聶 俊,孫展利,孫 偉,張 猛

(1.長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院,武漢434010;2.中石化華北石油工程有限公司 井下作業(yè)分公司,鄭州450042)

液力加壓器對(duì)鉆壓波動(dòng)的阻尼模型研究

聶 俊1,孫展利1,孫 偉1,張 猛2

(1.長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院,武漢434010;2.中石化華北石油工程有限公司 井下作業(yè)分公司,鄭州450042)

鉆壓波動(dòng)一直是鉆井中的大問(wèn)題,液力加壓器的使用在一定程度上緩解了鉆壓的波動(dòng),但是存在局限性。為了提高液力加壓器的使用效果,建立了阻尼模型,利用“微元分析法”和“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”解釋了液力加壓器如何減小鉆壓波動(dòng)。由“阻尼周期”概念可知阻尼孔不應(yīng)過(guò)大或過(guò)小。應(yīng)用軟件模擬液力加壓器的阻尼特性,得出液力加壓器可以阻尼掉每一個(gè)來(lái)自井底的沖擊,獲得穩(wěn)定可控的鉆壓。對(duì)液力加壓器在油田的使用具有指導(dǎo)作用。

液力加壓器;鉆頭;波動(dòng)壓力;阻尼;模型

鉆鋌加鉆壓存在鉆壓波動(dòng)的問(wèn)題,液力加壓器加鉆壓也存在鉆壓的波動(dòng)問(wèn)題。因?yàn)樵阢@井過(guò)程中井底切削面不是一個(gè)平面[1],當(dāng)鉆頭單雙齒不均勻接觸地層,導(dǎo)致井底不均勻的切削,井底就會(huì)給鉆頭交變的反作用力,這個(gè)反作用力就會(huì)使得下部的鉆具振動(dòng),從而造成鉆壓的波動(dòng)。采用液力加壓器,鉆壓的波動(dòng)就小多了,這完全是由液力加壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所決定的[2]。本文著重研究液力加壓器如何減小鉆壓的波動(dòng)。

1 鉆壓波動(dòng)簡(jiǎn)介

1.1 產(chǎn)生原因

液力加壓器的下部為伸縮桿(此處為花鍵軸)與液壓缸筒的連接結(jié)構(gòu),連接的介質(zhì)為鉆井液,整個(gè)裝置可以看作一個(gè)柔性的連接結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

帶液力加壓器的鉆具在鉆進(jìn)的過(guò)程中,當(dāng)鉆頭切削齒接觸到井底凸起部分時(shí),此時(shí)反作用力變大,伸縮桿會(huì)向上運(yùn)動(dòng);隨著鉆頭的旋轉(zhuǎn),當(dāng)鉆頭的切削齒接觸到井底凹進(jìn)部分時(shí),此時(shí)反作用力又會(huì)突然減小,伸縮桿會(huì)向下運(yùn)動(dòng)。這種伸縮桿的上下運(yùn)動(dòng)就會(huì)直接導(dǎo)致鉆頭鉆壓不斷的減小與增加,就形成了鉆壓的波動(dòng)。

圖1 液力加壓器的結(jié)構(gòu)原理

1.2 減小鉆壓波動(dòng)的原理

液力加壓器的“液壓缸—伸縮桿”結(jié)構(gòu)使得鉆柱里的鉆井液猶如一段液體“減振彈簧”,這段“減振彈簧”長(zhǎng)度隨著井深的增加而變長(zhǎng),當(dāng)伸縮桿向上運(yùn)動(dòng),使得“減振彈簧”內(nèi)的的鉆井液受壓,此時(shí)伸縮桿向上運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能就轉(zhuǎn)成了鉆井液的壓能,也就是使得鉆井液的壓力變大成為高壓鉆井液,然后從鉆頭的噴嘴噴出。當(dāng)伸縮桿由原來(lái)的升高位置返回,由于缸筒下部的阻尼孔的阻流作用,低壓腔里的鉆井液不能迅速?gòu)淖枘峥着诺江h(huán)空,減小了伸縮桿返回的速度。這兩者共同作用使得不斷變化沖擊力不會(huì)直接傳給鉆頭和鉆柱,而是由液力加壓器轉(zhuǎn)換與吸收,因此不會(huì)出現(xiàn)像鉆鋌加壓時(shí)鉆壓突然變?yōu)榱慊蛘咩@壓突然又大到使得鉆柱彎曲的情況,液力加壓器的減振使得鉆壓的波動(dòng)大幅減小。

2 理論分析

2.1 阻尼模型的建立

為了更加具體地分析液力加壓器是如何減小鉆壓波動(dòng)的,可以從液力加壓器下部鉆具的運(yùn)動(dòng)受力狀態(tài)來(lái)進(jìn)行更加詳細(xì)的分析,可以將液力加壓器當(dāng)作一個(gè)粘性阻尼器,把液力加壓器伸縮桿以下的部分的質(zhì)量作為底部鉆具組合的質(zhì)量,鉆頭是不斷在上下移動(dòng)的,為了精確表述鉆頭的動(dòng)態(tài)特性,引入位移函數(shù)u(x,t),此函數(shù)是位移關(guān)于時(shí)間與截面位置的一個(gè)二元函數(shù),表示在時(shí)間t時(shí)刻坐標(biāo)為x的截面處的位移,模型結(jié)構(gòu)(如圖2)運(yùn)用微元分析法截取模型的一個(gè)微元段d x,并對(duì)微元段進(jìn)行受力分析:

在鉆頭處建立坐標(biāo)系原點(diǎn),向上的方向?yàn)閤方向,圖中P(t)為高壓鉆井液對(duì)加壓器活塞的泵壓函數(shù),S(t)為地層對(duì)鉆頭的反作用力函數(shù),N(x,t)為在截面x處的軸向力。鉆頭截面處的坐標(biāo)為x=0,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析得到鉆頭縱向振動(dòng)頻率是鉆頭轉(zhuǎn)速的3倍,現(xiàn)場(chǎng)取心也表明,硬地層井底形狀呈三葉瓣形狀。

圖2 液力加壓器的阻尼模型

2.2 阻尼計(jì)算

為了將液力加壓器的阻尼特性以及下部鉆具其他部分的阻尼特性更好的表示,引入一個(gè)綜合阻尼系數(shù),阻尼力與阻尼系數(shù)之間關(guān)系為

式中:v為鉆頭縱向振動(dòng)瞬時(shí)速度,m/s;ci為綜合阻尼系數(shù),kg/s。

對(duì)下部鉆具進(jìn)行簡(jiǎn)單的受力分析[3],運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律可以得到:

式中:mbha為底部鉆具組合的質(zhì)量,kg;F(t)為地層對(duì)鉆頭的反作用力,N;WOB0為加在鉆頭上的靜態(tài)鉆壓,N;a為鉆頭處的加速度,m/s2。

加在鉆頭上的靜態(tài)鉆壓實(shí)際上是理論鉆壓。地層對(duì)鉆頭的反作用力處于不斷的變化之中,正是由于地層反作用力的不斷變化才造成了鉆壓的波動(dòng);阻尼力包括液力加壓器的密封機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的阻尼力和鉆井液“減振彈簧”在整個(gè)鉆具內(nèi)和鉆頭噴嘴處所產(chǎn)生的阻尼力。根據(jù)作用力與反作用力的關(guān)系,地層對(duì)鉆頭的反作用力與鉆頭施加給地層的瞬時(shí)鉆壓大小相同方向相反,同時(shí)由位移與加速度及速度的導(dǎo)數(shù)關(guān)系,得到:

式中:WOB(t)為鉆頭施加給地層的瞬時(shí)鉆壓,N。

式(6)給出了瞬時(shí)鉆壓隨時(shí)間的變化規(guī)律,為直觀了解井底鉆壓的實(shí)際情況,用趨勢(shì)圖能描述瞬時(shí)鉆壓隨時(shí)間的變化關(guān)系。式(6)中的位移函數(shù)u(x,t)可以簡(jiǎn)化求得;靜態(tài)鉆壓WOB0可以按照帶液力加壓器理論鉆壓常規(guī)計(jì)算的方式求得[4];底部鉆具組合的質(zhì)量mbha也是在入井前就知道的。使用液力加壓器的時(shí)候整個(gè)鉆柱里的泥漿隨著鉆頭的縱向振動(dòng)不斷的壓縮與伸張,可以將其看作特殊的“減振彈簧”,即這部分泥漿柱實(shí)際上都可以作為阻尼元件,鉆井液的阻尼系數(shù)值大約為鋼材的1 000倍,液力加壓器在鉆進(jìn)過(guò)程中,由于鉆井液對(duì)鉆頭強(qiáng)烈的阻尼作用,當(dāng)?shù)貙訉?duì)鉆頭有比較大的向上反作用力時(shí),鉆頭瞬時(shí)會(huì)有個(gè)“停滯”的狀態(tài),可近似認(rèn)為鉆頭的縱向瞬時(shí)振動(dòng)速度v=0,瞬時(shí)振動(dòng)加速度a=0,此時(shí)由式(6)計(jì)算出的瞬時(shí)鉆壓已經(jīng)非常接近理論鉆壓了。當(dāng)?shù)貙犹匦?、井底溫度、泥漿性能等外部條件相同時(shí),對(duì)于鉆鋌加鉆壓,由于其剛性加鉆壓,即可以將整個(gè)剛性鉆柱當(dāng)做鉆鋌加鉆壓時(shí)的阻尼原件,其阻尼系數(shù)是非常小的,對(duì)鉆頭振動(dòng)的阻尼效果基本上可以忽略,當(dāng)?shù)貙訉?duì)鉆頭有比較大的向上反作用力時(shí),鉆頭的瞬時(shí)振動(dòng)的頻率是鉆頭轉(zhuǎn)速的3倍,即此時(shí)鉆頭的縱向瞬時(shí)振動(dòng)速度和加速度是非常大的,那么由式(6)計(jì)算出的瞬時(shí)鉆壓值就會(huì)比理論鉆壓大很多或者小很多,鉆壓波動(dòng)程度也會(huì)遠(yuǎn)大于使用液力加壓器時(shí)的鉆壓波動(dòng)程度,即使用液力加壓器能夠減小鉆壓的波動(dòng),獲得穩(wěn)定可控的鉆壓。

2.3 阻尼效果的影響因素

液力加壓器對(duì)鉆壓波動(dòng)的減小程度是由其結(jié)構(gòu)決定的,具體來(lái)說(shuō)是由缸筒下部的阻尼孔大小決定的,其大小要保證鉆井液能順利地從缸筒里面流到環(huán)空,以及鉆井液能從環(huán)空順利地進(jìn)入缸筒的低壓腔,這樣液力加壓器才能起到作用。底部鉆具組合的質(zhì)量與綜合粘滯阻尼的大小將直接影響到液力加壓器對(duì)鉆壓波動(dòng)的阻尼效果,因此在這里可以由這兩者得到一個(gè)比例系數(shù),可以將其稱(chēng)作“阻尼周期”,對(duì)應(yīng)計(jì)算式如下:

式中:T為阻尼周期,s。

可以從這個(gè)值來(lái)衡量液力加壓器底部鉆具組合鉆壓波動(dòng)的程度,當(dāng)鉆具綜合粘滯阻尼系數(shù)固定時(shí),底部鉆具質(zhì)量越小,阻尼周期值就越小,液力加壓器對(duì)鉆壓波動(dòng)的抑制能力就弱,鉆壓的波動(dòng)就反而越大,為了降低鉆壓的波動(dòng),應(yīng)該在工藝允許的范圍內(nèi)適當(dāng)增加下部鉆具的質(zhì)量。同樣液力加壓器的綜合阻尼系數(shù)的大小也將對(duì)鉆壓的波動(dòng)有決定性影響,這個(gè)阻尼系數(shù)太大或者太小都不利于鉆壓保持穩(wěn)定。

2.4 阻尼特性的模擬

根據(jù)上面的理論分析可以編寫(xiě)軟件,來(lái)模擬帶液力加壓器鉆具組合工作時(shí)的鉆頭加速度、速度、位移的波動(dòng)隨阻尼周期的變化趨勢(shì),如圖3。

圖3 阻尼模擬曲線

可以看出井底的反作用力都能有效地被液力加壓器阻尼掉,速度、加速度、位移都向零趨近,這就證明了液力加壓器能明顯地減小鉆壓的波動(dòng)作用,使鉆頭及下部鉆柱更加穩(wěn)定的鉆進(jìn),得到更加穩(wěn)定的鉆壓。

3 結(jié)論

1) 理論計(jì)算表明,相比鉆鋌加鉆壓的波動(dòng),液力加壓器的鉆壓波動(dòng)可以忽略。

2) 提出“阻尼周期”的概念,可以評(píng)價(jià)液力加壓器的阻尼效果。

3) 軟件模擬結(jié)果證明,液力加壓器能阻尼每一個(gè)沖擊力,提供穩(wěn)定可靠的鉆壓。

4) 應(yīng)進(jìn)一步研究液力加壓器,使其在現(xiàn)場(chǎng)能達(dá)到預(yù)期的效果,并推廣到海上鉆井當(dāng)中。

[1] 趙國(guó)珍,龔偉安.鉆井力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:石油工業(yè)出版社,1988.

[2] 唐玉渤,秦利明,趙希江.長(zhǎng)伸縮距液力加壓器的研制[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2010,39(3):85-86.

[3] 馬澤永,姜東哲,楚合川,等.液力加壓器使用中的相關(guān)問(wèn)題探討[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2010,39(6):79-81.

[4] 劉清友,單代偉,王國(guó)榮.微小井眼水力加壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及鉆壓計(jì)算[J].石油學(xué)報(bào),2009,30(2):304-307.

Study of Damping Model about Hydraulic Thruster to Fluctuation of Weight-On Bit

NIE Jun,SUN Zhan-li,SUN Wei,ZHANG Meng
(1.College of Petroleum Engineering,Yangtze University,Wuhan 434010,China;2.Downhole Service Company,Sinopec Huabei Petroleum Engineering Co.,Ltd.,Zhengzhou 450042,China)

fluctuation of weight-on bit has been a big problem,hydraulic thruster can relief it in certain extant,but it exist some limitations.damping model was established and“element analysis method”and“Newton’s laws of motion”were used to explain how the hydraulic thrust reduced fluctuation of weight-on-bit for improving the effect of hydraulic thruster,damping hole shouldn’t be too large or too small though the concept of periodic of damping.Simulation of the damping characteristic showed that hydraulic thruster could damp each shock and get stable and controllable weight-on bit.It could guide the using of hydraulic thruster in oil field.

hydraulic thruster;bit;fluctuation pressure;damping;modell

TE921.202

A

1001-3482(2014)02-0079-03

2013-09-10

聶 俊(1988-),男,湖北荊州人,碩士研究生,主要從事石油機(jī)械裝備研究開(kāi)發(fā)工作,E-mail:niejunwsh@126.com。