明瑞卿

長江大學(xué) （湖北 武漢 430100）

隨著油田開發(fā)的逐漸深入，大斜度井、水平井、多分支水平井等非常具有挑戰(zhàn)性的復(fù)雜結(jié)構(gòu)井?dāng)?shù)量越來越多。如何實現(xiàn)快速鉆進和提高水平段長度成為關(guān)注的核心。然而由于井斜較大造成鉆柱和井壁之間摩阻較大，鉆壓傳遞效率降低；水平段長度越長，出現(xiàn)托壓、粘滑、丟失工具面等現(xiàn)象更嚴重，限制了鉆進速度并制約了水平段長度的延伸[1]。為此，各大油田在鉆井施工中采用了水力振蕩器。因此，開展水力振蕩器提速原理分析對于推動水力振蕩器的優(yōu)化和合理使用具有重要的實際意義

1 水力振蕩器的基本結(jié)構(gòu)及原理

水力振蕩器一般由動力、閥門與軸承系統(tǒng)、振動等3個部分組成[2]。其基本原理為：閥門定閥片和動閥片相對運動，動力部分使上游壓力周期性地作用在彈簧短節(jié)上，彈簧短節(jié)不斷地壓縮其內(nèi)在的彈簧而形成振動，通過短節(jié)的流體壓力周期性變化，作用在短節(jié)內(nèi)的彈簧上，因為壓力大小周期變化，短節(jié)的活塞就在彈簧和壓力的雙重作用下產(chǎn)生軸向往復(fù)運動，這樣就會使與工具連接的其他鉆井工具在軸向上也往復(fù)運動，由于彈簧的壓縮是損耗能量的，所以當(dāng)能量釋放時，有75%的作用力向下而指向鉆頭方向，其余25%作用力與鉆頭反方向，振動頻率與通過工具的流量呈線性關(guān)系，頻率為9～26Hz，工具的瞬間沖擊加速度為1～3倍的重力加速度[3]。

水力振蕩器安裝到鉆柱中，一方面使得滑動鉆進時的靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ?，另一方面它所帶來的振動和鉆柱本身破巖的振動相疊加，必然會改變鉆柱的動力學(xué)性能。下面就從這幾個方面來分析該工具的作用機理。

1.1 靜摩擦轉(zhuǎn)換為動摩擦

目前，鉆井主要有通過轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)帶動鉆柱鉆進和井下動力鉆具滑動鉆進2種鉆進方式。在定向鉆井的時候，常常使用井下動力馬達滑動鉆進。此時鉆柱不旋轉(zhuǎn)，而軸向速度很慢，幾乎可以忽略，因此可認為在滑動鉆進時鉆柱和井壁為靜摩擦。需要克服的摩擦阻力就由轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動時的滑動摩擦力變?yōu)殪o摩擦力。最大靜摩擦力大于動摩擦力,故滑動鉆進時的摩阻往往會大于轉(zhuǎn)盤鉆進的摩阻。目前已經(jīng)建立的摩擦力模型多達幾十種，最常用的有庫倫（Coulomb）摩擦力模型、庫侖+粘滯模型、Stribeck摩擦模型等。叢爽于1998年提出另外一種與速度呈指數(shù)關(guān)系的非線性摩擦模型形式，該模型采用簡化的方法，同時抓住非線性摩擦的本質(zhì)特點，只需要較少的實驗既可以確定模型中的參數(shù)，與其他非線性摩擦模型相比更加易于在實際工程中的應(yīng)用[4]。

Tf(ω)=Tcsgn(ω)+ΔT·e-α|ω|sgn(ω)

其中：Tf為最大靜摩擦力矩；Tc為庫倫力矩；ΔT=Ts-Tc；ω 為相對速度；α 為摩擦系數(shù)。

最大靜摩擦力可由實驗獲得，對線性系統(tǒng)模型加上所提摩擦力模型后所得到的系統(tǒng)進行仿真實驗，通過調(diào)整值使得其輸出與相同輸入下實際系統(tǒng)的輸出一致，以此來得到精確的摩擦力矩的補償模型和的值[5]。摩擦力矩在低速條件下，是隨著速度的增大從靜摩擦力矩逐漸以指數(shù)形式下降到庫倫摩擦力矩值的。

國外做了大量的振動裝置減摩阻實驗，在一定頻率和振幅下，摩擦力變化大，最高降低了94%[6]。對于全井段而言，水力振蕩器影響的鉆柱范圍越大，其減摩阻效果也就越好?？梢妰H僅是鉆柱動靜摩擦力之間的轉(zhuǎn)換也會引起整個鉆柱摩阻的較大變化。摩阻的減小導(dǎo)致在鉆壓傳遞過程中損耗的能量減少，整個鉆井系統(tǒng)的效率也就提高了。

1.2 靜剛度和動剛度

在細長的井眼中，鉆柱往往表現(xiàn)出“柔軟”的特性，這也是“軟繩”摩阻模型假設(shè)條件和應(yīng)用基礎(chǔ)。桿件在靜載荷下抵抗變形的能力稱為靜剛度，在動載荷下抵抗變形的能力稱為動剛度，即引起單位振幅所需的動態(tài)力。如果干擾力變化很慢（即干擾力的頻率遠小于結(jié)構(gòu)的固有頻率），動剛度與靜剛度基本相同；干擾力變化極快（即干擾力的頻率遠大于結(jié)構(gòu)的固有頻率），結(jié)構(gòu)變形比較小，動剛度將大于靜剛度；當(dāng)干擾力的頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率相近時，有共振現(xiàn)象，此時動剛度最小，即最易變形，其動變形可達靜載變形的幾倍乃至十幾倍[7]。

因此，當(dāng)水力振蕩器安裝到鉆柱中，不僅僅給鉆柱帶來了動摩擦，還改變了鉆柱的動力學(xué)特性。對于鉆柱的軸向振動固有頻率已有很多學(xué)者做過研究，鉆柱軸向振動前幾階固有頻率如表1。

水力振蕩器的輸出頻率為9～26Hz，遠大于鉆柱的一階固有頻率 0.987Hz，且振幅很小（3～10mm），因此會造成鉆柱的動剛度大于靜剛度。換言之，在安裝水力振蕩器附近的鉆柱剛度變大了，變的更“硬”了，而剛度的增加降低了鉆柱出現(xiàn)正弦屈曲、螺旋屈曲的風(fēng)險，因此傳遞鉆壓效率更高了，更容易控制工具面。

表1 鉆柱軸向振動各階固有頻率

1.3 振動的疊加

在鉆進過程中，鉆頭的破巖、地層的非均質(zhì)性、鉆柱接觸的不連續(xù)等因素都會引起鉆柱的不規(guī)則振動[8-10]。其中一些振動會對鉆柱及昂貴的井下設(shè)備如旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)、井下測試工具、錄井工具等造成損害。如鉆柱在渦動過程中產(chǎn)生的側(cè)向振動和粘滑過程中產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)振動，研究和實驗證明這2種振動對鉆柱和井下設(shè)備是非常有害的。

通常情況下，由于鉆柱和井壁之間存在和旋轉(zhuǎn)方向相反的摩擦力，故最容易出現(xiàn)反向渦動。反向渦動會導(dǎo)致鉆柱中產(chǎn)生特別有害的反向彎曲應(yīng)力。當(dāng)反向渦動發(fā)生時，穩(wěn)定器的葉片和其他BHA組件將分擔(dān)這些振動傷害。如果是正向渦動，則反向彎曲應(yīng)力出現(xiàn)的趨勢將大大減少。如果正向渦動是和旋轉(zhuǎn)同步的，則反向彎曲應(yīng)力將會消失。然而，在自然條件下，正向渦動是不可能發(fā)生的，需要誘導(dǎo)產(chǎn)生。

在安裝水力振蕩器以后，工具附近的鉆柱會受到振蕩工具輸出的頻率和振幅影響，而這一振動是平穩(wěn)且有規(guī)律的。大量的室內(nèi)實驗和井場應(yīng)用表明,當(dāng)安裝水力振蕩器并按推薦參數(shù)運行時，可降低粘滑趨勢并抑制鉆柱側(cè)向振動。降低這些有害的振動模式出現(xiàn)不僅有利于保護底部鉆具組合，還進一步提高了機械鉆速。

2 現(xiàn)場試驗

蘇XX-20H井為一口超長水平井，該井于2011年7月14日開鉆。一開二開都非常順利，較計劃周期縮短46%。在三開水平段，通過前期方案論證，若采用全101.6mm鉆具，水平段最長僅能2 590m。通過計算，在滑動鉆進中鉆柱將有發(fā)生螺旋屈曲的危險，限制進一步鉆進，影響井下安全。故更改鉆具組合，采用101.6mm+88.9mm組合鉆具鉆進，完全滿足設(shè)計要求，鉆柱未發(fā)生螺旋屈曲。施工單位根據(jù)預(yù)測結(jié)果及建議，采取了有效措施，保證了泥漿的攜砂性及潤滑性，井眼軌跡控制方面力求保證復(fù)合穩(wěn)斜鉆進；同時，于水平段2 413m處下入水力振蕩器，有效降低鉆具摩阻，為長水平段的順利完成起到了有效的理論性指導(dǎo)作用。

第一次入井：井段4 951～4 960m，轉(zhuǎn)動進尺9m,滑動進尺0m，滑動鉆速0m/h。第二次入井：井段4 960～4 964m，轉(zhuǎn)動進尺4m，滑動進尺 0m，滑動鉆速0m/h。該工具在前2次使用過程中，均因為儀器無信號起鉆，嚴重影響了施工進度。經(jīng)定向井公司及工具廠家人員分析原因為：水力振蕩器距離儀器太近，應(yīng)該安裝在水平段距鉆頭1/2至1/3處，否則水力振蕩器高頻率震動容易對儀器造成機械性損壞，導(dǎo)致儀器無信號。第三次下入水力振蕩器，由于該井段伽馬值突然升高，巖性變致密，因此在滑動鉆進過程中，鉆速提高并不明顯。第四次入水力振蕩器，效果顯著，如表2所示。由于鉆具復(fù)合穩(wěn)斜效果不錯，因此只定向10m，但機械鉆速高達5m/h,較未下入水力振蕩器時滑動鉆速提高了79.21%，達到了減少拖壓，提高鉆速的目的。

表2 水力振蕩器水平段使用效果分析

3 結(jié)論與認識

1）水力振蕩器改變了滑動鉆進時的摩擦狀態(tài)，從近似靜摩擦變?yōu)閯幽Σ?，影響了附近鉆柱的摩阻，減小了整個鉆柱的摩阻力。因此，托壓、粘滑現(xiàn)象將得到緩解，鉆壓傳遞效率提高，機械鉆速也就提高了。

2）水力振蕩器的高頻低幅振動改變了附近鉆柱的動力學(xué)特性，造成了其動剛度大于靜剛度。換言之，鉆柱變“硬”了，該段鉆柱出現(xiàn)正弦屈曲、螺旋屈曲的趨勢將大大減小，丟失工具面的情況也將減少，故間接提高了鉆進效率。

3）鉆柱本身破巖的振動和水力振蕩器產(chǎn)生的振動疊加在一起，緩和了一些有害的振動。并且一些特殊外形的振動工具可誘導(dǎo)鉆柱產(chǎn)生正向同步渦動，阻止其它一些有害的振動模式如：混沌渦動、反向渦動的產(chǎn)生。降低這些有害的振動模式出現(xiàn)不僅有利于保護底部鉆具組合，還進一步提高了機械鉆速。

4）現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，水力振蕩器可明顯提高水平井段的機械鉆速，工具面容易控制；為保護井下精密儀器不受損壞，工具應(yīng)該安裝在水平段距鉆頭1/2至1/3處。

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