水力振蕩器提速原理分析與現場試驗

明瑞卿

長江大學 （湖北 武漢 430100）

隨著油田開發的逐漸深入，大斜度井、水平井、多分支水平井等非常具有挑戰性的復雜結構井數量越來越多。如何實現快速鉆進和提高水平段長度成為關注的核心。然而由于井斜較大造成鉆柱和井壁之間摩阻較大，鉆壓傳遞效率降低；水平段長度越長，出現托壓、粘滑、丟失工具面等現象更嚴重，限制了鉆進速度并制約了水平段長度的延伸[1]。為此，各大油田在鉆井施工中采用了水力振蕩器。因此，開展水力振蕩器提速原理分析對于推動水力振蕩器的優化和合理使用具有重要的實際意義

1 水力振蕩器的基本結構及原理

水力振蕩器一般由動力、閥門與軸承系統、振動等3個部分組成[2]。其基本原理為：閥門定閥片和動閥片相對運動，動力部分使上游壓力周期性地作用在彈簧短節上，彈簧短節不斷地壓縮其內在的彈簧而形成振動，通過短節的流體壓力周期性變化，作用在短節內的彈簧上，因為壓力大小周期變化，短節的活塞就在彈簧和壓力的雙重作用下產生軸向往復運動，這樣就會使與工具連接的其他鉆井工具在軸向上也往復運動，由于彈簧的壓縮是損耗能量的，所以當能量釋放時，有75%的作用力向下而指向鉆頭方向，其余25%作用力與鉆頭反方向，振動頻率與通過工具的流量呈線性關系，頻率為9～26Hz，工具的瞬間沖擊加速度為1～3倍的重力加速度[3]。

水力振蕩器安裝到鉆柱中，一方面使得滑動鉆進時的靜摩擦轉變為動摩擦，另一方面它所帶來的振動和鉆柱本身破巖的振動相疊加，必然會改變鉆柱的動力學性能。下面就從這幾個方面來分析該工具的作用機理。

1.1 靜摩擦轉換為動摩擦

目前，鉆井主要有通過轉盤旋轉帶動鉆柱鉆進和井下動力鉆具滑動鉆進2種鉆進方式。在定向鉆井的時候，常常使用井下動力馬達滑動鉆進。此時鉆柱不旋轉，而軸向速度很慢，幾乎可以忽略，因此可認為在滑動鉆進時鉆柱和井壁為靜摩擦。需要克服的摩擦阻力就由轉盤轉動時的滑動摩擦力變為靜摩擦力。最大靜摩擦力大于動摩擦力,故滑動鉆進時的摩阻往往會大于轉盤鉆進的摩阻。目前已經建立的摩擦力模型多達幾十種，最常用的有庫倫（Coulomb）摩擦力模型、庫侖+粘滯模型、Stribeck摩擦模型等。叢爽于1998年提出另外一種與速度呈指數關系的非線性摩擦模型形式，該模型采用簡化的方法，同時抓住非線性摩擦的本質特點，只需要較少的實驗既可以確定模型中的參數，與其他非線性摩擦模型相比更加易于在實際工程中的應用[4]。

Tf(ω)=Tcsgn(ω)+ΔT·e-α|ω|sgn(ω)

其中：Tf為最大靜摩擦力矩；Tc為庫倫力矩；ΔT=Ts-Tc；ω 為相對速度；α 為摩擦系數。

最大靜摩擦力可由實驗獲得，對線性系統模型加上所提摩擦力模型后所得到的系統進行仿真實驗，通過調整值使得其輸出與相同輸入下實際系統的輸出一致，以此來得到精確的摩擦力矩的補償模型和的值[5]。摩擦力矩在低速條件下，是隨著速度的增大從靜摩擦力矩逐漸以指數形式下降到庫倫摩擦力矩值的。

國外做了大量的振動裝置減摩阻實驗，在一定頻率和振幅下，摩擦力變化大，最高降低了94%[6]。對于全井段而言，水力振蕩器影響的鉆柱范圍越大，其減摩阻效果也就越好。可見僅僅是鉆柱動靜摩擦力之間的轉換也會引起整個鉆柱摩阻的較大變化。摩阻的減小導致在鉆壓傳遞過程中損耗的能量減少，整個鉆井系統的效率也就提高了。

1.2 靜剛度和動剛度

在細長的井眼中，鉆柱往往表現出“柔軟”的特性，這也是“軟繩”摩阻模型假設條件和應用基礎。桿件在靜載荷下抵抗變形的能力稱為靜剛度，在動載荷下抵抗變形的能力稱為動剛度，即引起單位振幅所需的動態力。如果干擾力變化很慢（即干擾力的頻率遠小于結構的固有頻率），動剛度與靜剛度基本相同；干擾力變化極快（即干擾力的頻率遠大于結構的固有頻率），結構變形比較小，動剛度將大于靜剛度；當干擾力的頻率與結構的固有頻率相近時，有共振現象，此時動剛度最小，即最易變形，其動變形可達靜載變形的幾倍乃至十幾倍[7]。

因此，當水力振蕩器安裝到鉆柱中，不僅僅給鉆柱帶來了動摩擦，還改變了鉆柱的動力學特性。對于鉆柱的軸向振動固有頻率已有很多學者做過研究，鉆柱軸向振動前幾階固有頻率如表1。

水力振蕩器的輸出頻率為9～26Hz，遠大于鉆柱的一階固有頻率 0.987Hz，且振幅很?。?～10mm），因此會造成鉆柱的動剛度大于靜剛度。換言之，在安裝水力振蕩器附近的鉆柱剛度變大了，變的更“硬”了，而剛度的增加降低了鉆柱出現正弦屈曲、螺旋屈曲的風險，因此傳遞鉆壓效率更高了，更容易控制工具面。

表1 鉆柱軸向振動各階固有頻率

1.3 振動的疊加

在鉆進過程中，鉆頭的破巖、地層的非均質性、鉆柱接觸的不連續等因素都會引起鉆柱的不規則振動[8-10]。其中一些振動會對鉆柱及昂貴的井下設備如旋轉導向系統、井下測試工具、錄井工具等造成損害。如鉆柱在渦動過程中產生的側向振動和粘滑過程中產生的扭轉振動，研究和實驗證明這2種振動對鉆柱和井下設備是非常有害的。

通常情況下，由于鉆柱和井壁之間存在和旋轉方向相反的摩擦力，故最容易出現反向渦動。反向渦動會導致鉆柱中產生特別有害的反向彎曲應力。當反向渦動發生時，穩定器的葉片和其他BHA組件將分擔這些振動傷害。如果是正向渦動，則反向彎曲應力出現的趨勢將大大減少。如果正向渦動是和旋轉同步的，則反向彎曲應力將會消失。然而，在自然條件下，正向渦動是不可能發生的，需要誘導產生。

在安裝水力振蕩器以后，工具附近的鉆柱會受到振蕩工具輸出的頻率和振幅影響，而這一振動是平穩且有規律的。大量的室內實驗和井場應用表明,當安裝水力振蕩器并按推薦參數運行時，可降低粘滑趨勢并抑制鉆柱側向振動。降低這些有害的振動模式出現不僅有利于保護底部鉆具組合，還進一步提高了機械鉆速。

2 現場試驗

蘇XX-20H井為一口超長水平井，該井于2011年7月14日開鉆。一開二開都非常順利，較計劃周期縮短46%。在三開水平段，通過前期方案論證，若采用全101.6mm鉆具，水平段最長僅能2 590m。通過計算，在滑動鉆進中鉆柱將有發生螺旋屈曲的危險，限制進一步鉆進，影響井下安全。故更改鉆具組合，采用101.6mm+88.9mm組合鉆具鉆進，完全滿足設計要求，鉆柱未發生螺旋屈曲。施工單位根據預測結果及建議，采取了有效措施，保證了泥漿的攜砂性及潤滑性，井眼軌跡控制方面力求保證復合穩斜鉆進；同時，于水平段2 413m處下入水力振蕩器，有效降低鉆具摩阻，為長水平段的順利完成起到了有效的理論性指導作用。

第一次入井：井段4 951～4 960m，轉動進尺9m,滑動進尺0m，滑動鉆速0m/h。第二次入井：井段4 960～4 964m，轉動進尺4m，滑動進尺 0m，滑動鉆速0m/h。該工具在前2次使用過程中，均因為儀器無信號起鉆，嚴重影響了施工進度。經定向井公司及工具廠家人員分析原因為：水力振蕩器距離儀器太近，應該安裝在水平段距鉆頭1/2至1/3處，否則水力振蕩器高頻率震動容易對儀器造成機械性損壞，導致儀器無信號。第三次下入水力振蕩器，由于該井段伽馬值突然升高，巖性變致密，因此在滑動鉆進過程中，鉆速提高并不明顯。第四次入水力振蕩器，效果顯著，如表2所示。由于鉆具復合穩斜效果不錯，因此只定向10m，但機械鉆速高達5m/h,較未下入水力振蕩器時滑動鉆速提高了79.21%，達到了減少拖壓，提高鉆速的目的。

表2 水力振蕩器水平段使用效果分析

3 結論與認識

1）水力振蕩器改變了滑動鉆進時的摩擦狀態，從近似靜摩擦變為動摩擦，影響了附近鉆柱的摩阻，減小了整個鉆柱的摩阻力。因此，托壓、粘滑現象將得到緩解，鉆壓傳遞效率提高，機械鉆速也就提高了。

2）水力振蕩器的高頻低幅振動改變了附近鉆柱的動力學特性，造成了其動剛度大于靜剛度。換言之，鉆柱變“硬”了，該段鉆柱出現正弦屈曲、螺旋屈曲的趨勢將大大減小，丟失工具面的情況也將減少，故間接提高了鉆進效率。

3）鉆柱本身破巖的振動和水力振蕩器產生的振動疊加在一起，緩和了一些有害的振動。并且一些特殊外形的振動工具可誘導鉆柱產生正向同步渦動，阻止其它一些有害的振動模式如：混沌渦動、反向渦動的產生。降低這些有害的振動模式出現不僅有利于保護底部鉆具組合，還進一步提高了機械鉆速。

4）現場試驗結果表明，水力振蕩器可明顯提高水平井段的機械鉆速，工具面容易控制；為保護井下精密儀器不受損壞，工具應該安裝在水平段距鉆頭1/2至1/3處。

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