蘇山林，祝效華，王 鑫，郝榮明，張國(guó)偉，石昌帥，任廣兵

·試驗(yàn)研究·

水平井防托壓工具安全性評(píng)價(jià)與試驗(yàn)

蘇山林1，祝效華2，王 鑫1，郝榮明1，張國(guó)偉1，石昌帥2，任廣兵1

（1．勝利石油工程有限公司黃河鉆井總公司管具公司，山東東營(yíng)257091；2．西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，成都610500）

摩阻問題是井下復(fù)雜事故的最直接原因，如何降低水平井摩阻是減少水平井事故、提高機(jī)械鉆速和目的層中靶率的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)了防托壓工具，該工具可以降低水平井段摩擦阻力，提高機(jī)械鉆速，能夠解決井下卡鉆、鉆井進(jìn)尺小的問題?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：設(shè)計(jì)的防托壓工具工作參數(shù)滿足要求，可以產(chǎn)生預(yù)期效果，使用該工具能夠降低水平井段摩擦阻力，提高水平井延伸鉆進(jìn)能力，并且不會(huì)對(duì)鉆頭或其他鉆具連接螺紋造成破壞。

水平井；鉆柱；摩擦阻力；機(jī)械鉆速；鉆井進(jìn)尺

隨著石油勘探開發(fā)進(jìn)程的不斷深入，定向井、水平井、大位移井所占的比例越來越大。長(zhǎng)水平段鉆井技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用，主要得益于其較好的投入產(chǎn)出比。目前，國(guó)外水平井鉆井成本已降至直井的1．2～2．0倍，而產(chǎn)量則是直井的4～8倍；國(guó)外已經(jīng)鉆成了水平位移超萬米的大位移井，而國(guó)內(nèi)只能完成水平位移約4 000 m的大位移井。在水平井的鉆進(jìn)過程中，由于摩擦阻力大，使得鉆井效率低、鉆井周期長(zhǎng)、鉆井成本高，這成為制約水平井發(fā)展的主要瓶頸。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中，由于管柱的摩阻轉(zhuǎn)矩太大，可能引起以下情況的發(fā)生：機(jī)械鉆速明顯變低；鉆具不能上提或發(fā)生斷鉆具事故；達(dá)不到井身軌跡的設(shè)計(jì)要求，目的層中靶率低。

關(guān)于定向井及水平井摩阻的預(yù)測(cè)分析，國(guó)內(nèi)外已作了不少研究，1983年Johancsick等人［1］首先發(fā)表了定向井中摩阻預(yù)測(cè)的“軟桿”模型，此后該模型得到了廣泛應(yīng)用。1987年，Brett［2］等人通過應(yīng)用研究，指出“軟桿”模型摩阻預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果之間存在誤差，其原因可能是由于模型中沒考慮下部鉆具組合的剛度而造成的，并建議將井底鉆具組合作為梁?jiǎn)卧獊砜紤]。1988年，H o H-S［3］以大變形理論為基礎(chǔ)，考慮了鉆柱的剛度作用，提出了改進(jìn)的摩阻計(jì)算模型，并采用有限差分法進(jìn)行求解。國(guó)內(nèi)學(xué)者基于以上理論，采用各種方法對(duì)不同井況下鉆柱的摩擦問題進(jìn)行了研究，并提出新的分析理論和解決措施［4-8］。

因此，如何最大限度降低水平井段摩阻是減少水平井事故的關(guān)鍵，也是確保水平井延伸鉆進(jìn)能力的決定因素［9-11］。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種水平井防托壓工具，該工具可以降低水平井段摩擦阻力，解決井下卡鉆、鉆井進(jìn)尺小的問題，尤其是在使用動(dòng)力鉆具的定向井中效果更佳。

1　技術(shù)分析

1．1 結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，水平井防托壓工具主要由振動(dòng)部件、動(dòng)力部件和閥部件組成。振動(dòng)部件與上端鉆柱連接，動(dòng)力部件是1∶2頭螺桿馬達(dá)，閥部件下端與近鉆頭鉆柱連接，該工具可以根據(jù)減阻需要安置在合適的位置。

圖1　防托壓工具結(jié)構(gòu)

1．2 工作原理

水平井防托壓工具通過振蕩底部鉆具組合或者鉆柱減少摩擦。具體過程是：動(dòng)力部件驅(qū)動(dòng)閥部件產(chǎn)生周期性的壓力脈沖，壓力脈沖向上游傳遞，激勵(lì)振動(dòng)部件產(chǎn)生軸向竄動(dòng)，軸向力破壞了水平井段的靜摩擦，從而提高鉆具的延伸鉆進(jìn)能力。

特殊的閥結(jié)構(gòu)是工具的核心部件，它將鉆井介質(zhì)的能量轉(zhuǎn)化成一系列的脈沖壓力，該過程是通過閥部件過流面積周期性的變化來實(shí)現(xiàn)的。閥部件過流面積最小時(shí)，產(chǎn)生脈沖壓力，此時(shí)最大壓降值為3．8～4．5 M Pa，而過流面積最大時(shí)，脈沖壓力消失。如圖2所示，陰影處為閥部件開啟的過流面積，其中：a為閥部件過流面積最小時(shí)，產(chǎn)生脈沖壓力；b為閥部件過流面積最大時(shí)，脈沖壓力消失；c為閥部件過流面積又變?yōu)樽钚?，產(chǎn)生脈沖壓力，如此周期性循環(huán)作用。

圖2　閥轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的脈沖壓力變化

1．3 工具特點(diǎn)

1） 防托壓工具脈沖頻率為15～26 H z，振幅為3～10 mm，產(chǎn)生周期性的溫和振蕩，引起的軸向力周期性地傳遞給鉆頭。因此，使用該工具后鉆具承受的載荷作用效果與靜載荷相同，不會(huì)對(duì)鉆頭或其他鉆具產(chǎn)生破壞。

2） 防托壓工具脈沖頻率為15～26 H z，而M W D工作時(shí)的脈沖頻率一般低于1 H z。因此，防托壓工具產(chǎn)生的壓力脈沖對(duì)絕大多數(shù)M W D沒有干擾，可以配合M W D使用。

3） 動(dòng)力部件帶動(dòng)閥部件做周期性的開閉狀態(tài)，當(dāng)閥部件開啟面積最小時(shí)，閥部件產(chǎn)生的壓降為3．8～4．5 M Pa，而一般鉆井中的泥漿泵均可以滿足要求。因此，使用防托壓工具不需要改變現(xiàn)有循環(huán)系統(tǒng)。

2　連接螺紋安全性評(píng)價(jià)

為研究壓力脈沖對(duì)防托壓工具連接螺紋使用壽命的影響，本文對(duì)工具連接螺紋在脈沖壓力作用下的安全性進(jìn)行了分析。

2．1 螺紋控制方程

螺紋在拉彎復(fù)合載荷的作用下會(huì)發(fā)生彈性乃至塑性變形，彈塑性接觸的基本方程為

式中：［K（u）］為整個(gè)系統(tǒng)的剛度矩陣，在非線性問題中是位移向量｛u｝的函數(shù)；｛P｝為整體外載向量；｛R（u）｝為待定接觸力向量，是接觸點(diǎn)對(duì)相對(duì)位移的函數(shù)；｛f（u）｝為右端項(xiàng)向量。

這里存在2種迭代過程，即接觸狀態(tài)迭代和塑性修正迭代。

由套管和接箍組成的接觸體系，將其看成2個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，按有限元的要求離散成若干單元，根據(jù)虛功原理，對(duì)套管和接箍分別在整體坐標(biāo)系下建立剛度方程，即

式中：Ka、Kb為接觸體的剛度矩陣；Ua、Ub為待求的節(jié)點(diǎn)位移向量；Pa、Pb為已知的節(jié)點(diǎn)外力向量；Ra、Rb為未知接觸節(jié)點(diǎn)接觸力向量；下標(biāo)a、b分別代表套管、接箍。

顯然，式（2）中未知量的個(gè)數(shù)多于方程數(shù)，方程無法求解。在實(shí)際求解時(shí)，需要先假設(shè)接觸狀態(tài)，然后按這些狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的接觸條件補(bǔ)充方程后對(duì)式（2）求解。其結(jié)果應(yīng)滿足假定接觸狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的判定條件，否則需要修改接觸狀態(tài)繼續(xù)求解，直到滿足相應(yīng)的判定條件為止。

2．2 有限元模型

防托壓工具連接螺紋有限元模型如圖3所示。

圖3　螺紋強(qiáng)度分析有限元模型

2．3 計(jì)算結(jié)果分析

各載荷作用下螺紋接頭應(yīng)力云圖如圖4～7所示。

圖4　轉(zhuǎn)矩3 k N·m時(shí)母螺紋和公螺紋應(yīng)力云圖

圖5　轉(zhuǎn)矩3 k N·m、壓力100 k N時(shí)母螺紋和公螺紋應(yīng)力云圖

圖6　轉(zhuǎn)矩3 k N·m、壓力117 k N時(shí)母螺紋和公螺紋應(yīng)力云圖

圖7　轉(zhuǎn)矩3 k N·m、拉力17 k N時(shí)母螺紋和公螺紋應(yīng)力云圖

由圖4～7可以看出：母螺紋接頭的最大應(yīng)力值相差很小，公螺紋接頭在軸向載荷的作用下最大應(yīng)力值相反還有所降低，但是軸向載荷的作用使得接頭本體的應(yīng)力值增大。

對(duì)比工具所產(chǎn)生的最大載荷作用時(shí)螺紋接頭的應(yīng)力云圖和未使用該工具時(shí)的接頭應(yīng)力云圖，峰值應(yīng)力變化極小，接頭本體的應(yīng)力值略有增加，但是本體的應(yīng)力值遠(yuǎn)小于接頭的峰值應(yīng)力。

載荷作用下接頭的最大應(yīng)力值為95．6 M Pa，而根據(jù)鉆桿材料的特性，當(dāng)循環(huán)次數(shù)為1010次時(shí)，疲勞應(yīng)力值為205．2 M Pa，1010次對(duì)于頻率20 H z的作用力可連續(xù)使用2 314．8 h。因此，該工具的使用對(duì)鉆桿接頭的使用壽命影響極小。

3　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要及參數(shù)設(shè)計(jì)，試制了120．65 mm （4英寸）規(guī)格的水平井防托壓工具。為檢測(cè)新型水平井段防托壓工具的使用性能，于2014-05-25在陜北40782鉆井隊(duì)鉆井現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了下井試驗(yàn)（如圖8）。試驗(yàn)井位為D PS-71井，設(shè)計(jì)井深3 998．7 m，垂深2 792．00 m，溫度梯度為3．12 m／d m，預(yù)計(jì)溫度87．11℃。

下井鉆具組合為：?101 mm鉆桿＋?120 mm防托壓工具＋?120 mm M W D＋?120 mm 1°單彎螺桿鉆具＋?152．4 mm P D C；泥漿泵排量為13～14 L／s。下鉆后進(jìn)尺11．7 m，井深為2 993．7 m，防托壓工具泵耗為2．5～3．0 M Pa（如圖9所示）。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：水平井防托壓工具工作參數(shù)與設(shè)計(jì)相符，可以產(chǎn)生預(yù)期效果，使用該工具可以降低水平井段摩擦阻力，提高水平井延伸鉆進(jìn)能力。

圖8　防托壓工具現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

圖9　防托壓工具壓耗測(cè)試

4　結(jié)論

1） 水平井防托壓工具工作參數(shù)與設(shè)計(jì)相符，可以降低水平井段摩擦阻力，解決井下卡鉆、鉆井進(jìn)尺小的問題。

2） 防托壓工具產(chǎn)生的壓力脈沖對(duì)絕大多數(shù)M W D沒有干擾，因此可以配合M W D使用。

3） 防托壓工具產(chǎn)生的周期性溫和振蕩不會(huì)對(duì)鉆頭或其他鉆具連接螺紋使用壽命造成影響。

［1］ Johanesiek C A，F(xiàn)risen D B，Dawson R．Torque and drag in directional welis prediction and meassurement ［G］．SP E11380，1983．

［2］ Brett J F，Beekett C A，S mith D L．Uses and limitations of a directional and torque m odel to m onitor hole Eonditions［G］．SP E16664，1987．

［3］ H o H S．Im proved m odeling program for co m puting the torque and drag in directional and deep wells［G］．SP E18047，1988．

［4］ 劉巨保，張學(xué)鴻，樊顯妹．長(zhǎng)中半徑水平井鉆柱接觸摩擦阻力分析［J］．計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)及其應(yīng)用，1993，10（3）：352-354．

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Safety Evaluation and Test of the Horizontal W ells Anti-Tropsch Press Tool

SU Shanlin1，ZHU Xiaohua2，WANG Xin1，HAO Rong ming1，Z H A N G G uowei1，S HI Changshuai2，R E N G uangbing1
（1.H uanghe Drilling Tubular&Tools Com pany，Shengli Petroleu m Engineering Co.，Dongying257091，China；2.College of M echatronic Engineering，South west Petroleu m Uniuersity，Chengdu610500，China）

T he frictional resistance has been the m ost direct cause of the dow n hole co m plex accident，to reduce the horizontal wells’friction is the key to reduce horizontal wells accidents，improve drilling speed and purpose layer target rate．To the question，the horizontal wells A nti-Tropsch press toolis designed．It can reduce the horizontal wells’friction，im prove drilling speed，and solve the problem of dow nhole sticking and drilling footage small．According to the analysis，the working parameter of A nti-Tropsch press tool can meet design requirement and achieve the desired results．Use the tool can be able to reduce the horizontal section of the frictional resistance，im prove horizontal wells extend drilling capacity，and no to damage bit or other tool connection thread．

horizontal well；drill string；frictional resistance；R O P；drilling footage

T E921．207

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．01．009

1001-3482（2015）01-0034-04

2014-07-26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51122406）；四川省高等學(xué)校科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（12 T D007）

蘇山林（1969-），男，山東東明人，高級(jí)工程師，主要從事鉆井工具及井控設(shè)備研究，E-mail：susl163＠163．co m。