水平井鉆井水力振蕩器安放位置優化與試驗

歐陽勇，段志鋒，陳春宇，馬天壽

（1中國石油長慶油田公司油氣工藝研究院2低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室3西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室）

歐陽勇等.水平井鉆井水力振蕩器安放位置優化與試驗.鉆采工藝，2019，42（5）：1-4

常規油氣資源逐漸枯竭，致密油氣、頁巖油氣、煤層氣、海油油氣等非常規油氣資源逐漸受到關注，定向井、水平井、大位移井等鉆井技術是開發這類非常規油氣資源的關鍵技術［1］。正是由于水平井鉆井技術和水力壓裂技術的進步，才推動了致密油氣、頁巖油氣的商業化開發進程；但是，水平井鉆井過程中時常遇到水平段位移大、工具面控制難度大、鉆柱摩阻／扭矩高、水平段托壓明顯、機械鉆速低、鉆井周期長、鉆井綜合成本高等一系列問題，解決這一系列問題的核心在于降低鉆柱摩阻［2］。

降低鉆柱摩阻可以采用減少鉆柱接觸壓力、降低摩擦系數、振動方法釋放摩阻以及增強鉆機系統工作能力等4種方法［3］，其中主動機械激振方法是較具有發展前景的減阻方式，水力振蕩器便是減阻效果最為有效的方式之一。水力振蕩器通過產生軸向振動來提高鉆井過程中鉆壓傳遞效率和減少底部鉆具與井眼之間摩阻，近年來在國內外各大油田取得了顯著的提速效果［4-8］。但是，目前對于水力振蕩器的安放位置仍然存在較大爭議，究其原因在于缺乏有效的鉆柱摩阻評價技術。大量的相關研究指出，水力振蕩器降低摩阻的關鍵在于將靜摩擦力轉化為動摩擦力［9-10］，國內外學者通過理論和實驗研究證實了剛體庫倫摩擦模型存在的不足，也證實了振動摩擦過程有別于傳統的滑動摩擦，這使得常規鉆柱摩阻評價技術已經不再適用于水力振蕩器鉆井工況。王鵬等［10］、Liu等［11-12］、Wang等［13］通過研究證實了Dahl動態摩擦模型能夠更好地描述水力振蕩器工作情況下的振動-滑動耦合過程。為此，本文將基于常規剛桿模型和Dahl動態摩擦模型，建立水力振蕩器工作情況下的鉆柱摩阻模型，優化水力振蕩器的安放位置，并開展現場試驗進行驗證，從而為水力振蕩器的有效應用提供理論依據和支撐。

一、鉆柱摩阻計算模型

1.模型假設

（1）水力振蕩器振動為正弦振動，且滿足u＝u0sinωt。

（2）假設含水力振蕩器的鉆具組合工作過程中不發生螺旋屈曲。

（3）正常鉆進過程中，機械鉆速相對平穩，即鉆具組合滑動速度恒定。

（4）假設軸向振動對滑動過程中的摩擦系數是沒有影響的。

（5）所選微元段井眼曲率為常數。

（6）假設井眼曲率與管柱曲率相等，且管柱與上井壁或下井壁接觸。

（7）選取空間斜平面內的微元段進行計算。

2.Dahl動態摩擦模型

Dahl動態摩擦模型假設在摩擦力未達到最大靜摩擦力之前，接觸界面間有微小的位移，即預滑動位移。對于塑性巖石材料，根據應力-應變曲線，動態摩擦力隨時間的變化關系可采用如下偏微分方程描述［14］：

而接觸物體間的動態摩擦力可由切向剛度系數與接觸表面間的微凸體變形量之積求得，即

將式（1）帶入式（3）可得動態摩擦力的計算表達式為：

式中：FC—庫倫摩擦力，N；FD—動態摩擦力，N；t—時間，s；kt—接觸表面間的切向剛度系數，N／mm；vr—相對速度，m／s；sgn（）—符號函數；z—預滑動位移，m。

3.鉆柱動態摩阻計算模型

常規鉆柱剛桿模型受力分析如圖1所示，根據受力平衡條件，并以式（4）中的動態摩擦力FD代替常規庫倫摩擦力FC，可得鉆柱動態摩阻計算模型為［12］：

式中：kf—浮力系數，kf＝1-γm／γs；γm—鉆井液密度；γs—鉆柱材料密度；Nn和Nb—分別表示s處的主副法線方向對應的均布接觸力，N／m；Mb—鉆柱微段上的均布接觸力，kN；Mt—鉆柱所受扭矩，kN·m；d T—鉆柱軸向力增量，kN；T—微元段上的軸向力，kN；d s—微元段弧長，m；k—全角變化率，rad／m；kα—井斜變化率，rad／m；kφ—方位變化率，rad／m；α—井斜角，rad；φ—方位角，rad；R—鉆柱半徑，m。

圖1 微元段鉆柱受力情況示意圖

4.模型求解

動態摩擦模型的解析表達式是一個與相對運動速度有關的分段函數，采用常規方法可以獲得準確的計算結果，但計算過程極為復雜，本文采用Simulink建模的方法進行動態摩擦模型的求解［11］。

二、模型驗證

長慶油田某水平井的4 000～5 000 m井段采用了水力振蕩器，采用本文建立的新模型、常規剛桿模型分別計算了4 000～5 000 m井段的大鉤載荷，并與該井段實測的大鉤載荷進行了對比，結果如圖2所示。不難發現：①該井實測的大鉤載荷隨井深的增加不斷減小，大鉤載荷降低幅度約為140 kN；采用常規模型計算得到的大鉤載荷降低幅度約為184.6 kN，說明使用水力振蕩器后摩阻明顯降低，降低的摩擦阻力約為44.6 kN，水平井段的減阻效果顯著；②本文新模型計算得到的大鉤載荷更加接近實測的大鉤載荷數據，二者的誤差介于0% ～13.19%，平均誤差僅4.90%；而常規剛桿模型計算得到的大鉤載荷與實測大鉤載荷相比誤差相對較大，二者的誤差介于0% ～30.29%，平均誤差約為12.19%；說明常規模型并不能適用于水力振蕩器鉆井工況下的摩阻預測，而本文建立的新模型能夠準確考慮水力振蕩器對鉆柱摩阻的影響，更加適合于水力振蕩器鉆井工況下的摩阻預測。

圖2 4 000～5 000 m井段大鉤載荷對比

三、水力振蕩器位置優化

1.基礎參數

為了分析鉆柱摩阻的分布規律并優化水力振蕩器安放位置，以長慶油田某水平井為例，該井三開3 781～4 732 m井段采用了水力振蕩器，所使用的鉆具組合（鉆具組合1）：?152.4 mm鉆頭+?127 mm單彎螺桿+?127 mm箭形止回閥+?148 mm扶正器+MWD-SUB+?120 mmNMDC×1根+311×HLST39（母）SUB+?101.6 mmHWDP×10根+水力振蕩器+?101.6 mmHWDP×5根+?101.6 mm-DP×（45～150）根+?101.6 mmHWDP×45根+?101.6 mmDP，作為對比的常規鉆具組合只是沒有安裝水力振蕩器（鉆具組合2），鉆進參數：鉆頭尺寸為?152.4 mm、鉆壓40～80 kN、滑動轉速為0 r／min、排量14～18 L／s、泵壓20～24 MPa。

圖3 斜井段不同安裝位置和排量下的鉆柱摩阻

2.水力振蕩器位置優化

為了優化水力振蕩器安裝位置，分別計算了水力振蕩器在不同安裝位置和不同鉆井液排量下的鉆柱摩阻，斜井段和水平井段兩種情況下的計算結果分別如圖3和圖4所示。不難發現：①對于斜井段滑動鉆進，水力振蕩器安裝位置適當靠近鉆頭將有利于降低鉆柱摩阻，推薦的水力振蕩器安裝位置可以為60～80 m；②對于水平段滑動鉆進，推薦的水力振蕩器安裝位置為60～100 m。

圖4 水平段不同安裝位置和排量下的鉆柱摩阻

表1 水力振蕩器現場試驗結果

四、現場試驗效果分析與評價

為了改善水力振蕩器的使用效果，依據水力振蕩器位置優化結果，對于斜井段將水力振蕩器安裝位置由原來距鉆頭位置200 m左右調整到60～80 m，對于水平段將水力振蕩器安裝位置由原來距鉆頭位置200 m左右調整到60～100 m，并分別開展了水力振蕩器現場試驗，試驗結果如表1所示。不難發現：對于斜井段，位置調整前平均滑動機械鉆速2.23 m／h，調整后平均滑動機械鉆速為3.10 m／h，機械鉆速提高了39.01%；對于水平段，位置調整前平均滑動機械鉆速0.89 m／h，調整后平均滑動機械鉆速為1.26 m／h，機械鉆速提高了41.57%；這說明優化后的水力振蕩器安裝位置能夠大幅度的提升蘇里格氣田水平井機械鉆速，建議在蘇里格氣田進一步推廣應用優化該優化結果。

五、結論

（1）針對常規鉆柱摩阻預測模型無法考慮水力振蕩器影響的問題，考慮水力振蕩器產生軸向振動的影響，引入Dahl動態摩擦模型描述鉆柱在軸向振動情況下摩擦特性，并基于常規剛桿模型建立了鉆柱動態摩阻計算模型，通過對比計算和實測的大鉤載荷發現，該模型計算的大鉤載荷最大誤差為13.19%，平均誤差僅4.90%，說明該模型具有較高的精度，也驗證了該模型的準確性。

（2）長慶油田某區塊水力振蕩器的安放位置優化結果表明，水平井斜井段的最佳安放位置距離鉆頭60～80 m，水平井段的最佳安放位置距離鉆頭60～100 m。