基于黏滑振動機理研究的鉆頭自適應限位齒結構設計

賀振國 石李保，2 聶紅芳 孔璐琳 馮 劍 曲兆峰

（1.中國石油勘探開發研究院；2.中國石油大學（華東）石油工程學院；3. 中國石油國際勘探開發有限公司）

乍得某盆地基巖潛山地層主要由花崗巖構成，巖石研磨性強、可鉆性差，使用常規PDC鉆頭鉆進時，鉆速低，鉆遇復雜情況多，給油田開發帶來了嚴峻挑戰。研究發現，復雜難鉆地層常發生各類有害振動，其中黏滑振動是最常見且最嚴重的運動形式，是造成基巖潛山段鉆齒崩落、鉆柱斷裂的重要誘因。因此，亟待開展黏滑振動機理與工具設計研究。

Kyllingstad與Halsey最早提出了黏滑振動概念，建立了鉆柱系統扭擺模型，并推導出其運動方程[1]。最近10余年，國內外學者加強了對黏滑振動機理及對策的研究。祝效華等設計了扭轉沖擊鉆具，力求減弱、消除鉆頭黏滑振動，并開展了仿真分析與室內試驗[2]；Balley等通過采集黏滑振動發生時由地面至井底的數據信息分布及與鉆柱轉速的數值關系，提出了緩解黏滑振動的鉆井參數設計理論[3]；Li等基于兩自由度集中參數模型，采用HB-AFT與數值模擬，研究了鉆柱耦合扭轉—縱向非線性振動的周期響應，揭示了鉆頭彈跳和黏滑運動機理[4]；鄒德永等針對硅質白云巖地層中發生的黏滑振動，從鉆齒受力角度進行鉆頭齒形優選[5]；Han等以含矸煤層鉆進過程為研究對象，探討了鉆頭的角位移、角速度等[6]；Liu等針對高溫高壓井定向井段鉆柱軸向—側扭非線性耦合振動模型及黏滑特性開展了模擬研究，對擬制黏滑振動提出了技術對策[7]。……