下部鉆柱扭擺運動的力學特性實驗研究*

易先中,楊澤紅,馬蘇南,陳 輝,3,賀東旭,4,喬少峰,易 軍

(1.長江大學 機械工程學院,湖北 荊州 434023;2.湖北省智能油氣鉆釆裝備企校聯合創新中心,湖北 荊州 434000;3.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司孤島采油廠,山東 東營 257200;4.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司樁西采油廠,山東 東營 257237)

0 引言

目前,國外一些油服公司,貝克休斯、威德福、斯倫貝謝、哈里伯頓等在美國能源部以及國際鉆井協會的資金支持下,基于扭矩控制原理,以鉆柱系統左右扭擺力學模型為基礎,開發出扭擺控制系統,有效解決滑動鉆井過程中存在的工具面快速定向和托壓卡鉆的問題[1-2]。國內對滑動鉆井技術中引入扭擺運動的研究還處于探索階段,相關理論基礎和現場試驗材料較少,但是已經取得一些階段性進展。易先中等提出鉆柱扭擺滑動鉆井技術的研究重點是分析鉆柱扭擺運動和鉆柱與井壁之間的相互作用規律[3]。李智鵬等從減阻機理分析,研究靜摩擦轉化成滑動摩擦的方法以及扭擺扭矩控制機理,同時結合頂驅扭擺減阻控制系統,在此基礎上,研發一種扭矩控制系統[4]。武廣媛等提出一種通過彎角馬達控制辦法,實現工具面自動控制的鉆井系統,開展相關室內試驗,初步研制成功[5]。徐文等開發出頂部驅動和井下動力鉆具聯合控制的滑動鉆井導向控制技術[6]。李乾、汪興明等從摩阻扭矩計算模型出發,考慮了扭擺減阻工藝實施流程、有限剛體假設和Stribeck摩擦模型的鉆柱模型,制定了扭擺減阻過程摩阻扭矩計算軟件[7]。為了完善鉆柱扭擺三維力學模型,譚天一考慮溫度對摩阻扭矩計算的影響,建立了考慮溫度影響的扭擺減阻力學模型[8]。白璟等結合鉆柱與井壁間滑動摩擦的特點,分析扭擺過程對上部鉆柱系統和螺桿鉆具反扭矩載荷傳遞的影響,并且得出鉆速較低時鉆柱扭擺條件下鉆壓的傳遞更平穩的結論[9]。雖然國內針對扭擺減阻技術取得一些階段性進展,但對滑動鉆井作業中的扭擺減阻的影響因素缺乏理論知識,扭擺效果參差不齊,導致扭擺減阻不能在安全的前提下發揮最佳效果。本文通過相似參數搭建扭擺運動鉆柱力學特性試驗平臺,研究了扭擺作用對載荷傳遞的影響、扭擺角度(±229°、±458°、±688°)對載荷傳遞的影響、扭擺速度(±20 r/min、±40 r/min、±60 r/min)對載荷傳遞的影響,為研究滑動鉆井扭擺減阻技術提供參考。

1 鉆柱扭擺試驗相似參數推導

相似模擬試驗前需要借助量綱分析法,推導扭擺運動鉆柱力學試驗的相似參數,將函數表達式無因次化,得到各試驗參數的等效數值。相似理論是試驗平臺搭建的重要組成部分,在試驗前進行相似參數的推導,是搭建試驗平臺與現場應用對比的基礎,地面端采用伺服電機驅動,鉆柱與井筒采用空心圓筒,忽略鉆井液的影響,下部通過伺服電機提供扭矩,通過合理簡化,將物理原型按照比例縮小,搭建扭擺作用下鉆柱力學特性分析試驗平臺。改變變化參數(扭擺角度、扭擺速度),測試鉆柱力學載荷傳遞的分布規律。扭擺運動下鉆柱力學特性分析試驗平臺的相關物理量及因次如表1。

表1 水平段鉆柱相關物理量及因次

將表1中所含有的物理量寫成一般函數關系式:

f=(l,m,ρ,F,I,Ω)=0

(1)

式(1)中含有三個物理量因次[L]、[M]、[T],其中l、E、ρ作為基本量,其因次表達式為:

[l]=[L-1M0T0]

[E]=[L-1M1T-2]

(2)

[ρ]=[L-3M1T0]

量綱分析法通過l、E、ρ這三個基本量,表示其他三個物理量Ω、Ip、F,表達式如式(3)所示:

(3)

通過相似參數的推導,如公式3所示,建立現場實際工況與室內模擬實驗之間的相似依據,通過式(4)可以求得鉆柱原型與實驗模擬鉆桿對應物理量之間的相似比例。

(4)

式中:nl為鉆柱原型與實驗模擬鉆柱的幾何比;nE為鉆柱原型材料與實驗模擬鉆柱材料的彈性模量比;nρ為鉆柱材料與實驗模擬鉆柱材料的密度比;nF為鉆柱原型與實驗模擬鉆柱的對應載荷之比;nΩ為鉆柱原型與實驗模擬鉆柱的轉速比;nP為鉆柱原型與實驗模擬鉆柱的鉆壓比。

在現場試驗過程中,為了減小鉆柱力學特性的誤差,對現場參數按照相似參數進行縮小,以保證鉆柱的力學特性不受影響。在試驗過程中按照相似原理設計與現場相近似的物理模型,通過傳感器等記錄儀器記錄模型力學參數變化及其影響因素。通過量綱分析法相似理論,推導出鉆柱扭擺試驗的相似參數,現場參數與試驗參數之間的相似比例如表2所示。

表2 鉆柱現場參數與試驗參數

2 鉆柱扭擺試驗裝置設計

地面扭擺鉆柱力學特性試驗平臺是通過ABB變頻器控制頂部電機正反旋轉,電機通過減阻機與轉盤相連帶動轉盤運轉,轉盤與下部鉆柱系統相連接,帶動鉆柱系統正反旋轉。在鉆柱系統旋轉過程中,井筒為鉆柱系統提供支撐力,同時下部電機提高反扭矩,等效替代井下鉆柱系統摩阻。井筒設置石英砂材料模擬鉆井摩阻。下部電機通過蝸輪蝸桿試驗裝置,為鉆柱系統提供鉆壓,如圖1所示,圖中為鉆柱扭擺試驗主要裝置及零部件,省略部分傳感器等測量裝置。

圖1 鉆柱扭轉擺動的試驗平臺

2.1 整體試驗臺架

鉆柱扭擺整體試驗臺架整體采用鋼結構,通過45號鋼焊接而成,并配有安全扶梯。為了保證試驗人員安全,所有電機控制器、變壓器、空氣開關均放置在配電箱中。鉆柱扭擺整體試驗臺架分成三部分:地面電機試驗部分、底部電機試驗部分、井筒固定試驗部分。整體試驗臺架共計長5 m,高2.5 m,兩組電機均使用380 V電源輸入。

2.2 鉆柱-井筒模擬系統

鉆柱-井筒模擬系統中,試驗鉆柱選用長度4.385 m,直徑6 mm的低密度聚乙烯圓管,試驗井筒分成三段,豎直段2.643 m、造斜段0.469 m、水平段1.273 m,總長度為4.385 m,試驗井筒為透明有機玻璃管,直徑為30 mm。試驗過程中,鉆柱放置在井筒內部,長度和鉆柱系統保持一致。井筒通過固定夾具固定在試驗臺架上,井筒選擇透明的有機玻璃圓管,鉆柱兩端設置轉動標記,有助于觀察試驗過程中鉆柱系統的運動情況和變化規律。

轉盤扭矩控制系統可以控制電機的正反運轉、扭矩和轉速大小,同時可以采集、顯示、存儲、輸出信號,如圖2所示。參數輸入模塊可以控制電機正反旋轉,實現鉆柱扭轉擺動的周期性運轉。電機控制模塊負責交流通訊以及電機急停設置,保證試驗安全。輸出界面包括兩部分:扭矩和電流輸出曲線;工作頻率、電機電流、電機扭矩和電機功率的實時顯示。同時,轉盤扭矩控制系統還能控制地面端的旋轉伺服電機,控制鉆桿的轉動角度和轉動速度,正反旋轉的圈數可根據需求任意調整,不足一圈可用角度實現其功能。試驗過程中,電機控制轉盤周期性運動,然后帶動地面鉆柱系統往復扭轉擺動,反饋得到井底鉆壓和下部轉角值。

圖2 轉盤扭矩控制系統

圖3 臺架ASDA-A2控制系統

3 試驗結果分析

3.1 滑動鉆井過程載荷傳遞

為了對比常規滑動鉆進過程與扭擺鉆進過程的鉆壓變化情況,首先通過試驗臺架模擬常規滑動鉆進過程,在滑動鉆進過程中,整個鉆柱向下滑動,鉆柱不旋轉,部分鉆柱緊貼井壁,摩阻較大,鉆壓變化曲線如圖4所示。

圖4 鉆壓變化曲線

通過觀察鉆壓變化曲線,鉆壓隨著時間變化呈現階躍性變化現象,鉆壓變化不平穩。試驗結果表明,常規滑動鉆進過程中,摩阻過大,粘滑卡鉆現象嚴重。鉆壓波動較大,鉆井過程不穩定。鉆柱系統存在粘滑振動,有較為明顯的鉆頭粘滯現象,鉆井成本增高,不利于鉆井效率。

3.2 扭擺角度對載荷傳遞的影響

在滑動鉆進過程中,鉆柱雙向扭擺鉆井,可以起到降摩減阻作用,提高鉆井效率。但是扭擺鉆井也會造成工具面的波動,影響井眼軌跡。為了分析扭擺角度對載荷傳遞的影響,對鉆柱頂部施加扭轉角度為±229°、±458°、±688°,設定初始鉆壓為50 N,鉆壓變化曲線如圖5所示。

圖5 不同扭轉角度作用下鉆壓變化

當地面扭擺角度為±229°時,鉆壓變化曲線呈現周期性跳動,不能解決鉆柱單元彈性力和摩擦力的耦合作用下出現的粘滑振動現象。當扭擺角度增加±688°時,鉆壓運轉保持平穩,波動較小,有利于扭擺減阻過程中保持工具面的穩定。實驗結果表明,扭擺角度過小,送鉆過程不穩定,不利于井底破巖鉆進,在扭擺過程中適當增加扭擺角度,在減小摩阻的同時,可以保持鉆壓穩定,更有利于鉆井效率。

3.3 扭擺速度對載荷傳遞的影響

扭擺速度同樣是扭擺作用下載荷影響傳遞的因素,為了研究不同扭擺速度對載荷傳遞的作用規律以及扭擺減阻的效果,與數值分析結果相對比,地面電機對上部鉆柱系統施加三種不同扭擺速度(±20 r/min、±40 r/min、±60 r/min),井底鉆壓變化曲線如圖6所示。觀察井底鉆壓變化曲線,鉆壓的變化表示工具面的波動以及載荷傳遞情況,鉆壓曲線平穩,說明地面減阻效果較好,在一定程度上抑制了粘滑現象,工具面波動范圍較小。

圖6 不同扭轉速度作用下鉆壓變化

設置滑動鉆進過程中扭擺速度為±20 r/min、±40 r/min、±60 r/min,通過井底鉆壓變化曲線發現,當扭轉速度為±20 r/min時,鉆壓波動比較劇烈,地面扭擺減阻效果差。當扭轉速度為±40 r/min時,鉆壓在運轉一段時間后保持平穩,此時地面扭擺減阻效果較好,工具面波動范圍較小。當扭轉速度為±60 r/min時,鉆柱在井筒內轉動比較劇烈,甚至帶動井下工具面的轉動,扭擺減阻效果差,為了鉆柱系統的使用,應該避免這種情況發生。實驗結果表明,隨著扭擺速度的增加,鉆壓的變化變得更加平滑,鉆柱系統鉆進過程更加穩定,粘滑振動更少。適當增加鉆柱扭擺速度,可以起到扭擺減阻效果,同時保持工具面穩定,但是應該避免扭擺速度過大導致扭擺作用傳遞到井下波動工具面。

4 結論

1)首先通過量綱分析法推導鉆柱扭擺試驗的相似參數,通過相似參數搭建扭擺運動鉆柱力學特性試驗平臺,該試驗平臺包括四大系統:驅動系統、鉆柱-井筒模擬系統(井筒內徑30 mm,長4.385 m,鉆柱外徑6 mm,內徑4 mm,長4.385 m)、數據測量系統、試驗控制系統。

2)為了研究鉆柱扭轉規律,設計了試驗測試流程,通過試驗分析了地面扭矩傳遞范圍、反扭矩作用范圍,以及扭擺作用對載荷傳遞的影響、扭擺角度(±229°、±458°、±688°)對載荷傳遞的影響、扭擺速度(±20 r/min、±40 r/min、±60 r/min)對載荷傳遞的影響。試驗平臺測試結果表明,適當增加扭擺角度和扭擺速度有利于鉆壓平穩,保持工具面穩定。