機械振動降摩減阻技術在滑動鉆井中的應用

常瑋， 易先中，， 萬繼方， 魏世忠， 江勝宗

（1.長江大學a.非常規油氣湖北省協同創新中心，湖北 荊州 434025；b.機械工程學院，湖北 荊州 434020；3.北京加華維爾能源技術有限公司，北京 100028）

0 引言

在石油開采鉆井過程中鉆井管柱與井壁之間會產生摩阻力，根據鉆柱運動形式的不同將此摩阻力分為軸向摩擦阻力和周向摩擦扭矩。然而，在復雜結構井造斜段以下的滑動鉆井中，鉆柱倚靠在下井壁上，使得鉆柱和井眼之間的摩擦阻力急劇增大，導致鉆壓不能有效地傳遞至鉆頭，降低鉆井效率。摩擦力過大還會引發鉆桿屈曲，并最終鎖死，導致鉆井事故的發生。

1 井下摩阻產生的原因及危害

鉆井摩阻產生的原因較多，主要有［1］：1）井斜角變大，鉆柱對井壁的載荷也將隨之增大，最終導致鉆柱運動阻力變大；2）當液柱與地層形成較大壓差時，導致鉆柱壓向井壁，產生推靠力，易形成壓差卡鉆；3）洗井效果差，形成嚴重的井眼巖屑床和井壁坍塌掉塊，極易導致砂橋卡鉆；4）井眼周圍應力分布不平衡導致井眼變形，鉆井摩阻增大。

鉆井摩阻較大為鉆井工程帶來了很多麻煩［2］：1）鉆柱在起下鉆時困難很大，起鉆時受到超重負荷，下鉆時受到較大阻力；2）滑動鉆進的過程中不能有效地將鉆壓傳遞至鉆頭，鉆速小，效率低；3）旋轉鉆進過程中周向摩扭矩很大，導致鉆柱強度破壞；4）套管下入過程中阻力較大，無法入底，并且被嚴重磨損。

2 國內外減摩方法研究

目前，國內外研究的降低鉆井摩阻和扭矩的手段有很多，如提高鉆井液潤滑性能、隨鉆監測摩阻和扭矩、井眼軌跡優化、管柱上安裝滾子、采用降低扭矩的專用井下工具［3-8］等等。上述方法有些可以同時實施，有些只能用在常規管柱或連續管上。而井下機械振動減摩技術則具有很多優勢：1）具有較強的通用性，在常規管柱鉆井和連續油管鉆井中均可以使用；2）可以平穩地、大限度地傳遞鉆壓，明顯提高鉆速；3）和鉆頭、MWD、LWD等設備有良好的兼容性，延長鉆頭的使用壽命。

3 機械振動減摩基本原理

滑動鉆進時，由于鉆桿的自重以及井眼軌跡的復雜性，導致鉆柱躺在下井壁上，由于鉆桿不旋轉只做軸向運動，機械鉆速非常低以至于鉆柱處于一個相對靜止的狀態，鉆柱在鉆進過程中可以近似描述為蠕動過程，即在一定時間內鉆柱相對于井壁靜止，在另外時間內相對于井壁運動，從而使得摩擦在動態和靜態之間變換。

靜摩擦力通常比動摩擦力大很多，井下機械振動減摩方法則是在管柱上安裝振動工具，利用流體通過一定的方式產生振動，將靜摩擦轉變為動摩擦，從而減小管柱和井壁之間的摩阻，達到增加傳遞到鉆頭上的有效鉆壓、提高機械鉆速以及延伸管柱入井位移等目的。軸向水力振動器為管柱提供軸向振動，當該軸向激勵力大于鉆柱的最大靜摩擦力與靜止時受到的摩擦力的差值時，那么此時的摩擦力便不再使鉆柱靜止于井壁，鉆柱開始向前運動。給鉆柱施加軸向振動通過改變鉆柱受力狀態降低摩擦力可以通過疊加原理來解釋［3］，設該軸向振動符合正弦曲線，則瞬時速度v和庫倫摩擦力的有效平均摩擦力 Feff可表示為［8］：

式中：vi為穩定的管柱入井速度；vv為速度振動幅值；t為時間；T為振動周期；Tf和Tr分別表示正向和反向運動周期；F0是無振動時的摩擦力。

顯然庫倫摩擦力的有效平均摩擦力小于無振動時的摩擦力。綜上所述，軸向振動可以將靜摩擦與動摩擦進行轉化，并且可減小平均摩擦力。

周向水力振動器為管柱提供周向振動，從圖1中可以看出，管柱受到周向振動激勵后管柱與井壁間的接觸力明顯減小，當振動頻率及沖擊力達到一定值時導致管柱與井壁間的接觸面積由無振動時的連續接觸變為間歇性接觸，接觸面積與接觸時間均減小，將靜摩擦轉化為動摩擦，降低摩擦因數，降低管柱摩阻力。

圖1 滑動鉆進管柱受力圖

4 黃113-55井使用周向水力振蕩器的情況

4.1 基本數據

黃113-55井位于寧夏自治區鹽池縣麻黃山鄉后洼村，構造屬伊陜斜坡，目的層位為長611，其完鉆井深為3289 m，完井方式為套管固井，水平段長度600 m，井身結構如圖2所示。該井于2013年6月19日開鉆，表層下深384 m，2013年6月23日二開，造斜點2 240 m，入窗點2 775 m，7月4日06:00完鉆。直井段打至2 240 m時起鉆換造斜段鉆具組合，下入周向水力振蕩器。

圖2 黃113-55井身結構

4.2 試驗經過

1）第一趟鉆。

a.2013年6月26日下入造斜段鉆具組合：φ212.7PDC×0.35+φ206LZ×1.25°×8.32+MWD 接頭×0.89+φ165NDC×9.30+461×410×0.5+φ127HDP×87.1（3 柱）+φ165周向水力振蕩器（3.59）+φ127DP（12柱）+φ127HDP（12柱）+φ127DP。水力振蕩器安放位置距鉆頭106.46 m。

b.鉆進中情況。6月26日下鉆到底，造斜段鉆進，2 240 m入井，7月1日2 775 m出井。鉆井參數為：立壓12～15 t，轉速 LZ，排量 34 L/s，鉆井液密度 1.02～1.16 g/cm3。其中，26～28日，井斜＜60°，無托壓現象，只有 28日有輕微黏阻。29日～下月1日井斜＞60°，出現輕微黏阻托壓嚴重的現象，滑動時鉆壓加至24～30 kN，下放摩阻60 kN，上提摩阻80 kN。

圖3 水力振蕩器安裝示意圖

該趟鉆（造斜段）使用井段2 240～2 775 m，時間共109 h，數據統計如表1所示。

表1 造斜段鉆進數據

2）第二趟鉆。

a.2013年7月2日下入水平段鉆具組合：φ212.7PDC×0.35+φ204LZ×1.25°φ206×8.32+φ209 球扶×0.96+461×460×0.5（回壓閥）+MWD 接頭×0.89+φ165NMDC×9.3+461×410×0.5+φ127HDP×87.1（3柱）+φ165周向水力振蕩器（3.59）+φ127DP（32 柱）+φ127HDP（12 柱）+φ127DP 水力振蕩器安放位置距鉆頭107.92m。

b.鉆進中情況。7月2日下鉆到底，水平段鉆進，2778 m入井，7月4日3 409 m出井。鉆井參數為：立壓19～21t，轉速 75+LG，排量 34 L/s，鉆井液密度 1.16～1.22 g/cm3，上提摩阻最大達160 kN，下放摩阻最大達120 kN。共入井54h，進尺634m，其中純工作時間45h，機械鉆速14.1m/h。現場鉆壓加至80 kN泵壓19～21 MPa，考慮到現場設備的使用情況，未再增加鉆壓。

該趟鉆（水平段）使用井段2775～3409m，時間共54h，數據統計如表2所示。

表2 水平段鉆進數據

4.3 使用振蕩器的兩趟鉆效果與塬平5 3-2 2-1井對比

黃平113-5、塬平53-22-1，目的層為長611，儲層一致，鉆頭212.7M14941包井鉆頭，造斜段立林9LZ165×1.25°φ206 螺桿，水平段立林 9LZ165×1.25°φ204 螺桿，統計其相同井段的滑動、復合機械鉆速如表3、表4、表5所示（注：塬平53-22-1井為未使用周向水力振蕩器，且數據來源于定向井施工記錄）。

表3 造斜段對比表

表4 水平段對比表

圖5 滑動對比表

4.4 效用分析

1）周向水力振蕩器對MWD儀器信號采集和解釋沒有明顯的影響。

2）周向水力振蕩器在造斜段能有效地降低滑動鉆進時的摩阻阻力，從而能夠改善鉆壓傳遞效果，降低托壓對滑動鉆進的影響，提高滑動效率。

3）進入水平段后，水力振蕩器的使用造成泵壓過高，導致鉆壓不敢加大，水平段復合鉆進，鉆壓6t，泵壓20MPa。加不上壓影響水平段鉆時。

4）斜井段進入60°以后，出現輕微黏阻托壓嚴重的局面；水平段托壓嚴重；滑動速度比較發現，造斜段提高38.81%。水平段控制鉆壓，降低29.15%，因造斜段滑動時間長，能充分發揮水力振蕩器效果，建議只在造斜段使用。

5 結語

通過本文分析表明，周向水力振蕩器能有效地降低滑動鉆進時的摩阻阻力，從而使鉆壓更有效地傳遞至鉆頭，有利于井眼的延伸，提高鉆井效率。由于此次水平段鉆井使用周向水力振蕩器效果不是很明顯，因此本文為后續的工作提以下幾點建議：進一步進行現場試驗，根據水平段長度和效果總結周向振蕩器的最佳加入位置；拆卸分析使用的振蕩器磨損狀況，結合入井使用時間，推薦井下有效工作周期；在斜井段進一步試驗，以解決目前斜井段進入60°以后托壓嚴重的局面。

［1］ 沈偉，譚樹人.大位移井鉆井作業的關鍵技術［J］.石油鉆采工藝，2000，22（6）：21-26.

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