機械式自動垂鉆工具粘滑振動抑制方法研究

張 龍， 張 凱， 周 琴， 李國民， 劉寶林

(1.中國地質大學〈北京〉工程技術學院，北京 100083； 2.自然資源部深部地質鉆探技術重點實驗室，北京 100083)

“十三五”期間，我國將“三深一土”科技創新發展為主攻方向。其中深地探測戰略的目標之一就是儲備一批5000 m以深資源勘查前沿技術。而深井超深井鉆井是一項復雜的系統工程，井溫梯度和壓力梯度高、井壁穩定性條件復雜、深部地層巖石可鉆性差、鉆機負荷大等一系列問題在經濟和技術上會有很大的風險性。在進行深井垂直鉆井中，如何控制井斜、提高垂直精度成為垂直鉆井工程中的一個重點問題。

針對糾斜問題，傳統的防斜技術雖然可以起到一定的糾斜效果，但其犧牲了鉆壓和鉆速而且使施工時間加長，遠不足以運用到深井作業當中[1]。VertiTrak系統、Power-V系統等一些自動垂直鉆井系統[2]能夠在深井鉆探中發揮出很好的效果，但是這些系統內部均有大量且復雜的電子控制系統，這些電子元件不耐高溫、振動，面對深井中的惡劣環境極易發生損壞，導致鉆井成本急劇加大。而機械式自動垂鉆的出現很好地解決了這類問題[3]，其耐溫性高、成本低、適用性廣成為了針對深井垂直鉆井的又一選擇。與電子控制式相比，它的機械結構和糾斜原理都較為簡單。Scout Downhole公司設計出的Vertical Scout，在偏重機構受到重力影響時，偏重塊轉至井眼低邊，在盤閥的配合下連通鉆井液流道，使高壓鉆井液流入位于井眼高邊的活塞腔體中，以此提供推靠力，完成糾斜。哈里伯頓推出的V-pilot系統，在井斜發生時鐘擺總成在重力的作用下，使鉆井液流道打開，涌進的高壓鉆井液經過閥門總成內部的螺旋形流道，將位于井眼高邊一側的活塞推出完成糾斜。此外還有哈里伯頓研制的VertiSteer，以及國內中國石化勝利鉆井研究院設計的UPC-VDS垂鉆系統。但機械式垂鉆控制精度相對較低、且受振動影響較大，嚴重影響了其糾斜效果，而隨著鉆進深度加大，粘滑振動越來越顯著，底部鉆具的粘滑振動會嚴重影響垂直鉆具工作的穩定性，使糾斜效果惡化。

針對這種情況，本文基于機械式自動垂鉆糾斜的原理，以及影響粘滑振動的主要因素，對如今幾種抑制粘滑振動的方法與機械式自動垂鉆的鍥合度進行研究，并進行了相關展望。

1 機械式自動垂鉆糾斜原理

自動垂直鉆具包括電子控制式和機械式自動垂直鉆具兩大類[4]。機械式自動垂鉆技術是在電子控制式的基礎上研究得來的，對于現今主流的機械式自動式垂鉆鉆具，其工作方式大多數都通過機械結構實現在重力作用下完成糾斜的。

機械式垂直鉆具通常都包括重力感應機構和執行機構，其中重力感應機構包括偏重塊以及上下盤閥。偏重塊在軸承作用下可自由轉動，其底部與上盤閥剛性連接并保持同步旋轉，上盤閥有一個開孔，其位置與偏重塊呈對位分布，下盤閥有多個開孔，分別與下部鉆井液流道相連，當重力機構感應到井斜時，偏重塊擺動至井眼低邊，此時上盤閥開口擺至井眼高邊并連通該側流道，鉆井液通過流道進入推靠機構，在壓力差的作用下，將對應位置的活塞推至井壁(見圖1)。在反作用力的影響下，鉆頭會加劇對井眼低邊的切削，井眼軌跡逐漸回復到垂直位置[5]。

圖1 機械式垂直鉆具重力感應糾斜機構[5]Fig.1 Mechanical vertical drilling tool with the gravity sensor

通過對糾斜原理的分析可以看出，機械式垂鉆工具的糾斜精度與偏重塊能否快速穩定的轉動到井眼低邊位置以及推靠機構能否可以及時推出活塞進行糾斜有著密切的關系。但隨著鉆進深度的不斷增加，巖石強度變大、可鉆性變差，鉆頭擊碎巖石所需的能量變大；另外，鉆柱也隨之越來越長，管柱剛度變小[6]。井底粘滑振動趨于劇烈，粘滑振動會使底部鉆具出現卡滑的現象，勢必會影響偏重機構位于井眼低邊位置的穩定性，以及推靠塊推靠井壁時糾斜力的穩定，使其糾斜效果降低。

2 粘滑振動影響機理分析

粘滑振動發生時，轉盤轉動為鉆柱系統提供能量，當輸入能量不足以打破鉆頭與巖層間的摩擦扭矩時，鉆頭靜止處于粘滯狀態。此時鉆柱扭曲并積蓄能量，直到足夠克服摩擦扭矩，鉆頭以數倍于轉盤轉速轉動進入滑脫狀態。之后鉆頭的摩擦扭矩、鉆井液和鉆柱系統的阻尼力等均會消耗能量，使鉆頭再次處于粘滯狀態，并進入高速運動和粘滯靜止運動相互交替的周期性運動，國內外學者對引起粘滑振動的主要因素進行了大量研究工作。

由粘滑振動的定義可得，鉆頭的摩擦扭矩會對粘滑振動起到重要的影響。Dawson[7]、VAN DE VRANDE[8]通過建立模型發現減小摩擦阻力可以抑制粘滑振動產生；南旭東[9]、呂苗榮[10]、湯歷平[6]等得出鉆頭和鉆柱在井底和井壁間是介于動摩擦和靜摩擦之間的一種非線性接觸，動、靜摩擦系數也會對粘滑振動產生影響。由于鉆頭結構的改變會使其摩擦扭矩也發生改變，Thomas Richard[11]考慮了在鉆頭破巖的過程中，鉆頭與巖石間的相互作用并建立了鉆頭為集中的質量模型(見圖2)。Christophe Germay[12]基于圖2模型并對其進行完善，得到粘滑振動的產生與鉆頭結構有關。劉清友等[13]利用彈性桿理論和單元法，進一步了解了牙輪鉆頭和鉆柱在粘滑振動發生時的實際運動規律；張曉東等[14]對鉆頭與巖石兩者間的摩擦力進行描述，使用能量法對鉆柱粘滑振動的穩定性進行了分析。

圖2 鉆柱系統簡化模型[11]Fig.2 Simplified model of the drill string system

由于鉆頭在粘滯狀態下，轉盤轉動為驅動扭矩，因此鉆頭運動狀態的改變與轉盤轉速之間有很大的關系。Jansen J D和Steen L[15]將鉆柱系統簡化為線性彈簧，并建立鉆頭的運動微分方程，分析在破巖過程中扭矩和角速度的波動，發現當轉盤轉速高于某臨界值時粘滑振動將消失。Lin、Dareing、Gulyaev、牟海維等[16-19]研究得出轉盤轉速的提高有助于粘滑振動的抑制。

鉆頭處的鉆壓是摩擦扭矩產生的必要因素，鉆頭所受鉆壓越大，鉆頭的摩擦扭矩也會相應變大，所以針對鉆壓與粘滑振動間的關系，AZADI SASSAN等[20]通過建立兩個自由度鉆柱系統力學模型并進行動態仿真模擬，證實了通過改變鉆壓可以降低甚至消除粘滑振動的影響，從而設計出了一種粘滑補償器。HUANG、馮程寶、付蒙、張焱、呂苗榮等[21-24，10]，都基于動力學模型發現低鉆壓可有效避免粘滑振動的發生。

此外，對機械式自動垂直鉆具，粘滑振動的振幅和周期更會給偏重機構和推靠裝置造成很大的影響[5]，其中偏重塊會由簡單的衰減運動，變為復雜的鐘擺運動，影響糾斜精度；推靠裝置由于粘滑振動的運動方式，會降低其有效推靠力，降低糾斜效率。

3 抑制方法分析

抑制粘滑振動的影響是提高機械式垂鉆的糾斜精度主要方法之一。通過對糾斜原理與產生粘滑振動的主要因素的研究可以發現，通過改變某些鉆井參數、優化鉆頭結構等方法，提高鉆頭破巖時的相對工作扭矩，可以起到抑制甚至消除粘滑振動的效果。目前，出現了多種控制粘滑振動的方法，筆者依據抑制機理將其分成4個方面，并依次針對是否適用于機械式垂直鉆具進行分析：(1)基于鉆井參數的優化;(2)鉆頭結構的優化;(3)增加額外破巖工具;(4)鉆柱內部的結構優化。

3.1 基于鉆井參數優化的設計

在鉆頭處于粘滯狀態時，需要鉆柱從轉盤積攢足夠的扭矩，以此克服巖石的阻礙，打破粘滯狀態，此時粘滯階段時間有t=T/kTw0(其中：w0為轉盤轉速，k為鉆柱扭轉剛度，T為破巖所需扭矩[25])，由此可以看出，增加轉盤轉速可以減少粘滯時間，抑制粘滑振動。在此基礎上Navarro[26]在2009年提出，可以通過比例積分來控制轉盤轉速，從而調整出現粘滑振動時的阻尼頻率，以此來抑制粘滑振動。井口比例積分控制通常在井口處通過比例積分(PI)來判斷鉆頭處粘滑振動的嚴重性從而調節轉盤轉速以此來抑制粘滑振動。Abdulgalil和Sigurewdidjane[27]通過建立鉆柱的集中質量擺模型，設計出了粘滑振動補償控制與比例積分控制相結合的非線性控制系統。由荷蘭公司Electroproject發明的EPST頂驅軟扭矩系統已于2011年安裝并開始使用，通過PLC控制轉盤轉速，從而抑制井底的粘滑振動。由美國NOV公司研制的Softspeed Ⅱ，它可以廣泛的應用不同類型的鉆井作業中，包括深井、超深井。因為鉆柱產生的振動會由波的形式傳遞到頂驅，而頂驅會將這些能量反彈回去，這也就導致了粘滑振動的加強，而Softspeed Ⅱ可以通過控制頂驅的轉速將通過鉆柱傳遞到地面的振動波吸收，并反射小部分能量[28]。在經過反復幾次之后，扭轉振動得到抑制，鉆柱趨于穩定，這是一個相消干涉的過程。

國內四川宏華石油設備有限公司、大慶景宏鉆采技術開發有限公司等公司都相繼開發出了自己的頂驅扭矩系統，其中景宏頂驅配置的轉速扭矩控制鉆井系統，可以自主選擇開閉，并采用雙PLC結構控制系統，提高了在復雜井況下的安全性。其軟扭矩技術，可以自動識別工況，調整輸出扭矩，有效降低粘滑運動的發生率。自2009年起，大慶景宏鉆采技術開發有限公司在美國、加拿大等地都有了一定的市場，并在可靠性和安全性方面達到世界一流水平。

鉆頭的摩擦扭矩與鉆壓成正比，在保證其他鉆井參數不變的情況下，通過降低鉆壓可以達到降低鉆頭摩擦扭矩從而抑制粘滑振動的產生。MONTEIRO和TRINDADE[29]在2016年，設計出了比例積分和動態鉆壓控制相結合的方法，并通過比較發現，比例積分和動態鉆壓相結合的方法可以很有效地控制粘滑振動的現象。一方面通過比例積分調節轉盤轉速，使之接近目標轉速，另一方面通過動態鉆壓調節，使波動的鉆壓可以穩定在一個目標鉆壓上(見圖3)。這種方法通過井口收集到的波動情況，經過PLC進行閉環精確控制鉆壓與轉速使粘滑振動得到抑制。

圖3 PI調節和動態鉆壓相結合的控制系統[29]Fig.3 PI angular velocity control scheme with dynamic weight-on-bit (WOB)

這些方法通過實時控制鉆壓或轉盤轉速來控制粘滑振動的發生，抑制效果出眾，但控制系統復雜，可操作性不強[30]，而且多數都只考慮了鉆頭與巖層間的相互作用，未考慮鉆柱參數變化的影響，隨著鉆井深度的增加，鉆柱的剛度也會隨之降低，粘滑振動的發生率也會提高。而軟扭矩系統多數適用于低轉速鉆進，在深井、超深井中運用，其抑制效果會大打折扣，所以這類方法能否在深井、超深井中運用仍需進一步深入研究。

3.2 基于鉆頭結構的優化設計

復合鉆頭通過改變常規鉆頭的齒形，將牙輪鉆頭與PDC刀翼鉆頭結合，通過改善鉆頭的工作性能，降低摩擦扭矩，提高破巖效率。由貝克休斯在2010年開發出kymera組合式鉆頭，這種復合鉆頭有2種類型，由雙刀翼雙牙輪鉆頭組成，以及三牙輪三刀翼組成[25]，這種鉆頭集合了牙輪鉆頭的攻擊性高和PDC切削齒清潔巖屑的優勢，牙輪鉆頭先對巖石進行預破碎，之后再由PDC刀翼鉆頭對其進行切削，這樣可以降低鉆頭破巖時的摩擦扭矩，從而獲得更高的機械轉速(見圖4)。兩類復合鉆頭都已通過實鉆測試，驗證了復合鉆頭比常規PDC鉆頭更有利于鉆井效率的提高，也可以減少井底由振動產生的損傷。

圖4 實地測試之后的2種復合鉆頭[33]Fig.4 Field testing of the two types of PDC bits

NOV公司推出的Speed Drill鉆頭是一種雙直徑PDC鉆頭，由一個較小的定向鉆頭和同心擴眼鉆頭組成。前面導向鉆頭快速鉆進，減小圍巖中的應力，擴眼鉆頭以同樣的速度鉆穿巖石。該鉆頭有助于改善鉆進穩定性，從而減少震動失效，延長鉆頭壽命，提高井眼質量，節約鉆井成本，經實驗測得機械速率提高了20%[34]。

由中國石油集團資助，研發的PDC+牙輪復合鉆頭于2013年成功在四川麻002-H1井下井試驗，鉆頭工作穩定性優于常規PDC鉆頭，且機械鉆速提高了20%。由西南石油大學鉆頭研究所設計的“4+2”和“2+2”型PDC-牙輪復合鉆頭在冀東油田中機械鉆速提高了30%[35]。

另一方面，Schell[36]設計了一種在主刀翼中間設置輔助刀翼，以此避免切削齒吃入量過大，而引起粘滑振動。Jaggi、Davis等[37-38]都由齒鉆吃入量對粘滑振動的影響入手，提出應在鉆頭上設計出防止吃入量過深的裝置。這也揭示了通過優化鉆頭結構從而控制鉆頭的切削深度，也可以有效地抑制粘滑振動。美國貝克休斯公司研制了具有抑制粘滑振動的創新性技術的TerrAdapt自適應性鉆頭[39]。在實際鉆井中，難免會碰到地層性質不相同的情況，傳統PDC鉆頭不能確保鉆頭進入軟地層時的ROP，同時又能保證在進入硬地層時不發生粘滑振動。而自適應性鉆頭的出現，很好地解決了這類問題。TerrAdapt鉆頭的工作機理就是在不同類型的地層中通過改變鉆頭的切削深度，從而抑制粘滑振動。它通過鉆頭進入不同地層時壓力的突然改變，使液體壓力隨之改變，從而控制推靠塊的推出深度，達到實時改變鉆齒的切削深度，降低了鉆頭處摩擦扭矩，進而實時抑制粘滑振動的產生[40]。在Oklahoma油田進行的實鉆測試證實自適應PDC鉆頭可以在高鉆壓、低轉速的情況下高效鉆進，而且還可以有效抑制粘滑、減輕鉆頭損壞程度、降低鉆井成本。

通過優化鉆頭結構，改變鉆進方式，可以很好地降低摩擦扭矩，抑制粘滑振動。與自適應鉆頭相比，復合鉆頭雖然不具備很強的地層適應性，在高鉆壓下鉆進時也會使復合片受到強大沖擊，對其使用壽命產生影響，但復合鉆頭中沒有電子元件，在今后可以與機械式自動垂直鉆具開展更多的適用性研究。自適應鉆頭抑制粘滑振動效果出眾，但工作原理復雜、成本高，與機械式垂直鉆具并不相匹配，但與電子式自動垂直鉆具相結合，有很好的發展前景。

3.3 基于提高額外工作扭矩的設計

粘滑振動的產生主要是由于驅動扭矩不能克服地層的摩阻而導致的。在驅動扭矩不足的情況下，可以等待鉆柱積蓄足夠的能量，還可以借助外力的沖擊扭矩，打破粘滯狀態，消除粘滑振動。從呂苗榮等[10]分析的鉆頭巖石摩擦力矩分析中可知，由粘滯階段鉆頭所受驅動扭矩與摩擦扭矩平衡，此時如果引入一個額外沖擊扭矩，方可打破粘滯狀態。借助此機理一些輔助破巖工具相繼出現，這些輔助工具意在通過給鉆頭提供輔助扭矩，從而間接地增加了鉆頭的工作扭矩。由Ulterra公司研發的TorkBuster是一種純機械的扭轉沖擊動力工具，其原理為在鉆頭上方增加一個可以將鉆井液能量轉化為一種直接施加到PDC鉆頭上的一個高頻、低副的扭力沖擊，從而消除PDC鉆頭粘滑現象[41]。當鉆頭處于粘滯狀態時，TorkBuster會直接提供給鉆頭額外扭矩，不需等待鉆頭積攢到足夠打破鉆頭與巖石的摩擦扭矩，鉆頭就會脫離粘滯狀態。因此鉆頭也不會因積攢的扭矩突然釋放而進入滑脫狀態，從而大大消除了粘滑狀態的發生。2009年開始，我國開始使用TorkBuster，在平均機械速率與鉆井成本方面都得到了很大的改善。國內由勝利油田研制開發的SLTIT型扭轉沖擊鉆井提速工具，已于2011年下井測試，與普通鉆井相比機械鉆速平均提高了50%，且鉆機振動減輕、噪聲減小[42]。

對于此類輔助性破巖工具，其優點在于裝置不含電子元件，適用性廣，形成的扭轉沖擊可以直接傳至鉆頭，減少沖擊損失，也可以有效地抑制粘滑振動的發生。但這種破巖工具所帶來的額外沖擊扭矩，會加劇鉆頭的磨損，降低其使用壽命。對于機械式垂直鉆具的偏重機構可能會使其偏重塊不能穩定在井眼低邊，從而影響糾斜效果。如何在增加額外沖擊扭矩的情況下，減少對鉆頭的磨損、保證偏重平臺的穩定性將是下一步研究的關鍵。

3.4 機械式垂鉆工具優化設計

從機械式垂直鉆具糾斜原理可以看出，發生粘滑振動時，偏重平臺機構所受影響最為嚴重。因此，針對降低偏重機構的摩阻進行優化，也可以降低其糾斜效果在外界振動情況下的影響。李立鑫[5]針對凸臺盤閥進行優化，并在盤閥安裝軸上增設單向水力渦輪。對于常規盤閥，上下盤閥為完全接觸，摩阻較大，受振動影響明顯，對此在上下盤閥間鑲嵌PDC復合片，復合片的端面高出盤閥，這樣優化可以減少盤閥間的接觸面積，摩擦阻力矩明顯降低。在粘滑振動的作用下，偏重塊會在井眼低邊位置發生擺動，在盤閥安裝軸上增設單向水力渦輪，在鉆井液的穩定排量下，渦輪產生近似恒定的扭矩，并傳遞給盤閥，可以抵消盤閥的部分摩擦阻力矩，進而降低偏重塊與井眼低邊位置的偏轉角度。

這類優化方法通過優化內部的裝置，降低粘滑振動產生的影響，成本低，并在室內試驗中得到顯著效果。但該方法并未抑制粘滑振動，只是降低粘滑振動對偏重平臺的影響。鉆頭的壽命，以及鉆進速度依舊會受振動影響，所以如何與其他抑制粘滑振動方法相結合值得開展相關研究。

4 結論

本文通過對機械式自動垂直鉆具的糾斜原理及產生粘滑振動的主要因素進行分析，對現有抑制粘滑振動的方法與機械式自動垂鉆工具的相互適應性進行研究，具體結論如下：

(1)對于機械式自動垂直鉆具，基于鉆井參數優化的抑制粘滑振動的方法，其控制方法復雜且在深井、超深井中使用其抑制效果并不是很突出。如何簡化控制方法與機械式自動垂鉆相適應是未來研究的重點。

(2)通過鉆頭的結構優化來抑制粘滑振動的方法可以很好地契合機械式自動垂直鉆具，但鉆頭如何在高鉆壓下保持使用壽命還需進一步優化。

(3)通過提高額外工作扭矩來克服粘滑振動的方法會產生額外的沖擊扭矩，會加劇鉆頭磨損，使其工作壽命受到影響。而且對于機械式鉆具中的偏置機構，額外扭矩會影響其穩定性，影響糾斜效果。所以減少鉆頭磨損、保持偏重平臺穩定是今后的研究重點。

(4)通過機械式垂鉆的內部工具優化來減少粘滑振動的方法并未真正地抑制粘滑振動，而只是減少粘滑振動對鉆具中執行機構和穩定平臺的影響，鉆頭、鉆桿依舊會受到粘滑振動的危害。今后在與其他抑制方法相結合方面值得開展相關研究。

徹底抑制井底粘滑振動或降低其對機械式自動垂直鉆具糾斜的影響，在目前乃至未來都是一個重要目標。相信在國內學者的不斷研究創新下，機械式垂直鉆具系統會更加完善，其防斜糾斜能力可以進一步得到提升，為我國資源勘查提供可靠的技術保障。