范永濤， 高德利， 張 輝， 房 軍

(石油工程教育部重點實驗室(中國石油大學(北京))，北京 102249)

?鉆井完井?

底部鉆具組合力學特性模擬試驗研究

范永濤， 高德利， 張 輝， 房 軍

(石油工程教育部重點實驗室(中國石油大學(北京))，北京 102249)

底部鉆具組合(BHA)的力學特性直接影響井身質(zhì)量、鉆井安全與鉆速，因此，需要從理論和試驗2個方面去研究BHA的力學特性，然而目前試驗方面的研究很少。根據(jù)相似理論，利用底部鉆柱力學裝置，模擬研究了鉆壓和轉(zhuǎn)速對井斜力、方位力、鉆頭合側(cè)向力及其方向角的影響規(guī)律。結(jié)果表明：合側(cè)向力隨鉆壓的增大而增大，轉(zhuǎn)速對合側(cè)向力的影響較??；隨鉆壓增大，井斜力增大，轉(zhuǎn)速越大，井斜力越大；方位力隨鉆壓增大而增大，轉(zhuǎn)速對方位力的影響較??；合側(cè)向力方向角隨鉆壓增大而減小，隨轉(zhuǎn)速增大而增大。研究結(jié)果可為井斜控制機理研究和防斜打快提供理論依據(jù)。

鉆具組合 相似理論 鉆柱力學 井斜控制 模擬試驗

要在易斜地層實現(xiàn)防斜打快，就需要了解防斜打快的機理[1]，而要了解防斜打快機理，就要掌握底部鉆具組合(bottom hole assembly，BHA)的動力學特性。國內(nèi)外許多學者通過建立理想模型對BHA力學問題進行了理論計算，并取得了很多成果[2-6]，但僅從理論角度分析BHA力學特性不夠全面。國外對BHA力學特性進行了井下實測[7]，取得了一定進展，但現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)有限，不能充分反映底部鉆具的力學特性，并且現(xiàn)場實測存在難度大、測試費用高等問題。因此，室內(nèi)模擬試驗已成為研究BHA力學特性的重要手段[8]。J.D.Macpherson等人[9]在鉆頭上部和轉(zhuǎn)盤上部的測試短節(jié)內(nèi)安裝傳感器進行地面測量，結(jié)合建立的鉆柱動態(tài)模型，利用地面測量結(jié)果估算底部鉆具的動態(tài)特性。管志川等人[10]建立了模擬直井底部鉆柱運動狀態(tài)的試驗裝置，研究了鉆柱的渦動規(guī)律及渦動機理，但井斜角變化范圍較小。李成等人[11]研制了模擬底部鉆柱動態(tài)力的測量系統(tǒng)，采用4分量測力傳感器測量近鉆頭端側(cè)向力，但沒有模擬鉆頭，并將近鉆頭端進行了固支[12]。

筆者利用模擬井斜角變化范圍為0°～90°的室內(nèi)模擬試驗裝置，采用6個測力傳感器間隔60°均勻分布的側(cè)向力傳感器，設(shè)計了模擬鉆頭，結(jié)合建立的鉆頭側(cè)向力計算方法，開展了不同試驗條件下的BHA力學特性試驗，以期進一步了解BHA力學特性，為防斜打快技術(shù)的應(yīng)用提供參考。

1 試驗裝置

依據(jù)相似理論[13]，結(jié)合鉆井實際工況，設(shè)計了底部鉆柱力學試驗裝置。該裝置主要包括試驗架、模擬井筒和模擬BHA、測量裝置、驅(qū)動裝置、控制裝置、提升裝置等，如圖1所示。試驗架包括豎直試驗架和可以在軌道上滑動的水平試驗臺。模擬BHA由模擬鉆鋌、模擬穩(wěn)定器、模擬鉆頭組成。驅(qū)動裝置中的電動機為交流伺服電機，可以進行無級變速，為模擬鉆鋌提供轉(zhuǎn)速。液壓馬達用高壓油驅(qū)動，為模擬鉆鋌提供軸向位移，施加軸向力?？刂蒲b置中的測控儀采用電液伺服控制系統(tǒng)控制模擬鉆鋌的轉(zhuǎn)速和軸向位移。測量裝置由側(cè)向力傳感器、拉壓力傳感器、計算機、信號采集器、信號電纜組成。提升裝置中的電動機為伺服電機，通過安裝在試驗架頂端的滑輪控制鋼纜將試驗臺提升至需要的井斜角。

圖1 底部鉆具組合力學研究試驗裝置基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of exprimental device for BHA

2 測量系統(tǒng)

2.1 測量軸向力

測量軸向力，即測量井底鉆壓時，采用LC1102型應(yīng)變式拉壓力傳感器，將鉆壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變信號，其量程0～5 000 N、靈敏度1.99 mV/V，在 WDTⅡ-20 型微機控制電子萬能試驗機上進行標定。拉壓力傳感器通過拉壓力傳感器壓桿與模擬鉆頭頂端接觸測量軸向力。

2.2 測量鉆頭側(cè)向力

自制測量鉆頭側(cè)向力的應(yīng)變式測力傳感器時，選用彈簧鋼制作應(yīng)變梁，用高精度金屬應(yīng)變片作為敏感單元，應(yīng)變膠采用粘貼應(yīng)變片的專用膠，待檢查貼好的應(yīng)變片絕緣電阻符合要求后，采用環(huán)氧樹脂黏合劑對應(yīng)變片進行防護。6個應(yīng)變式測力傳感器間隔60°均勻安裝在測力環(huán)上組成測量鉆頭側(cè)向力的傳感器。測力環(huán)測量鉆頭側(cè)向力如圖2所示，6個測力傳感器的編號分別為1#、2#、3#、4#、5#和6#，測量值分別為F1、F2、F3、F4、F5和F6(壓力為“+”、拉力為“-”)。在標定側(cè)向力傳感器時，將其水平放置，與應(yīng)變采集器、計算機通過信號電纜連接，在其與模擬鉆頭接觸的位置懸掛砝碼，通過不斷增加砝碼質(zhì)量，得到相應(yīng)的應(yīng)變量，進而分別得到6個應(yīng)變式測力傳感器的載荷-應(yīng)變關(guān)系曲線。標定結(jié)果顯示，6個應(yīng)變式測力傳感器的載荷-應(yīng)變關(guān)系線性相關(guān)系數(shù)為1，說明所設(shè)計的應(yīng)變式測力傳感器能準確測出其受力的大小，測量精度滿足試驗要求。在試驗中，通過讀取6個應(yīng)變式測力傳感器的應(yīng)變量，然后根據(jù)回歸方程即可反算出相應(yīng)的F1、F2、F3、F4、F5和F6。求解鉆頭處瞬態(tài)側(cè)向力合力Nb、作用位置θN的公式[11]為：

(1)

(2)

圖2 測力裝置與鉆頭受力示意圖Fig.2 Schematic diagram of dynamometer device

鉆頭旋轉(zhuǎn)一周測到n個(與轉(zhuǎn)速和取樣頻率有關(guān))瞬態(tài)側(cè)向力，這n個瞬態(tài)側(cè)向力在井斜平面內(nèi)分量的平均值即為井斜力Fα、在方位平面內(nèi)分量的平均值即為方位力Fφ，從而可以得到鉆頭的合側(cè)向力Fs和合側(cè)向力方向角θ(合側(cè)向力Fs與井底高邊的夾角，以高邊順時針計)[12]：

(3)

(4)

(5)

3 試驗方案

模擬井筒和模擬BHA以某油田φ311.1 mm井眼常用的雙穩(wěn)定器鐘擺鉆具組合為原型，結(jié)合試驗臺的尺寸，按與原型幾何比1∶10設(shè)計，模擬井筒和模擬鉆鋌為無縫鋼管，模擬鉆頭為表面經(jīng)過硬化處理的金屬球，用沉孔螺釘將模擬穩(wěn)定器固定在模擬鉆鋌上，通過改變其位置以模擬不同的BHA。

模擬井筒尺寸：長度6.4 m，內(nèi)徑31.5 mm，外徑38.0 mm。模擬鉆鋌尺寸：長度6.8 m，內(nèi)徑15.0 mm，外徑20.0 mm。模擬鉆頭直徑31.5 mm。模擬穩(wěn)定器尺寸：長度50.0 mm，內(nèi)徑20.0 mm，外徑31.2 mm。模擬鉆頭距第一穩(wěn)定器的距離1.8 m，第二穩(wěn)定器距第一穩(wěn)定器的距離0.9 m。

利用提升裝置將模擬BHA的井斜角設(shè)置為10°，通過驅(qū)動裝置和控制裝置為模擬BHA施加鉆壓和轉(zhuǎn)速，鉆壓為0～1 400 N，轉(zhuǎn)速分別為120，150，180，210和240 r/min[14]。

4 結(jié)果與分析

圖3為不同轉(zhuǎn)速時鉆頭側(cè)向力隨鉆壓的變化情況。由圖3可知：鉆頭合側(cè)向力隨鉆壓增大而增大，當鉆壓增加到一定值時，鉆頭合側(cè)向力增速趨緩；轉(zhuǎn)速對鉆頭合側(cè)向力的影響較小。

圖3 合側(cè)向力與鉆壓和轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.3 Relationship between total side forces and WOB as well as rotary speed

圖4為不同轉(zhuǎn)速下鉆頭井斜力(以增斜為“+”、降斜為“-”)隨鉆壓的變化情況。由圖4可知：鉆頭降斜力隨著鉆壓的增大而減小，當鉆壓增加到一定值時，鉆頭降斜力變?yōu)?；隨著鉆壓的繼續(xù)增大，井斜力變?yōu)樵鲂绷Γ㈦S著鉆壓的增加而增大；底部鉆具組合由降斜鉆具組合變?yōu)樵鲂便@具組合時存在一個臨界鉆壓，并且這個臨界鉆壓隨轉(zhuǎn)速的不同而不同，轉(zhuǎn)速越高，臨界鉆壓越??；當鉆具組合表現(xiàn)為降斜鉆具組合時，轉(zhuǎn)速越大，降斜力越??；當鉆具組合表現(xiàn)為增斜鉆具組合時，轉(zhuǎn)速越大，增斜力越大。

圖4 井斜力與鉆壓和轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.4 Relationship between inclinational force and WOB as well as rotary speed

圖5為不同轉(zhuǎn)速下鉆頭方位力隨鉆壓的變化情況。由圖5可知：鉆頭方位力(以減方位趨勢為“+”、增方位趨勢為“-”)為負值，說明鉆頭具有增方位趨勢；鉆頭方位力隨鉆壓增大而增大，說明鉆頭增方位能力在增大；轉(zhuǎn)速對鉆頭方位力的影響較小。

圖5 方位力與鉆壓和轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.5 Relationship between azimuthal force,WOB as well as rotary speed

圖6為不同轉(zhuǎn)速下鉆頭方向角隨鉆壓的變化情況。由圖6可知：鉆頭合側(cè)向力方向角隨鉆壓增大而減?。划斻@壓較小時，方向角趨于降斜方向，鉆頭表現(xiàn)為降斜力；隨著鉆壓增加，方向角趨于增斜方向，鉆具組合表現(xiàn)為增斜鉆具組合；當鉆壓繼續(xù)增加，方向角增加到一定值時，基本保持穩(wěn)定；方向角隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大，即轉(zhuǎn)速越高方向角越大，轉(zhuǎn)速越低方向角越小。

5 結(jié) 論

1)利用室內(nèi)模擬試驗裝置和自制的鉆頭側(cè)向力測量系統(tǒng)，結(jié)合所建立的鉆頭側(cè)向力計算方法，可以對鉆頭側(cè)向力進行連續(xù)動態(tài)的測量與分析。

圖6 方向角與鉆壓和轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.6 Relationship between well angle and WOB as well as rotary speed

2)通過底部鉆具組合力學特性的模擬試驗，得到了鉆壓與轉(zhuǎn)速在一定試驗條件下對井斜力、方位力、鉆頭合側(cè)向力及其方向角的影響規(guī)律。

3)采用文中的試驗方法，可以通過模擬試驗分析鉆壓、轉(zhuǎn)速、井斜角、穩(wěn)定器等因素對鉆頭側(cè)向力的影響規(guī)律，對于深入研究底部鉆具組合的力學特性具有參考作用。

[1]高德利.易斜地層防斜打快鉆井理論與技術(shù)探討[J].石油鉆探技術(shù)，2005，33(5)：16-19.

Gao Deli.Discussions on theories and techniques about rapid drilling while preventing deviating in formations tending to deflecting[J].Petroleum Drilling Techniques,2005,33(5):16-19.

[2]高德利.石油鉆井的學科特點與技術(shù)展望[J].探礦工程：巖土鉆掘工程，2003，30(增刊1)：8-12.

Gao Deli.Prospect of technology and subject specialty of petroleum drilling[J].Exploration Engineering:Rock & Soil Drilling and Tunneling,2003,30(supplement1):8-12.

[3]祝效華，童華，劉清友.鉆柱動力學研究回顧及新思路的提出[J].海洋石油，2007，27(1)：84-87.

Zhu Xiaohua,Tong Hua,Liu Qingyou.Review and new research of drill string system dynamics[J].Offshore Oil,2007,27(1):84-87.

[4]狄勤豐.下部鉆具組合造斜能力的影響因素分析[J].石油鉆探技術(shù)，2000，28(1)：39-41.

Di Qinfeng.Analysis of effect of bottom hole assembly on whipstocking capacity[J].Petroleum Drilling Techniques,2000, 28(1):39-41.

[5]趙金海，唐波，韓來聚，等.氣體鉆井鉆具組合瞬態(tài)動力學特性初探[J].石油鉆探技術(shù)，2008，36(6)：14-19.

Zhao Jinhai,Tang Bo,Han Laiju,et al.Preliminary study of transient dynamic characterstics of BHA in gas drilling[J].Petroleum Drilling Techniques,2008,36(6):14-19.

[6]姚永漢,狄勤豐，朱衛(wèi)平，等.底部鉆具組合的渦動特征分析[J].石油鉆探技術(shù)，2010，38(4)：84-88.

Yao Yonghan,Di Qinfeng,Zhu Weiping,et al.Analysis of whirling properties of bottom hole assembly[J].Petroleum Drilling Techniques,2010,38(4):84-88.

[7]Chen D C-K,Smith M,LaPierre Scott.Advanced drillstring dynamics system integrates real-time modeling and measurements[R].SPE 81093,2003.

[8]Gao Deli,Wang Degui,Li Cheng.Study and experiment on the vibration characters of BHA[R].IADC/SPE 114634,2008.

[9]Macpherson J D.Jogi P N,Kingman J E E.Application and analysis of simultaneous near bit and surface dynamic measurements[J].SPE Drilling & Completion,2001,16(4):230-238.

[10]管志川，史玉才，夏炎，等.底部鉆具組合運動狀態(tài)及鉆進趨勢評價方法研究[J].石油鉆探技術(shù)，2005，33(5)：24-27.

Guan Zhichuan,Shi Yucai,Xia Yan,et al.Research on motion state of bottom hole assembly and the evaluation method of drilling tendency[J].Petroleum Drilling Techniques,2005,33(5):24-27.

[11]李成，丁天懷，王鵬，等.底部鉆柱動態(tài)力學特性測量方法與實驗研究[J].中國機械工程，2009，20(8)：933-936.

Li Cheng,Ding Tianhuai,Wang Peng,et al.Measurement method and experimental research on dynamic force behavior of bottom drill string[J].China Mechanical Engineering,2009,20(8):933-936.

[12]狄勤豐，吳玉祿，石向前.預(yù)彎曲動力學防斜打快技術(shù)初探[J].石油學報，2003，24(3)：86-89.

Di Qinfeng,Wu Yulu,Shi Xiangqian.Primary research on vertical and fast drilling technology with pre-bending dynamic method[J].Acta Petrolei Sinica,2003,24(3):86-89.

[13]徐挺.相似理論與模型試驗[M].北京：中國農(nóng)業(yè)機械出版社，1982：2-4.

Xu Ting.Similarity theory and model test[M].Beijing:China Agricultural Mechanical Press,1982：2-4.

[14]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)運動規(guī)律[J].廣西大學學報：自然科學版，2006，17(增刊1)：159-162.

Shi Yucai,Yuan Yanyan,Wu Chunfang.Setting up a simulate device on motion behavior of bottom hole assembly according to similitude principles[J].Journal of Guangxi University:Natural Science Edition,2006,31(supplement 1):159-162.

SimulationandExperimentalResearchonMechanicalPropertiesofBottomHoleAssembly

FanYongtao,GaoDeli,ZhangHui,FangJun

(MOEKeyLaboratoryofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing,102249,China)

The mechanical properties of bottom hole assembly (BHA)directly affect wellbore quality,drilling speed and safety,thus it is necessary to study the mechanical properties of BHA based on theories and experiments.However,the experimental study is inadequate so far.According to the similarity theory,the bottom drill string mechanics device is used to simulate the effect of weight on bit (WOB)and rotary speed on inclinational force,azimuthal force,total side forces and directional angle.The results indicate that total side forces at bit increases with the increase of WOB,but the rotary speed affects it slightly;the inclination force increases with the increase of WOB,and the higher the rotary speed;the greater the inclination force,too,azimuthal force increases with the increase of WOB,and rotary speed affects it slightly;the direction angle caused by total side forces decreases with the increase of WOB,and increases with the increase of rotary speed.It can provide basis for the study on mechanism of well deviation control and fast drilling.

bottom hole assembly；similarity theory；drill string mechanics；well deviation control；simulated experiment

2012-12-15；改回日期2013-04-24。

范永濤(1983—)，男，山東菏澤人，2006年畢業(yè)于西南石油大學機械制造及自動化專業(yè)，2009年獲西南石油大學石油礦場機械專業(yè)碩士學位，在讀博士研究生，主要從事油氣井力學與控制工程研究。

聯(lián)系方式：(010)89733702，fanyongtao.123@163.com。

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(“973”計劃)項目“深井復(fù)雜地層破巖機理與高效破巖方法”(編號：2010CB226703)和國家自然科學基金項目“氣體鉆井井眼軌跡偏斜機理與控制理論研究”(編號：51174220)資助。

10.3969/j.issn.1001-0890.2013.03.015

TE21

A

1001-0890(2013)03-0080-05

[編輯 劉文臣]