淺層水平井振動(dòng)減阻工具性能參數(shù)測(cè)試與分析

莊純才

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淺層水平井振動(dòng)減阻工具性能參數(shù)測(cè)試與分析

莊純才

（中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司工程技術(shù)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(zhǎng)、摩阻扭矩大，鉆壓傳遞困難，造斜段及水平段鉆進(jìn)摩阻大，導(dǎo)致后期滑動(dòng)鉆進(jìn)困難，很難實(shí)現(xiàn)軌跡控制。為此，研制一種工具通過(guò)軸向震動(dòng)，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(zhuǎn)化為動(dòng)摩擦力，使鉆壓更有效地傳遞到鉆頭，并且工具的不斷振動(dòng)避免了井下鉆具發(fā)生粘卡的可能性。為滿足現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)要求，在試驗(yàn)室開(kāi)展淺層水平井振動(dòng)減阻工具性能測(cè)試，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

淺層水平井；減阻工具；性能；測(cè)試分析

鉆井摩阻亦稱鉆井摩阻力,是指鉆井過(guò)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(jié)構(gòu)復(fù)雜,下部鉆具結(jié)構(gòu)剛性強(qiáng),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(jié)性差,易形成砂橋, 嚴(yán)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(guò)程中,預(yù)測(cè)及降低鉆井摩阻問(wèn)題是其成功與否的關(guān)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(zhǎng)、摩阻扭矩大，鉆壓傳遞困難，造斜段及水平段鉆進(jìn)摩阻大，導(dǎo)致后期滑動(dòng)鉆進(jìn)困難，很難實(shí)現(xiàn)軌跡控制。而振動(dòng)減阻工具可通過(guò)鉆井液射流產(chǎn)生的脈沖振動(dòng)來(lái)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(jī)械鉆速。

1 試驗(yàn)?zāi)康暮妥⒁馐马?xiàng)

淺層水平井振動(dòng)減阻通過(guò)鉆井液射流產(chǎn)生的脈沖振動(dòng)來(lái)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(jī)械鉆速，因此，有必要分析實(shí)際振動(dòng)頻率與設(shè)計(jì)的理論振動(dòng)頻率的差別，找出原因，保證工具振動(dòng)頻率滿足設(shè)計(jì)的要求。另外，還需要檢驗(yàn)偏心裝置所產(chǎn)生的偏心力能否滿足設(shè)計(jì)的要求；檢驗(yàn)偏心塊的長(zhǎng)度對(duì)偏心力的影響。為工具下步的改進(jìn)提供依據(jù)。

試驗(yàn)中由于涉及到打壓等安全問(wèn)題，需要做好如下安全檢查：

（1） 在進(jìn)行打壓試驗(yàn)時(shí)，在試驗(yàn)工具周圍不允許站人。

（2） 工作前按規(guī)定穿戴好防護(hù)用品，保證崗位安全防護(hù)裝置及設(shè)施齊全、完好。

（3） 使用起重設(shè)備吊車時(shí)，先開(kāi)具吊裝作業(yè)許可，要有專人負(fù)責(zé)指揮，起重前檢查吊裝是否滿足起吊的負(fù)荷。吊裝帶有破損不準(zhǔn)使用，檢查吊鉤有無(wú)損壞和裂紋，必須遵守起重設(shè)備的安全技術(shù)操作規(guī)程，無(wú)特殊崗位操作證人員禁止操作。吊裝工件時(shí)，吊物下方不準(zhǔn)站人，吊裝要平穩(wěn)。

2 工具試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)前，對(duì)工具的壓力壓力波動(dòng)控制機(jī)構(gòu)和動(dòng)力機(jī)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)調(diào)整，其目的是為了降低工具使用時(shí)的啟動(dòng)排量，更好的適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)需求，進(jìn)行地面試驗(yàn)，依靠實(shí)驗(yàn)裝置，在實(shí)驗(yàn)室中模擬井下條件，將工具固定在試驗(yàn)臺(tái)架上，連接高壓管匯到鉆井泵上，開(kāi)泵到設(shè)計(jì)排量。

圖1 工具試驗(yàn)臺(tái)架

使用振動(dòng)測(cè)量工具測(cè)量工具的振動(dòng)；記錄工具運(yùn)轉(zhuǎn)并根據(jù)試驗(yàn)分析具體情況。

試驗(yàn)中需要記錄、分析、計(jì)算如下數(shù)據(jù)：

（1） 測(cè)量并記錄工具在一定工作狀態(tài)下的振動(dòng)頻率、振幅情況。

（2） 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算在所相應(yīng)的振動(dòng)頻率下，偏心裝置所產(chǎn)生的偏心力大小，并與設(shè)計(jì)的理論值進(jìn)行對(duì)比。

（3） 通過(guò)對(duì)振動(dòng)力量與設(shè)計(jì)理論值的對(duì)比分析，檢驗(yàn)偏心裝置中偏心塊的長(zhǎng)度對(duì)偏心力大小的影響情況，優(yōu)選偏心裝置的參數(shù)。

3 試驗(yàn)設(shè)備和操作過(guò)程

試驗(yàn)臺(tái)架1個(gè)，鉆井液泵1臺(tái)，振動(dòng)工具1個(gè)，振動(dòng)測(cè)量?jī)x1個(gè)，高壓管匯若干。

將工具固定在試驗(yàn)臺(tái)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(kāi)泵排量由小到大，工具開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，使偏心裝置運(yùn)動(dòng)，然后記錄振動(dòng)測(cè)量?jī)x測(cè)得的振動(dòng)頻率、最大加速度、最大振幅、最大速度。

實(shí)驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)整理如下：

表2 試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)列表

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和結(jié)論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算偏心工具中偏心塊轉(zhuǎn)速及向心加速度[2]。

（1）偏心塊的轉(zhuǎn)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(dòng)頻率，Hz；

—偏心塊的轉(zhuǎn)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(jié)論：

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出如下結(jié)論：

（1） 工具震動(dòng)頻率能到達(dá)60 Hz，在10 l/s、7 MPa的實(shí)驗(yàn)情況下所產(chǎn)生的最大振幅能達(dá)到21.4μm，有一定的震動(dòng)效果。

（2）為使工具的震動(dòng)效果更加明顯，下一步可以增加偏心軸的長(zhǎng)度以及偏心塊的半徑來(lái)提高偏心運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的向心力，從而增加工具所產(chǎn)生的最大震動(dòng)有效長(zhǎng)度，以達(dá)到提高震動(dòng)效果。

（3）偏心塊在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)偏心的情況，由于偏心塊外徑和外殼內(nèi)徑之間間隙很小，在一組軸承條件下轉(zhuǎn)動(dòng)的偏心塊，長(zhǎng)度也是受到限制的。

［1］耿書(shū)肖, 張永青, 奚國(guó)銀, 彭艷香. 水平井卡鉆事故處理實(shí)踐及預(yù)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(dòng)時(shí)效激振器雙偏心塊結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析[J]. 中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)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(yáng)市人，2008 年畢業(yè)于東北石油大學(xué)石油工程專業(yè)，從事鉆完井及相關(guān)技術(shù)研究工作。