淺層水平井振動減阻工具性能參數測試與分析

莊純才

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淺層水平井振動減阻工具性能參數測試與分析

莊純才

（中國石油集團長城鉆探工程有限公司工程技術研究院， 遼寧 盤錦 124010）

淺層水平井油層埋深淺、地層疏松、直井段短、水平段長、摩阻扭矩大，鉆壓傳遞困難，造斜段及水平段鉆進摩阻大，導致后期滑動鉆進困難，很難實現軌跡控制。為此，研制一種工具通過軸向震動，可有效消除或緩解鉆具屈曲，并把鉆具與井壁之間的靜摩擦力轉化為動摩擦力，使鉆壓更有效地傳遞到鉆頭，并且工具的不斷振動避免了井下鉆具發生粘卡的可能性。為滿足現場試驗要求，在試驗室開展淺層水平井振動減阻工具性能測試，并對試驗結果進行分析。

淺層水平井；減阻工具；性能；測試分析

鉆井摩阻亦稱鉆井摩阻力,是指鉆井過程中鉆井管柱與井壁之間的摩擦阻力, 主要由鉆柱的軸向摩擦阻力及周向摩擦扭矩所組成。通常鉆水平井所需的鉆柱結構復雜,下部鉆具結構剛性強,外徑大,在水平井段由于鉆柱重力作用,使鉆柱貼于下井壁,鉆井液紊流受到影響,返砂效果差；而且油層井段一般地層孔隙度大, 砂巖居多,巖石膠結性差,易形成砂橋, 嚴重影響鉆柱的上提下放[1]。因此,在定向井, 尤其是大斜度定向井和水平井施工過程中,預測及降低鉆井摩阻問題是其成功與否的關鍵。

淺層水平井由于油層埋深淺、地層疏松、直井段短、水平段長、摩阻扭矩大，鉆壓傳遞困難，造斜段及水平段鉆進摩阻大，導致后期滑動鉆進困難，很難實現軌跡控制。而振動減阻工具可通過鉆井液射流產生的脈沖振動來降低鉆柱和井壁間的摩擦,軸向載荷可有效地傳遞給鉆頭,提高鉆大位移水平井和大斜度定向井的機械鉆速。

1 試驗目的和注意事項

淺層水平井振動減阻通過鉆井液射流產生的脈沖振動來降低鉆柱和井壁間的摩擦,軸向載荷可有效地傳遞給鉆頭, 提高鉆大位移水平井和大斜度定向井的機械鉆速，因此，有必要分析實際振動頻率與設計的理論振動頻率的差別，找出原因，保證工具振動頻率滿足設計的要求。另外，還需要檢驗偏心裝置所產生的偏心力能否滿足設計的要求；檢驗偏心塊的長度對偏心力的影響。為工具下步的改進提供依據。

試驗中由于涉及到打壓等安全問題，需要做好如下安全檢查：

（1） 在進行打壓試驗時，在試驗工具周圍不允許站人。

（2） 工作前按規定穿戴好防護用品，保證崗位安全防護裝置及設施齊全、完好。

（3） 使用起重設備吊車時，先開具吊裝作業許可，要有專人負責指揮，起重前檢查吊裝是否滿足起吊的負荷。吊裝帶有破損不準使用，檢查吊鉤有無損壞和裂紋，必須遵守起重設備的安全技術操作規程，無特殊崗位操作證人員禁止操作。吊裝工件時，吊物下方不準站人，吊裝要平穩。

2 工具試驗方案

本次試驗前，對工具的壓力壓力波動控制機構和動力機構進行了重新設計調整，其目的是為了降低工具使用時的啟動排量，更好的適應現場需求，進行地面試驗，依靠實驗裝置，在實驗室中模擬井下條件，將工具固定在試驗臺架上，連接高壓管匯到鉆井泵上，開泵到設計排量。

圖1 工具試驗臺架

使用振動測量工具測量工具的振動；記錄工具運轉并根據試驗分析具體情況。

試驗中需要記錄、分析、計算如下數據：

（1） 測量并記錄工具在一定工作狀態下的振動頻率、振幅情況。

（2） 根據實驗數據，計算在所相應的振動頻率下，偏心裝置所產生的偏心力大小，并與設計的理論值進行對比。

（3） 通過對振動力量與設計理論值的對比分析，檢驗偏心裝置中偏心塊的長度對偏心力大小的影響情況，優選偏心裝置的參數。

3 試驗設備和操作過程

試驗臺架1個，鉆井液泵1臺，振動工具1個，振動測量儀1個，高壓管匯若干。

將工具固定在試驗臺架，工具母扣一端用高壓管匯連接鉆井液泵，工具公扣一端連接回水管線至液體槽，工具和高壓管匯固定良好。開泵排量由小到大，工具開始運轉，使偏心裝置運動，然后記錄振動測量儀測得的振動頻率、最大加速度、最大振幅、最大速度。

實驗的原始數據整理如下：

表2 試驗原始數據列表

4 實驗數據分析和結論

根據實驗數據計算偏心工具中偏心塊轉速及向心加速度[2]。

（1）偏心塊的轉速

=·

式中：—偏心塊的角速度，rad/s，=·2π；

—偏心塊的重心半徑，mm；

—工具的振動頻率，Hz；

—偏心塊的轉速，mm/s。

（2） 向心加速度

=2·/1000= (·2π)2·/1000

—偏心塊的角速度，rad/s，=·2π；

—偏心塊的重心半徑，mm。

結論：

從實驗數據分析，得出如下結論：

（1） 工具震動頻率能到達60 Hz，在10 l/s、7 MPa的實驗情況下所產生的最大振幅能達到21.4μm，有一定的震動效果。

（2）為使工具的震動效果更加明顯，下一步可以增加偏心軸的長度以及偏心塊的半徑來提高偏心運動所產生的向心力，從而增加工具所產生的最大震動有效長度，以達到提高震動效果。

（3）偏心塊在轉動的過程中，會出現偏心的情況，由于偏心塊外徑和外殼內徑之間間隙很小，在一組軸承條件下轉動的偏心塊，長度也是受到限制的。

［1］耿書肖, 張永青, 奚國銀, 彭艷香. 水平井卡鉆事故處理實踐及預防措施探討[J]. 探礦工程：巖土鉆掘工程, 2010 (2): 9-13.

［2］張超，張海軍，梁一方，楊小榮，鄒良. 振動時效激振器雙偏心塊結構的計算分析[J]. 中國新技術新產品, 2013 (11): 141-141.

Test and Analysis of Performance Parameters of Drag and Torque Reducing Tools for Shallow Horizontal Wells

（PetrolChina Great Wall Drilling Company Engineering Research Institute, Liaoning Panjin 124010，China）

Shallow horizontal well has some characteristics of low oil reservoir buried depth, porous formation, short vertical section, long horizontal section, big friction torque, difficult WOB transfer, large drilling friction in curve section and horizontal section, which result in slide drilling difficult in later stage and hard trajectory control. For solving these problems, a drag and torque reducing tool need be developed to eliminate or relieve the buckling of drilling tools through axial vibration effectively, and change the static friction force into dynamic friction force between the tool and the borehole face. Then WOB is transferred to the bit more effectively，and the continuous vibration of the tool avoids the possibility of BHA sticking. In this paper, in order to meet the demand of well site operation, performance parameters test and analysis of drag and torque reducing tools were carried out in lab,and then the experimental results were analyzed.

shallow horizontal well; drag and torque reducing tool; performance; test and analysis

TE 357

A

1004-0935（2017）04-0375-03

2017-02-26

莊純才（1985-），男，工程師，工程碩士，遼寧省遼陽市人，2008 年畢業于東北石油大學石油工程專業，從事鉆完井及相關技術研究工作。