水力振蕩器安放位置選擇及試驗(yàn)

張 蘇, 李 娜, 徐明磊, 李立昌, 馮 強(qiáng), 程 林, 崔樹清

(1廣東石油化工學(xué)院 2中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司 3中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司定向井技術(shù)服務(wù)分公司 4中國石油集團(tuán)華北油田公司)

近年來水力振蕩器作為緩解托壓的工具得到了一定的應(yīng)用[1-11]，水力振蕩器的效果與其安放在鉆柱中的位置有密切關(guān)系，但目前國內(nèi)外關(guān)于水力振蕩器緩解托壓的機(jī)理和安放位置的文獻(xiàn)較為匱乏[12-13]，為了更好的發(fā)揮水力振蕩器作用，達(dá)到緩解托壓的目的，開展了水力振蕩器安放位置的理論和試驗(yàn)研究，為滑動(dòng)鉆進(jìn)作業(yè)提供技術(shù)支撐。

一、安放位置判定方法

1. 工具起振條件

工具在一定激振力和恢復(fù)力條件下振動(dòng)應(yīng)滿足以下兩個(gè)條件：當(dāng)工具所處位置軸向受壓時(shí)，激振力要能克服該壓力使芯軸伸出，當(dāng)工具處于受拉位時(shí)，芯軸伸出不會(huì)受到限制，即軸向力和激振力的和要大于零,如式(1)所示，通過該式判斷出達(dá)到伸出條件的所處鉆柱位置的范圍為L1～井口，L1點(diǎn)稱為伸出點(diǎn)。同樣當(dāng)芯軸在碟簧組的恢復(fù)力作用下縮回時(shí)，恢復(fù)力要大于軸向拉力達(dá)到收縮條件，以便于芯軸有效縮回，通過式(2)判斷出工具達(dá)到收縮條件的所處鉆柱位置范圍是鉆頭～L2，L2稱為收縮點(diǎn)。

(1)

Fr-FT>0

(2)

式中:Fi—工具的激振力，kN;Fr—恢復(fù)力，kN;FT—有效軸向力，kN。

鉆具通過周期性的伸出、縮回才能形成振動(dòng)，這兩個(gè)限制因素稱為起振條件，通過兩個(gè)限制因素得出位置范圍的交集是能夠使工具有效振動(dòng)的安放范圍為L1～L2，稱為起振位置段。

2. 工具最佳安放位置

將鉆柱視為柔性體，鉆柱和井壁之間的的摩阻如式(3)所示，側(cè)向力的大小與鉆柱浮重、井眼軌跡的幾何參數(shù)密切相關(guān)。將鉆柱離散為若干單元，各單元內(nèi)鉆柱物質(zhì)屬性(截面積、鋼級(jí)等)和所處的井眼環(huán)境相同,鉆柱單元的受力狀態(tài)如圖1。

FD=FN×μ

(3)

ΔFT=Wcosα±μFN

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：FD—摩阻，kN;μ—摩阻系數(shù)，無因次;FT—鉆柱軸向力，kN;α—平均井斜角，rad;Δα—方位變化量，rad;ΔΦ—井斜變化量，rad;W—鉆柱的浮重，kN。

(8)

圖1 鉆柱單元受力示意圖

上述各式表明,一方面鉆柱的井斜角、方位角的變化會(huì)使側(cè)向力增大，引起摩阻增大，井斜角、方位角變化越頻繁則摩阻增量越大，即井眼不光滑會(huì)使摩阻增大。另一方面軸向力、側(cè)向力、摩阻相互影響，下部鉆柱摩阻會(huì)使上部鉆柱軸向力增大，軸向力增大引起側(cè)向力增大，進(jìn)而增大了上部鉆柱摩阻，引起了鉆柱整體摩阻增大，因此解決托壓問題要優(yōu)先克服近鉆頭段的摩阻。

克服近鉆頭段的靜摩阻的條件是有效激振力大于近鉆頭段的摩阻，若從鉆頭算起長度為L3的鉆柱靜摩阻和有效激振力相等，則工具的安放位置范圍應(yīng)為鉆頭～L3，安放在L3處可以達(dá)到最大的近鉆頭段減阻效果。

Fie=Fi-FT

(9)

Fie>FD

(10)

通過起振條件得出安放位置在L1～L2，有效激振力減阻條件得出安放位置為L3。工具的安放首先滿足起振條件，其位置應(yīng)在起振范圍內(nèi)，當(dāng)滿足起振條件后再優(yōu)選安放位置，即L3在L1～L2之間時(shí)，取L3，能夠達(dá)到最佳緩解托壓的效果，否則取工具伸出點(diǎn)的位置L1，只能對(duì)托壓起到一定的緩解作用，則最佳安放位置如式(11)所示。

(11)

式中：L—最佳安放位置，m。

3. 模擬分析

對(duì)三段式、雙增式、五段式三種井眼軌道模擬分析，造斜率分別取3°/30 m、6°/30 m、9°/30 m。模擬中鉆具組合為?215.9 mm PDC×0.5 m+?172 mm螺桿鉆具×9.14 m+?165 mm鉆鋌×19.57 m+?127 mm加重鉆桿×168.77 m+?127 mm鉆桿×若干。

3.1 三段式軌道時(shí)的安放位置

模擬中在不同井深處造斜，造斜終點(diǎn)都為3 000 m，井斜分別為15°、30°、45°、60°、75°、90°，模擬結(jié)果如圖2所示。

在相同井斜條件下，當(dāng)井斜較小時(shí)，最佳安放位置隨造斜率的增大而減小。在相同造斜率時(shí)隨著井斜的增大而增大，當(dāng)造斜率較小時(shí)隨著井斜的增大而增大的幅值較大，當(dāng)造斜率較大時(shí)隨著井斜的增大而增大的幅值較小。

圖2 三段式軌道時(shí)不同井斜最佳安放位置隨井斜的變化

3.2 雙增式軌道時(shí)的安放位置

模擬中采用雙增式軌道，先造斜到一定角度后再增斜到90°，先增斜的角度分別是30°、45°、60°。增斜到90°時(shí)井深3 000 m，繼續(xù)穩(wěn)斜，穩(wěn)斜段長和三段式相同,模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 雙增式軌道時(shí)最佳安放位置隨井深的變化

相同造斜率、井斜時(shí)L隨井深的增大而增大。相同井深、井斜時(shí)L變化較小，可視為基本不變。

相同井深條件下，造斜率越小，L離鉆頭越近，反之越遠(yuǎn)。

雙增式軌道的L和L1相同，剩余激振力已經(jīng)無法克服自鉆頭到工具處的摩阻，優(yōu)先選擇工具起振的且最靠近鉆頭的位置。

3.3 五段式軌道時(shí)的安放位置

模擬中采用雙增式軌道，先造斜到一定角度后再降斜到0°，造斜率和降斜率相同，先增斜的角度分別是和雙增式軌道相同。增降斜到0°時(shí)井深3 000 m，繼續(xù)穩(wěn)斜，穩(wěn)斜段長和三段式相同。模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 五段式軌道時(shí)最佳安放位置隨井深的變化

五段式軌道對(duì)應(yīng)的最佳安放位置相對(duì)固定，且在工具伸出點(diǎn)和收縮點(diǎn)之間，能夠達(dá)到最佳緩解托壓的效果。

3.4 分析結(jié)論

(1)在同樣的造斜井深時(shí)，五段式軌道對(duì)應(yīng)的水力振蕩器最佳安放位置最小，雙增軌道最大，三段制在二者之間。

(2)三段式和雙增式軌道中不同造斜率時(shí)井斜角30°對(duì)應(yīng)的最佳安放位置變化較小，井斜60°、90°時(shí)隨井深的增大而增大。五段式軌道中各種井斜對(duì)應(yīng)的最佳安放位置和井深、造斜率的相關(guān)性較小。

(3)三段式軌道和五段式軌道工具的安放位置能夠達(dá)到最佳緩解托壓的效果。雙增式軌道工具的安放位置只能對(duì)托壓起到一定的緩解作用。

二、現(xiàn)場試驗(yàn)

1. 試驗(yàn)井信息

華北地區(qū)某三開三段制定向井，設(shè)計(jì)井深4 370 m，設(shè)計(jì)最大井斜50.53°，井身結(jié)構(gòu)如表 1。

表1 試驗(yàn)井井身結(jié)構(gòu)表

在該井進(jìn)行水力振蕩器安放位置試驗(yàn)，試驗(yàn)中水力振蕩器的脈沖激振力為35 kN，碟簧組恢復(fù)力為400 kN。試驗(yàn)前鉆具組合為:?215.9 mm PDC×0.35 m+?172 mm螺桿鉆具×8.39 m+?210 mm欠尺寸扶正器×1.55 m+?165 mm浮閥×0.5 m+?165 mm無磁鉆鋌×8.82 m+MWD短節(jié)×2.08 m+?165 mm無磁鉆鋌×8.67 m+?127 mm加重鉆桿×168.77 m+?127 mm加重鉆桿×28.13 m+?127 mm鉆桿×若干。

在鉆井過程中，三開?215.9 mm井眼穩(wěn)斜段鉆進(jìn)，鉆至2 876 m時(shí)由于地質(zhì)因素增斜，需要定向作業(yè)，在井深2 875.01～2 876.80 m定向，滑動(dòng)鉆進(jìn)托壓值127.3 kN，托壓嚴(yán)重，通過不斷上提下放來調(diào)整工具面，無法進(jìn)行定向作業(yè)。同時(shí)由于托壓導(dǎo)致的鉆具滑脫釋放導(dǎo)致工具面不穩(wěn)定、蹩泵頻繁，定向期間需要頻繁活動(dòng)鉆具，影響定向作業(yè)，該井具有典型的托壓現(xiàn)象。

經(jīng)分析該井設(shè)計(jì)軌道滑動(dòng)鉆進(jìn)摩阻59.8 kN，實(shí)際軌跡滑動(dòng)鉆進(jìn)摩阻113.0 kN，因井眼軌道不光滑導(dǎo)致摩阻增大了53.2 kN。托壓前鉆壓70 kN，托壓時(shí)鉆壓120 kN，鉆柱整體摩阻增加了60 kN。經(jīng)計(jì)算安放位置范圍距離鉆頭46.09～2047.09 m，最佳安放位置在距離鉆頭172.67 m，實(shí)際安放位置在199.13 m。

試驗(yàn)鉆具組合:?215.9 mm PDC×0.35 m+?172 mm螺桿鉆具×8.39 m+?210 mm欠尺寸扶正器×1.55 m+?165 mm浮閥×0.5 m+?165 mm無磁鉆鋌×8.82 m+MWD短節(jié)×2.08 m+?165 mm無磁鉆鋌×8.67 m+?127 mm加重鉆桿×168.77 m+?178 mm水力振蕩器×6.04 m+?127 mm加重鉆桿×28.13 m+?127 mm鉆桿×若干。

2. 結(jié)果分析

在2 877～4 469 m的井段試驗(yàn)水力振蕩器，在井深2 876.80～2 881.61 m、3 213.31～3 219.99 m、3 348.85～3 355.47 m處分別定向，使用水力振蕩器一段時(shí)間后滑動(dòng)鉆進(jìn)平均鉆壓穩(wěn)定在50 kN，未出現(xiàn)托壓、鉆具滑脫釋放現(xiàn)象，滑動(dòng)期間基本不需要活動(dòng)鉆具，鉆頭位置較為穩(wěn)定。

通過水力振蕩器使用前后鉆頭位置對(duì)比分析，結(jié)果表明水力振蕩器降低了滑動(dòng)鉆進(jìn)托壓值、托壓釋放和工具面調(diào)整次數(shù)。主要由于水力振蕩器產(chǎn)生的軸向激振力克服了近鉆頭段摩阻，改善了鉆壓傳遞，提高了破巖效率，創(chuàng)造了良好的鉆具下放空間，保證了定向作業(yè)的連續(xù)性，使鉆具和井壁之間始終處于動(dòng)摩擦的狀態(tài)，從而有效緩解了托壓現(xiàn)象。

三、結(jié)論

(1)水力振蕩器安放位置要滿足起振條件，最佳安放位置應(yīng)能在起振范圍內(nèi)最大限度地克服近鉆頭摩阻。

(2)理論分析中三段式、雙增式軌道對(duì)應(yīng)的水力振蕩器最佳安放位置隨著井斜、井深的增大而增大，隨著造斜率的增大而減小。五段式對(duì)應(yīng)的最佳安放位置隨造斜率和井深的變化不明顯。

(3)試驗(yàn)中安放水力振蕩器能有效緩解托壓現(xiàn)象，減少了鉆具滑脫釋放，從而減少了定向過程中調(diào)整工具面的次數(shù)，使定向作業(yè)平穩(wěn)順暢。