井下鉆柱震動減阻理論與技術發展現狀

王海 王彪 錢程

摘要：隨著我國開采水平的提升，水平井、大斜度井已經被廣泛的應用在開采過程當中，鉆柱與井壁之間，由于摩擦阻力會大，會產生拖壓的現象，偶爾會產生無法施加轉速，影響機械轉速，甚至造成井下事故的現象。所以井下鉆柱震動減阻理論的發展以及技術的革新會朝著減少轉矩與井壁之間的摩擦阻力為方向進行發展。基于此，下文從井下鉆柱震動減阻理論的現狀分析入手，為其技術發展提供幾點思考。

關鍵詞：鉆柱震動;減阻理論;技術;現狀

模組問題目前是各種復雜的鉆井作業中最為凸顯的一種問題，它尤其是體現在滑動的鉆井過程當中會造成脫粘、粘阻非常嚴重，而且模組和大扭矩的存在會使得鉆柱發生曲轉，無法傳遞到鉆頭，延伸自動停止，鉆井工作很難推進下去，甚至會出現一些安全事故。所以在一定程度上，井下模組產生的原因是多元的，而且它帶來的危害是極大的。而對鉆柱震動減阻理論進行研究，無疑是為提高更好的鉆柱技術水平服務的，它對開采技術的革新有一定的推動作用。

1.井下鉆柱震動減阻理論的研究現狀

1.1鉆柱震動減阻原理

鉆柱震動減阻，主要是靠震動工具引起鉆柱的震動，從而改變柱受力的情況而改變摩擦力的類型，將靜摩擦力改為動摩擦力的過程，使動摩擦的系數小于靜摩擦的系數，會在一定程度上減少鉆柱所受到的阻力，從而提高震壓的傳遞效率，也就是提高了鉆柱的速度，進而為井眼長度延伸做了準備。鉆柱震動可以通過改變中受力的狀態，可以通過疊加的原理，使鉆柱所受到的震動疊加到鉆柱入井的速度當中，即改變注入井的平均速度。假設震動的變化是按正弦曲線的變化規律為基準的，就會得出一個鉆柱入井的速度和震動幅度值之間的一個函數關系。結合函數關系就可以推斷出，鉆柱彈性作用的運動方向、周期與震動部分的分量是相反的，它可以有效的將摩擦阻力減少。例如通過計算發現，如果入口的速度值達到1/2的時候摩擦力幾乎減少為原來的70%左右。通過這個原理就可以建立起入口速度和摩擦力之間的關系。這也是，鉆柱震動減阻研究的原始形式，它是假設摩擦力和運動速度無關的基礎之上的。

1.2鉆柱震動模型

井下鉆柱震動減阻理論的核心研究主要是鉆柱震動模型的研究。在最近幾年當中經常出現的模型有間隙元理論、分段計算方法、分析非線性有限元方法，其中間隙元理論是在2002年建立的，它主要適用于計算水平井的整體摩擦阻力的三維力學模型，它在一定程度上考慮到抗彎剛度和井傳以及井壁之間的初始間隙和隨機接觸的狀態。從三維空間的角度整體分析鉆柱和緊密的接觸力、摩擦力以及鉆柱軸線的分布規律。而分段計算法是2006年提出來的一種大位移摩阻扭矩力學分析新模型，它是在思路上的一種創新，采用的是分段模組，有據計算原則。而非線性有限元法是通過對于鉆柱大變形的非線性以及鉆柱和井壁之間接觸的非線性問題，提出來的力學模式，對短半徑水平井中的鉆柱受力進行非線性分析。

1.3材料震動與摩擦力的關系

而對于材料震動和摩擦力之間的研究，主要有以下三種觀點。第一種認為，震動激發了接觸面之間的法向震動，也就是由于受到超聲轉換器的激勵之后，摩擦材料之間會產生機械碰撞，那就會導致相互接觸的物體之間的真實接觸面積發生改變;而兩物體之間的接觸時間，也會因為震動時的連續接觸變為間接性接觸，由此接觸面積和接受時間均會減少，平均阻力也會減少。第二種觀點認為，震動改變了接觸面之間的方向，所以這種觀點認為，震動改變了接觸面之間的摩擦力方向，從而降低了一個震動周期內的平均摩擦力。而第三種觀點認為，震動讓摩擦接觸面之間更加的光滑。每一個物體的接觸表面都有一個震動的周期，那么他們也都有一個脫離的瞬間，這樣會使潤滑介質更好發揮作用。

2 井下鉆柱震動技術的發展

2.1未來減阻技術發展趨勢

未來減阻技術的發展，可能會朝著高分子聚合物的方向發展，這種現象稱為高聚物減阻。方法就是在液體當中加入適當的化學劑，稱之為減阻劑，簡稱D2A，減阻劑是一種分子量大于百萬以上的線性結構，柔性高分子聚合物。它不僅有很高的經濟價值，而且對于管道系統減少摩擦時可以大大的降低運行動力的消耗，對于石油的開采過程來說，它可以縮短碼頭的卸油時間，提高工作效率，尤其是目前隨著石油產量的開發，中大號管道更是需要通過注入減阻劑來減少管道和管井壁之間的摩擦阻力。而現在比較有前景的減阻技術，還有構槽法，柔性臂法，微氣泡法。構槽法是在物體的表面進行開一系列的橫向縱向的溝槽，來改變流動結構，以達到減阻的目的;而微氣泡法是，通過在物體表面制造一些氣泡來達到減阻、降噪的效果;柔性臂法是通過一層薄薄的彈性涂料或不滲透的薄膜，來達到減阻的效果。

2.2 發展策略

為了減少井下鉆柱震動主力可以對于水平井和大位移井，使用一些震動減阻技術，利用鉆井當中的熱能使鉆柱震動增加從而增加轉速，有效的降低成本還能夠得到廣泛的應用。其次，對于一些目前被成功設計并運用到實際生活當中的一些震動減阻工具，可以為我國研究人員作震動工具設計的參考，這樣能夠有效的避免一些明確不合理的設計，也可以節約設計的周期，降低設計試驗的成本。在一些油田的開采過程當中，可以大量的使用大位移井和水平井，這樣能夠提高開采的效率，降低開采過程當中的消耗。雖然這些井都會存在摩擦力較大的問題，但是可以通過有效的設計減阻技術，以滿足需求。

結束語

簡而言之，水平井以及斜坡井的開采已經被廣泛的應用，而如何減少井壁之間的摩擦力問題，已經成了降低開采成本，提高開采效率的主要途徑，可以通過提高機械轉速以及鉆井的效率來減少阻力問題。但就目前來看，工作人員的經驗和輸入工具的局限性無法達到減阻效果的最佳，從而影響工作，也影響鉆井的轉速和轉矩效率，并且會帶來一定的工作風險。所以，應該廣泛的吸收國外相關技術，通過一定的模型和理論來探究減阻模型，革新減阻技術，讓鉆柱的摩擦阻力以及拖延問題能夠得到有效的解決，從而提高鉆井的速度和效率。

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