(shí)際鉆壓降為0；隨著轉(zhuǎn)速的增加，實(shí)測(cè)鉆壓與平均鉆壓比值的最大值由1.3逐漸變大到6.4，最小值由0.5逐漸變小到0，其趨勢(shì)都是背離1；實(shí)測(cè)鉆壓與名義鉆壓比值的最大值由1.3變到2.4，逐漸變大后突然降至0，最小值由0.6逐漸降到0，總趨勢(shì)背離1。分析所得結(jié)論是：光鉆鋌鉆具在低鉆壓下轉(zhuǎn)速越高越不穩(wěn)定，也就是說該種鉆具在低鉆壓下降低轉(zhuǎn)速有利于減輕鉆柱的縱向振動(dòng)。

由圖5b可以看出：名義鉆壓為223.75kN時(shí)隨著轉(zhuǎn)速的增加，平均鉆壓（實(shí)際鉆壓）逐漸變小，最大鉆壓逐漸變大，最小鉆壓逐漸變小；當(dāng)轉(zhuǎn)速提高到115.5r／min后，由于橫向渦動(dòng)加劇，鉆頭開始跳離井底，實(shí)際鉆壓降為0，鉆壓波動(dòng)幅度較大，但比低鉆壓下略有減小；隨著轉(zhuǎn)速的增加實(shí)測(cè)鉆壓與平均鉆壓比值的最大值由1.2逐漸變大到17.5，最小值由0.8逐漸變小至0；隨著轉(zhuǎn)速的增加，實(shí)測(cè)鉆壓與名義鉆壓比值的最大值由1.2逐漸變大至1.6后突降至1.0，最小值由0.8逐漸減小到0，總趨勢(shì)背離1。分析所得結(jié)論是：光鉆鋌鉆具在高鉆壓下轉(zhuǎn)速越高越不穩(wěn)定，也就是說該鉆具在高鉆壓下選用較低的轉(zhuǎn)速有利于減輕鉆柱的縱向振動(dòng)；但隨著轉(zhuǎn)速的增加，高鉆壓下鉆柱振動(dòng)加劇較明顯。鉆柱的振動(dòng)會(huì)破壞鉆具［12－14］，應(yīng)該抑制或者轉(zhuǎn)化其能量以減小此類危害的產(chǎn)生［15］。

3 結(jié)論

1） 光鉆鋌鉆具組合在井底的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)比較復(fù)雜，存在正向渦動(dòng)、反向渦動(dòng)、諧波振動(dòng)幾個(gè)狀態(tài)，在可選的鉆進(jìn)參數(shù)范圍內(nèi)，鉆具組合處于正向渦動(dòng)和諧波振動(dòng)狀態(tài)，要想使其反向渦動(dòng)，必須對(duì)轉(zhuǎn)速及鉆壓進(jìn)行合理選擇及精確的控制。

2） 光鉆鋌鉆具組合井底鉆壓波動(dòng)規(guī)律與鐘擺類鉆具存在著差異，表現(xiàn)在其振動(dòng)幅度比鐘擺類鉆具略大；定鉆壓情況下隨著轉(zhuǎn)速的提高，鉆壓波動(dòng)劇烈，鉆頭出現(xiàn)跳離井底、實(shí)際鉆壓有變?yōu)?的情況。由此可看出：?jiǎn)螐臏p輕鉆柱振動(dòng)危害方面，不推薦使用光鉆鋌鉆具組合；但從利用井下鉆柱縱向振動(dòng)能量提高深井機(jī)械鉆速的角度，該鉆具值得推薦。

3） 光鉆鋌鉆具組合在井底的旋轉(zhuǎn)及鉆壓波動(dòng)規(guī)律對(duì)其防斜鉆進(jìn)效果存在著影響，具體影響方式有待于進(jìn)一步研究。

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Experiment on Rotation and Longitudinal Vibration Regularity of Slick Bottom Hole Assembly in Bottom Hole

LIU Yong-wang，GUAN Zhi-chuan，SHI Yu-cai，SHAO Dong-dong，WEI Kai
（College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum（East China），Qingdao 266555，China）

According to the experimental device designed on the basis of the principle of similitude，to investigate the motion behaviors of bottom drill string，some experiments have been done to understand the rotation and axial vibration characteristics of slick BHA in down-hole.The paper has analyzed the characteristics of slick BHA in different assembled parameter and found the different dynamic rule of BHA in different assembled parameter.The result shows that the main work status of slick BHA is positive and harmonic whirl vibration，In order to produce a reverse eddy，drilling parameters must be selected；Using the combination of slick BHA drilling pressure vibration amplitude is relatively large；from the perspective of Reduce harm the slick BHA is not recommended，However，form the view of improve deep penetration rate by using longitudinal vibration downhole drill energy the drill is recommended；mechanisms prevent the inclination by slick BHA need to be further studied.

slick BHA；rotary；vibration regularity；motion

TE921.2

A

1001-3482（2012）05-0052-05

2011-11-22

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目（2010CB226706）；國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題（2011ZX05021-001）；國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題（2011ZX05005-006）

劉永旺（1983-），男，內(nèi)蒙古寧城人，博士研究生，主要從事井下系統(tǒng)信息與控制工程研究。