濾波穩定器適用性分析及試驗評價

摘" " 要：鉆井過程中鉆具的劇烈振動易引發MWD、LWD等精密儀器失效、鉆頭早期受損、鉆具疲勞斷裂等事故。重點分析深井、超深井井下工具振動影響因素，將安裝濾波穩定器作為抑制鉆柱振動沖擊的主要措施，利用濾波穩定器核心組件彈性位移變化，實現鉆柱軸向振動能量的吸收和釋放，建立力學模型優選其安裝位置，以便削減和過濾底部鉆具組合的軸向和周向振動。現場井段應用濾波穩定器后的效果明顯，保證了儀器信號的穩定傳輸、鉆壓和扭矩的有效傳遞，有效降低了鉆柱黏滑效應，延長了鉆頭壽命，提高了機械鉆速。

關鍵詞：深井；超深井；濾波穩定器

Applicability analysis and test evaluation of filter stabilizer

DENG Xiaodong， LI Ming

Drilling Branch of CNPC Offshore Engineering Company Limited， Tianjin 300451， China

Abstract：Severe vibration of drilling string during operation is likely to cause accidents including precision instrument （such as MWD and LWD） failure， early damage of drill bit， and drill string fatigue fracture. In this study， factors influencing downhole tool vibration in the deep and ultradeep well are analyzed， and the filter stabilizer is installed as the main measure to deal with drilling string vibration. Elastic displacement of core components in the filter stabilizer is utilized for axial vibration energy absorption and release of the drilling string. A mechanical model is built to select the installment location for the reduction and filtering of axial and circumferential vibration caused by bottom hole assembly. Obvious improvement is achieved after the application of filter stabilizer in field well sections， assuring stable transmission of instrument signals， and effective transfer of bit weight and torque. Besides， the stick-slip phenomenon of drill string can be reduced effectively， increasing drilling bit life and penetration rate.

Keywords：deep well; ultradeep well; filter stabilizer

1" " 井下工具振動影響因素分析

深井、超深井鉆井技術面臨高溫高壓和復雜地質環境聯合作用，同時由于地層非均質性、鉆頭切削破巖、鉆柱與井壁相互碰撞等原因使得鉆柱及井下工具產生各種振動，主要振動形式有縱向振動、扭轉振動、橫向振動和黏滑振動[1]等，如圖1所示。

1.1" " 縱向振動

縱向振動是指鉆柱沿其軸向的伸縮運動[1]。當外界的周期干擾力與鉆柱的軸向固有頻率相同時，鉆柱發生共振，出現劇烈跳鉆。縱向振動使鉆頭受到沖擊載荷的作用，影響鉆頭使用壽命；鉆柱內的交變應力和振幅相當大，導致鉆柱斷裂或黏扣。研究鉆柱的縱向振動對鉆柱設計、減振器設計和轉速選擇有重要的指導意義。

1.2" " 扭轉振動

扭轉振動是指鉆柱繞其中心線的旋轉運動。該種振動產生的原因是鉆頭間歇破碎巖石時所產生的變化轉速[1]。扭矩波動使鉆柱產生繞自身軸線的旋轉波動，以彈性波的形式通過鉆柱向地面傳播，到達地面后再沿鉆柱向鉆頭回傳。

1.3" " 橫向振動

橫向振動是指鉆柱中心偏離井眼中心的振動。橫向振動類型主要包括：屈曲、鉆頭與地層相互作用引起底部鉆具組合的橫向振動；鉆桿接頭與井壁的相互作用使鉆柱產生的不規則橫向振動。

1.4" " 黏滑振動

當鉆柱長度過長時扭轉剛度便會降低，加上井下摩阻扭矩大，使鉆柱在井下轉動變得非常困難，從而產生黏滯-滑動現象，這種現象又稱作黏滑振動[2]。鉆井過程中，黏滑振動是引起鉆頭和鉆具組合失效破壞的重要原因，其本質為自激產生的強烈扭轉振動。對于深井、超深井，由于鉆柱長徑比很大，扭轉剛度較低，而且鉆柱與井壁的摩阻比較大，這使得鉆柱在井下的運動特征十分復雜，其中之一就是黏滯-滑動現象，即黏滑振動。鉆柱的黏滑振動包括黏滯和滑脫2個階段，而鉆柱與井壁、鉆頭與巖石間的摩擦是引起黏滑振動的直接原因。鉆柱發生黏滑振動時，鉆頭的瞬時轉速可以達到地面轉速的2倍以上，高速轉動的鉆頭與井底巖石或井壁發生強烈的撞擊，會加速其磨損，同時劇烈的周期性交變應力也將導致井下鉆具過早疲勞失效。此外，黏滑振動過程中井下鉆柱的扭矩通常波動較大，不僅會大幅度降低鉆井效率，也會威脅到鉆井安全，甚至可能達到鉆桿接頭絲扣的極限扭矩而導致鉆具斷裂。

2" " 鉆柱振動沖擊抑制技術

隨著井深增加和特殊工藝技術的廣泛應用，鉆柱振動與沖擊帶來的動力失效越來越嚴重，目前已有多種控制措施。

2.1" " 防止諧振

防止鉆柱諧振是鉆柱被動控制中最早和最常用的方法[3]。主要通過優選鉆井參數和改變鉆柱結構避開共振頻率。

2.2" " 改變能量分布

通過在鉆柱上連接優化鉆頭、劃眼器及穩定器改變能量輸入和分布[3]。鉆頭改變了軸向輸入力大小和形式，穩定器和劃眼器改變了鉆柱側向接觸，包括鉆柱與井壁之間的距離及接觸力。

2.3" " 安裝減震工具平衡或消耗振動能量

安裝減震工具是控制鉆具振動最有效的措施。

3" " 濾波穩定器

3.1" " 濾波穩定器結構

濾波穩定器主要由上下接頭、彈性總成、傳動總成三部分組成，如圖2所示。

3.2" " 濾波穩定器作用

濾波穩定器是一款獨特的鉆井穩定工具，通過穩定模塊削減和過濾底部鉆具組合的軸向和周向振動。在深井、定向段或水平段施工中，穩定模塊可以實現鉆柱軸向和周向振動的能量吸收和釋放，同時吸收鉆頭因為黏滑效應而產生的反扭矩，以及因地層軟硬交錯產生的反向沖擊，在實現鉆壓和扭矩連續有效傳遞的同時，可以減少下部鉆具組合的有害振動，避開或減輕儀器信號傳輸頻段的干擾，從而保證儀器的正常工作和信號的穩定傳輸。

3.3" " 濾波穩定器工作原理

在上部鉆具和下部鉆具擠壓作用下，濾波穩定器的彈性部件通過彈性壓縮吸收多余的軸向能量，隨著鉆頭位置的下移，彈性位移達到限值，轉換為彈性推力釋放到下部鉆具。鉆柱的軸向振動增大時，核心組件位移幅度增大，從而增加能量的吸收和釋放幅度；鉆柱軸向振動減小時，核心組件位移幅度減小。

3.4" " 濾波穩定器適用性

濾波穩定器的核心組件可以針對不同的鉆井工況進行靈活配置，從而改變軸向能量吸收和釋放的限值，特有的過流通道使工具的壓力損耗可以控制在0.5 MPa以內，不會受到泥漿、鉆壓和轉速等參數的影響。其獨特的工作原理可有效減少鉆柱振動和扭矩波動，工具結構簡潔安全，有效工作載荷高，抗溫性、安全性較高，可保證在井底連續作業時間達到600 h以上和抗220 ℃高溫，十分適合深井、超深井施工。

4" " 濾波穩定器安裝位置優選

4.1" " 整體鉆柱縱向振動分析的力學模型

該模型（如圖3所示）中鉆桿和鉆鋌長度可以任意變化，濾波穩定器的安放位置不受限制，同時做如下假設[4-5]。

1）井眼軸線為一條直線，工程中的鉆柱不是理想的直井，但井斜角較小，因此忽略。

2）角速度與鉆柱旋轉角度相關，縱振頻率是周向圓頻率的三分之一。

3）考慮整體鉆柱阻尼作用。

M1～M2為鉆頭和頂部懸掛系統質量；L1～L4為鉆鋌上、下部及加重鉆桿、鉆桿的長度；F1～F3為各部分截面積；K1～K2為減震工具和懸掛系統綜合剛度；C為減震工具阻尼系數，C1～C6為各段長度等效阻尼系數，其中C1 = C2 = C；m1～m7為各均布離散點等效質量；I1～I7為各質量點間的距離，其中I2為減震工具的長度（忽略）；K1～K7為各部分等效剛度，其中K2 = K1 = K7

該數學模型可較真實地反映鉆柱縱向振動，對鉆柱結構沒有人為的加以限制和假設，所以能夠方便、準確地模擬出減震工具在鉆柱中的最佳安放位置。

4.2" " 鉆柱縱向振動模型計算方法

根據力學方程

[MX+CX+KX=F]" （ 1 ）

其中（由底端至頂端依次排列）：

[M=m1" " 0" " "0" " "0" " "0" " "0" " " 00" " "m2" " 0" " "0" " "0" " "0" " " 00" " " 0" " "m3" " 0" " "0" " "0" " "00" " " 0" " "0" " "m4" " 0" " "0" " "00" " " 0" " "0" " "0" " m5" " "0" " "00" " " 0" " "0" " 0" " "0" " "m6" " "00" " " 0" " "0" " "0" " "0" " "0" " " m7" "]

[X=x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7T=A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7T.cosωt]

[K-Mω2nX=0]" （ 2 ）

求出[ω21]，[ω22]，…[ω27]。

由[ω21→]相應特征向量，且令[A1=1]，即：

[1" A21A31A41A51A61A71T=u1]

同理，依次可求得[u2]，[u3]，…[u7]。

然后令[u=（u1，…u7）]，[F=F0 0 0 0 0 0 0T?]

[cosωt]。

則式（1）可變化成：

[uTMuy+uTCuy+uTKuy=uTF] （ 3 ）

[yn=F0Kn（1-r2n）2+（2εnrn）2]" （ 4 ）

其中：

[Kn=diag（uTCu）]

[rn=ω/ωn]

[2εnrn=Cnω/Mnω2n]

[Cn=diag（uTMu）]

[Mn=diag（uTMuy）]

令[F0=1]（單位力），由此求得[y1，…y7]。

[x=uy]求得[x]為[y1，…y7]的線性組合。

4.3" " 濾波穩定器安裝位置優選

通過上述數學模型，由計算機模擬分析得出：在同一井深下，隨著轉速的提高，濾波穩定器最佳安放位置趨向于近鉆頭位置，且多集中在距鉆頭9～18 m之間。

5" " 濾波穩定器現場應用及評價

5.1" " GT1井三開?311.1 mm井段主要鉆井難點

1）地層傾角39°，穩斜困難，井斜增長快。

2）溫度梯度3.3 ℃/m，最高孔隙壓力系數約為1.57，該井預測最高地層溫度204 ℃，最高地層壓力約82 MPa，高溫、高壓對鉆井液和井下工具要求極高。

3）三開設計中完井深5 360 m，地層埋藏深，壓實效應顯著，下部沙河街泥巖致密，硬度高，鉆頭磨損較快，鉆時慢。

4）井深，裸眼井段長，定向時托壓嚴重，定向困難。

5）鉆柱受高溫高壓地質環境影響，同時受軸向振動、縱向振動、扭轉振動等振動影響，受力復雜，鉆柱易產生疲勞破壞發生鉆具事故；鉆頭易因沖擊振動提前損壞造成機械鉆速低；MWD儀器因振動造成信號丟失。

5.2" nbsp; 現場應用情況

GT1井三開鉆進至井深4 778 m，機械鉆速偏慢，且鉆柱黏滑現象嚴重，改變鉆井液性能和鉆井參數后效果不明顯，決定起鉆后下入濾波穩定器鉆進，鉆進至4 963 m因井眼軌跡控制困難，起鉆更換旋轉導向鉆具調整軌跡。

5.2.1" " 選用的濾波穩定器技術參數

三開?311.1 mm井眼選用的濾波穩定器技術參數見表1。

5.2.2" " 鉆具組合

通過鉆柱縱向振動分析模擬計算，同時考慮MWD儀器及震擊器位置，本次作業將濾波穩定器安放在距離鉆頭11.34 m的位置。

帶濾波穩定器：?311.1 mm鉆頭+?244.5 mm馬達+631 × 630浮閥+?306 mm扶正器+?203 mm濾波穩定器+?203 mm無磁鉆鋌×1根 +?203 mm MWD短節+?203 mm無磁鉆鋌×1根+?203 mm捕球短節+?203 mm循環堵漏接頭+631 × 520接頭+?139.7 mm加重鉆桿 × 12根+521 × 630接頭+?203 mm隨鉆震擊器+631 × 520接頭+?139.7 mm加重鉆桿×5根+?139.7 mm鉆桿。

旋轉導向（不帶濾波穩定器）：?311.1 mm鉆頭+PD 900 Orbit + ?244 mm旋導直馬達+631 × 630浮閥+?203 mm無磁鉆鋌×1根+ TeleScope 825 HF +?203 mm無磁鉆鋌×1根+?308 mm扶正器+?203 mm捕球短節 +?203 mm循環堵漏閥+?203 mm鉆鋌 × 1根+631 × 520接頭+?177.8 mm鉆鋌×3根+?139.7 mm加重鉆桿×6根+521 × 630接頭+?203 mm震擊器+631 × 520接頭+?139.7 mm加重鉆桿×11根+?139.7 mm鉆桿。

5.2.3" " 鉆井施工參數

濾波穩定器鉆井與旋導鉆進施工參數如表2所示。

5.2.4" " 地質情況

地層：沙三段；巖性：深灰色泥巖、淺灰色粉砂巖、灰色泥質粉砂巖、淺灰色含礫細砂巖。

5.2.5" " 應用效果分析

1）采用濾波穩定器后平均機械鉆速2.70 m/h，較旋轉導向鉆進的平均機械鉆速（2.20 m/h）快22.73%，見表3。

2）鉆具組合中加入濾波穩定器后有效保護了鉆頭，減少強振動對PDC鉆頭復合片的沖擊，有效傳遞鉆壓，鉆頭磨損程度減少20%（見表4），如圖4、圖5所示。

3）加入濾波穩定器的鉆具組合鉆進過程因憋泵、憋扭現象導致活動鉆具次數由111.76次/100 m降至38.9次/100 m，即每100 m活動次數降低287.3%（見表5），如圖6、圖7所示。

4）鉆具中使用濾波穩定器，扭矩波動幅度低，MWD儀器工作及信號傳輸穩定；旋導鉆具組合中未使用濾波穩定器，鉆進過程中Stickslip值（黏滑系數）為3～351，如圖8所示，黏滑現象嚴重，儀器存在信號不穩定、解碼困難的現象。

5.2.6" " 小結

鉆具組合中加入濾波穩定器后，鉆壓扭矩有效連續傳遞，減少了由于鉆柱彎曲引起的鉆柱振動，定向井儀器信號連續、穩定；濾波穩定器有效降低鉆柱黏滑效應、提高機械鉆速和延長鉆頭壽命，與旋轉導向鉆進相比，扭矩減小25%、活動鉆具頻率降低287.3%、機械鉆速提高22.73%、鉆頭磨損減少20%。

6" " 結論

1）濾波穩定器可減少由于鉆具振動引起的潛在風險，實現儀器信號穩定傳輸；實現鉆壓和扭矩的有效傳遞，降低因憋泵、憋扭現象導致的活動鉆具次數，提高鉆井時效。

2）建議在深井、超深井根據地層情況合理應用濾波穩定器。

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作者簡介：

鄧小東（1986—），男，四川岳池人，工程師，2008年畢業于西南石油大學石油工程專業，目前主要從事鉆井工作。

Email：dengxd.cpoe@cnpc.com.cn

編輯：王" " 巍