邵冬冬,管志川,溫 欣,史玉才

(中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580)

水平旋轉(zhuǎn)鉆柱橫向振動(dòng)特性試驗(yàn)

邵冬冬,管志川,溫 欣,史玉才

(中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580)

利用水平井鉆柱動(dòng)力學(xué)特性模擬裝置,對(duì)不同鉆壓和轉(zhuǎn)速條件下水平旋轉(zhuǎn)鉆柱橫向振動(dòng)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明:鉆壓和轉(zhuǎn)速是影響水平井旋轉(zhuǎn)鉆柱橫向振動(dòng)特性的重要因素；隨著轉(zhuǎn)速增加,兩橫向振動(dòng)的頻率逐漸變大而相位差變小,兩橫向振動(dòng)頻率與鉆柱自轉(zhuǎn)頻率呈線性關(guān)系；鉆壓增大對(duì)兩橫向振動(dòng)頻率的影響不大,但兩橫向振動(dòng)的相位差會(huì)隨著鉆壓的增大而逐漸變小；實(shí)際鉆進(jìn)中,鉆柱一直處于井筒的右下部,轉(zhuǎn)速選取時(shí)應(yīng)盡量避開52.1 r/min。

鉆井；水平旋轉(zhuǎn)鉆柱；鉆壓；轉(zhuǎn)速；橫向振動(dòng)；試驗(yàn)

在鉆井過(guò)程中,鉆柱的橫向振動(dòng)對(duì)所鉆井眼軌跡和鉆柱的疲勞破壞都會(huì)產(chǎn)生非常大的影響。國(guó)內(nèi)外很多專家學(xué)者和鉆井工作者通過(guò)理論研究、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量以及室內(nèi)模擬試驗(yàn)的方式進(jìn)行了大量的鉆柱振動(dòng)規(guī)律方面的研究[1-10],其中對(duì)直井鉆柱振動(dòng)的研究較多,對(duì)水平井和大位移井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井水平段鉆柱振動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)都是基于直井底部鉆具組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上的理論研究[11],對(duì)水平段鉆柱運(yùn)動(dòng)規(guī)律和鉆柱橫向振動(dòng)特性沒有直觀的認(rèn)識(shí),而水平段鉆柱的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和振動(dòng)特性直接影響了鉆進(jìn)過(guò)程中井眼軌跡的控制、鉆具組合和鉆進(jìn)參數(shù)的選取。筆者通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn),對(duì)水平鉆柱旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過(guò)程中鉆柱的橫向振動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究。

1 模擬裝置與試驗(yàn)方案

水平井鉆柱動(dòng)力學(xué)特性模擬試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。利用該裝置可以實(shí)現(xiàn)水平旋轉(zhuǎn)鉆柱在不同鉆壓、轉(zhuǎn)速條件下的模擬試驗(yàn),并且可以直觀地觀察水平旋轉(zhuǎn)鉆柱在模擬井筒中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。模擬裝置可測(cè)得的數(shù)據(jù)包括鉆柱自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、底部鉆壓、橫向振動(dòng)位移、縱向振動(dòng)位移、鉆壓波動(dòng)和鉆頭處側(cè)向力。試驗(yàn)中用到的傳感器類型有:應(yīng)變式拉(壓)力傳感器2個(gè),用于測(cè)量井底實(shí)際鉆壓和人為施加的鉆壓；渦流位移傳感器4組,每組3個(gè),用于測(cè)量距模擬井底4個(gè)不同位置處(1、3.5、5.5、8 m)縱向振動(dòng)位移和X、Y兩橫向振動(dòng)位移。橫向振動(dòng)位移測(cè)量示意圖見圖2。

圖1 水平井鉆柱振動(dòng)模擬試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Sketch map of experimental simulation device of drilling string vibration in horizontal well

圖2 橫向振動(dòng)位移測(cè)量示意圖Fig.2 Sketch map of measuring lateral vibration displacement

根據(jù)相似理論[12-13],當(dāng)鉆壓和轉(zhuǎn)速關(guān)系符合式(1)時(shí),試驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象與鉆井工程實(shí)際相似,可以將試驗(yàn)得到的結(jié)論用于工程實(shí)際。

式中,Ωm為模型的轉(zhuǎn)速,r/min；Pm為模型鉆壓,kN； Ω為工程實(shí)際轉(zhuǎn)速,r/min；P為工程實(shí)際鉆壓,kN。

為了研究旋轉(zhuǎn)鉆柱在不同鉆壓和轉(zhuǎn)速條件下的橫向振動(dòng)規(guī)律,分別對(duì)距井底1、3.5、5.5、8 m處鉆柱振動(dòng)的橫向位移進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)通過(guò)固定鉆壓值、調(diào)整轉(zhuǎn)速的方式進(jìn)行。試驗(yàn)鉆壓和轉(zhuǎn)速及其對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 模型參數(shù)和實(shí)際參數(shù)Table 1 Model parameters and actual parameters

2 不同轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)鉆柱的橫向振動(dòng)

試驗(yàn)結(jié)果分析表明,所有測(cè)點(diǎn)處鉆柱的橫向振動(dòng)頻率的變化規(guī)律一致,并且位移的變化規(guī)律差別非常小,可看為近似一致。距離井底1 m處測(cè)點(diǎn)距離鉆頭最近,分析其頻率及位移變化規(guī)律對(duì)軌跡控制及鉆進(jìn)參數(shù)選取更具實(shí)際的指導(dǎo)意義。距井底1 m處,鉆壓值為0.5 kg,將分別調(diào)整轉(zhuǎn)速值所測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT),試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào),得到底部鉆具組合的橫向振動(dòng)頻率,對(duì)鉆柱的橫向振動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析。

2.1 橫向振動(dòng)頻率

鉆壓為0.5 kg時(shí),距井底1 m處鉆柱橫向振動(dòng)頻率與自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速之間的變化關(guān)系曲線如圖3所示。鉆柱自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速Ωsf與自轉(zhuǎn)頻率fsf之間的關(guān)系為

Ωsf=60fsf.

圖3 鉆柱橫向振動(dòng)頻率隨自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的變化Fig.3 Variation of lateral vibration frequency with drill string rotation speed

由圖3可以看出,當(dāng)轉(zhuǎn)速小于150 r/min時(shí),X方向與Y方向振動(dòng)的基頻相等,且隨著轉(zhuǎn)速的增加鉆柱橫向振動(dòng)頻率與鉆柱自轉(zhuǎn)頻率的比值逐漸變小并趨向于1,且都大于鉆柱的自轉(zhuǎn)頻率,兩者相差最大為0.2 Hz,鉆柱的橫向振動(dòng)頻率與鉆柱的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速近似符合線性關(guān)系；當(dāng)轉(zhuǎn)速大于150 r/min時(shí),兩橫向振動(dòng)的頻率出現(xiàn)分化,X方向基頻大于鉆柱自轉(zhuǎn)頻率,Y方向基頻小于鉆柱自轉(zhuǎn)頻率,兩者之間相差不大,鉆柱沿X方向的振動(dòng)比Y方向的振動(dòng)更為劇烈。

2.2 合運(yùn)動(dòng)軌跡

鉆柱X、Y兩橫向振動(dòng)位移的耦合疊加即為鉆柱中心在井筒中的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡。由文獻(xiàn)[14]和[15]可知,當(dāng)二分振動(dòng)的頻率和初相位符合一定關(guān)系時(shí),合運(yùn)動(dòng)的軌跡為閉合曲線,并且具有一定的周期性,這種圖形就是利薩如圖形。鉆壓為0.5 kg,不同轉(zhuǎn)速時(shí)的合運(yùn)動(dòng)軌跡曲線如圖4所示。圖4中,黑色圓圈代表井筒內(nèi)徑,圓圈內(nèi)實(shí)線為鉆柱在井眼中的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡,右側(cè)實(shí)線為鉆柱運(yùn)動(dòng)軌跡的放大圖。

由軌跡曲線可以看出:鉆柱一直在井眼的右下部擺動(dòng),不存在直井中的“渦動(dòng)”現(xiàn)象；當(dāng)鉆速較小(小于150 r/min)時(shí),運(yùn)動(dòng)的軌跡較規(guī)則,近似為圓形,此時(shí)X、Y二分振動(dòng)的頻率相等,這點(diǎn)可以從頻率分析得到驗(yàn)證；當(dāng)鉆速較大(大于150 r/min)時(shí),鉆柱的運(yùn)動(dòng)軌跡近似為“8”字形,符合利薩如圖形的特點(diǎn),此時(shí)兩個(gè)分振動(dòng)的頻率不相等,隨著轉(zhuǎn)速的增加,圖形變得較扁,兩個(gè)分振動(dòng)的相位差較小。

圖4 合運(yùn)動(dòng)軌跡曲線隨自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的變化Fig.4 Variation of closing movement trajectory with rotation speed

3 不同鉆壓下旋轉(zhuǎn)鉆柱的橫向振動(dòng)

不同鉆壓條件下,距井底1 m處的鉆柱橫向振動(dòng)頻率隨自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖5所示。合運(yùn)動(dòng)軌跡曲線如圖6所示。

由圖5、6分析可得:

(1)鉆壓1 kg。轉(zhuǎn)速小于150 r/min時(shí)X方向振動(dòng)基頻小于Y方向振動(dòng)基頻,兩者相差約0.25 Hz,合運(yùn)動(dòng)軌跡為“8”字形；轉(zhuǎn)速等于150 r/min時(shí)X方向振動(dòng)基頻與Y方向振動(dòng)基頻相等,且都為鉆柱的自轉(zhuǎn)頻率,合運(yùn)動(dòng)軌跡近似為圓形；轉(zhuǎn)速大于150 r/min時(shí)X方向振動(dòng)基頻大于Y方向振動(dòng)基頻,兩者相差不大,約等于鉆柱自轉(zhuǎn)頻率,合運(yùn)動(dòng)軌跡為“8”字形,但“8”字較扁,說(shuō)明兩者的相位差很小,合運(yùn)動(dòng)軌跡近似為一圓弧線,鉆柱做圓弧線擺動(dòng)。

圖5 不同鉆壓時(shí)鉆柱橫向振動(dòng)頻率變化曲線Fig.5 Curve of lateral vibration frequency under different weight on bit

圖6 不同鉆壓下合運(yùn)動(dòng)軌跡曲線Fig.6 Curve of closing movement trajectory under different weight on bit

(2)鉆壓1.5 kg。X方向振動(dòng)基頻與Y方向始終相等,隨著轉(zhuǎn)速的增加,兩者振動(dòng)基頻與鉆柱自轉(zhuǎn)頻率趨向相等；但合運(yùn)動(dòng)軌跡曲線變化較大,隨著轉(zhuǎn)速的增加,二分振動(dòng)的相位差逐漸變小,轉(zhuǎn)速大于200 r/min時(shí),合運(yùn)動(dòng)軌跡近似為圓弧線。

(3)鉆壓2.5 kg。轉(zhuǎn)速小于150 r/min時(shí)X方向振動(dòng)基頻小于Y方向振動(dòng)基頻,兩者之差最大為0.5 Hz,合運(yùn)動(dòng)軌跡為“8”字形,轉(zhuǎn)速大于150 r/min時(shí)X方向振動(dòng)基頻大于Y方向振動(dòng)基頻,兩者相差不大,且皆趨向于鉆柱自轉(zhuǎn)頻率；合運(yùn)動(dòng)軌跡皆為“8”字形,且“8”字都比較扁,說(shuō)明X、Y方向橫向振動(dòng)的相位角相差不大,合運(yùn)動(dòng)軌跡近似為圓弧線。

綜合以上分析,鉆柱自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速150 r/min為鉆柱橫向振動(dòng)的一個(gè)臨界點(diǎn)。在此轉(zhuǎn)速前后,X、Y方向橫向振動(dòng)的頻率以及兩橫向振動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)軌跡變化較大；鉆壓對(duì)鉆柱橫向振動(dòng)的影響很大,隨著鉆壓的增大,X、Y方向橫向振動(dòng)的頻率變化不大,但相位差逐漸變小,合運(yùn)動(dòng)軌跡“8”字形變扁。

4 結(jié) 論

(1)水平段鉆柱旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí),鉆柱在井眼的右下部擺動(dòng),不存在類似于直井中的“渦動(dòng)”現(xiàn)象。

(2)鉆柱兩橫向振動(dòng)頻率隨著轉(zhuǎn)速的增加逐漸增大,兩者之間呈線性關(guān)系。隨著轉(zhuǎn)速的增加,兩橫向振動(dòng)的頻率與鉆柱的自轉(zhuǎn)頻率趨于相等,兩個(gè)分振動(dòng)的相位差逐漸變小。

(3)隨著鉆壓的增加,兩橫向振動(dòng)的頻率變化不大,但其相位差逐漸變小,表現(xiàn)為兩橫向振動(dòng)的利薩如圖形即鉆柱的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡變化較大。

(4)水平旋轉(zhuǎn)鉆柱自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速150 r/min(對(duì)應(yīng)實(shí)際工程實(shí)際鉆柱轉(zhuǎn)速52.1 r/min)為鉆柱橫向振動(dòng)的一個(gè)臨界點(diǎn),此轉(zhuǎn)速前后,兩個(gè)分振動(dòng)的頻率和相位差變化較大,在實(shí)際鉆井過(guò)程中,為了有效控制井眼軌跡、合理選取鉆進(jìn)參數(shù),應(yīng)避開此轉(zhuǎn)速。

[1] 陳樂平.鉆柱橫向非線性振動(dòng)分析[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào),2010,8(2):138-142.

CHEN Le-ping.Analysis on transverse nonlinear vibration for drilling shafts[J].Chinese Journal of Construction Machinery,2010,8(2):138-142.

[2] 閆向宏,孫建孟,張美玲.鉆柱扭轉(zhuǎn)和縱向振動(dòng)的等效網(wǎng)絡(luò)分析[J].工程力學(xué),2011,28(2):229-233,245.

YAN Xiang-hong,SUN Jian-meng,ZHANG Mei-ling.A-nalysis of torsional and longitudinal vibration of drill string using equivalent network[J].Engineering Mechanics, 2011,28(2):229-233,245.

[3] 劉偉,周英操,王先國(guó).井下振動(dòng)技術(shù)研究[J].石油鉆探技術(shù),2010,38(6):42-47.

LIU Wei,ZHOU Ying-cao,WANG Xian-guo.Study on downhole vibration control technology[J].Petroleum Drilling Techniques,2010,38(6):42-47.

[4] 祝效華,劉清友,童華.三維井眼全井鉆柱系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型研究[J].石油學(xué)報(bào),2008,29(2):288-291,295. ZHU Xiao-hua,LIU Qing-you,TONG Hua.Research on dynamics model of full hole drilling-string system with three-dimensional trajectory[J].Acta Petrolei Sinica, 2008,29(2):288-291,295.

[5] GAO G H,STEFAN M.Dynamics buckling and snaking motion of rotating drilling pipe in a horizontal well[R]. SPE 113883,2008.

[6] 章?lián)P烈.鉆柱運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2001:30-89.

[7] 韓春杰,王瑛,閆鐵.水平井側(cè)鉆過(guò)程中鉆柱振動(dòng)規(guī)律的研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2010,10(21):5138-5140.

HAN Chun-jie,WAN Ying,YAN Tie.Analysis about drill string vibration of horizontal well during side-drilling [J].Science Technology and Engineering,2010,10 (21):5138-5140.

[8] 李之光.相似與模化[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 1982:16-35.

[9] 鄭明新.工程材料[M].北京:清華大學(xué)出版社,1991: 25-37

[10] 管志川,靳彥欣,王以法.直井底部鉆柱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究[J].石油學(xué)報(bào),2003,24(6):102-106. GUAN Zhi-chuan,JIN Yan-xin,WANG Yi-fa.Experimental research on motion behavior of bottom drill string in straight hole[J].Acta Petrolei Sinica,2003,24(6): 102-106.

[11] 黃本生,劉清友.水平井鉆柱動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展[J].特種油氣藏,2009,16(3):1-6.

HUANG Ben-sheng,LIU Qing-you.Research progress of drill string dynamics of horizontal well[J].Special Oil and Gas Reservoirs,2009,16(3):1-6.

[12] 史玉才,王軍,管志川.下部鉆柱渦動(dòng)機(jī)理及規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,32 (2):126-129.

SHI Yu-cai,WANG Jun,GUAN Zhi-chuan.Research on whirling mechanism of bottom drillstring and its rules by inner simulated experiments[J].Journal of Guangxi University(Natural Science Edition),2007,32(2): 126-129.

[13] 史玉才,苑燕燕,武春芳.應(yīng)用相似方法模擬研究底部鉆具組合的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,31(增刊):159-162.

SHI Yu-cai,YUAN Yan-yan,WU Chun-fang.Setting up a simulate device on motion behavior of bottom-hole assembly according to similitude principles[J].Journal of Guangxi University(Edition of Natural Science), 2006,31(sup):159-162.

[14] 屈維德.機(jī)械振動(dòng)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1992:9-10.

[15] 王文軍,張景生,楊瑞雪,等.兩個(gè)互相垂直的簡(jiǎn)諧振動(dòng)合成的幾個(gè)問題[J].聊城師院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 1997,10(4):40-43.

WANG Wen-jun,ZHANG Jing-sheng,YANG Rui-xue, et al.Several question about composition of two mutual vertical simple harmonic vibration[J].Journal of Liaocheng Teachers College(Edition of Natural Science), 1997,10(4):40-43.

(編輯 李志芬)

Experiment on lateral vibration characteristics of horizontal rotary drilling string

SHAO Dong-dong,GUAN Zhi-chuan,WEN Xin,SHI Yu-cai
(School of Petroleum Engineering in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

By using horizontal well drilling string simulation experiment device,experiments on lateral vibration characteristics of horizontal rotary drilling string were curried out under different weight on bit and rotary speed.The results show that the weight on bit and rotary speed are the main factors affecting the lateral vibration characteristics of the horizontal rotary drilling string.With the increase of the rotary speed,the two lateral vibration frequencies become large,and the phase difference between the two lateral vibrations becomes small.The relationship between two lateral vibration frequency and the drilling string rotation frequency is linear.The increase of weight on bit has little influence on the two lateral vibration frequencies,but the phase difference of the two lateral vibrations becomes small.In actual drilling,the drilling string is always in the low right part of the wellbore and the rotary speed 52.1 r/min should be avoided.

drilling；horizontal rotary drilling string；weight on bit；rotary speed；lateral vibration；experiment

TE 243

A

1673-5005(2013)04-0100-04

10.3969/j.issn.1673-5005.2013.04.015

2013-03-29

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2010CB226706)；國(guó)家高“863”計(jì)劃(2012AA091501)；“十二五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05021 -001)

邵冬冬(1984-),男,博士研究生,主要從事井下系統(tǒng)、信息與控制工程、油氣井管柱力學(xué)研究。E-mail:shddong2007@163. com。