常瑋， 易先中，， 萬繼方， 魏世忠， 江勝宗

（1.長江大學(xué)a.非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 荊州 434025；b.機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434020；3.北京加華維爾能源技術(shù)有限公司，北京 100028）

0 引言

在石油開采鉆井過程中鉆井管柱與井壁之間會(huì)產(chǎn)生摩阻力，根據(jù)鉆柱運(yùn)動(dòng)形式的不同將此摩阻力分為軸向摩擦阻力和周向摩擦扭矩。然而，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)井造斜段以下的滑動(dòng)鉆井中，鉆柱倚靠在下井壁上，使得鉆柱和井眼之間的摩擦阻力急劇增大，導(dǎo)致鉆壓不能有效地傳遞至鉆頭，降低鉆井效率。摩擦力過大還會(huì)引發(fā)鉆桿屈曲，并最終鎖死，導(dǎo)致鉆井事故的發(fā)生。

1 井下摩阻產(chǎn)生的原因及危害

鉆井摩阻產(chǎn)生的原因較多，主要有［1］：1）井斜角變大，鉆柱對(duì)井壁的載荷也將隨之增大，最終導(dǎo)致鉆柱運(yùn)動(dòng)阻力變大；2）當(dāng)液柱與地層形成較大壓差時(shí)，導(dǎo)致鉆柱壓向井壁，產(chǎn)生推靠力，易形成壓差卡鉆；3）洗井效果差，形成嚴(yán)重的井眼巖屑床和井壁坍塌掉塊，極易導(dǎo)致砂橋卡鉆；4）井眼周圍應(yīng)力分布不平衡導(dǎo)致井眼變形，鉆井摩阻增大。

鉆井摩阻較大為鉆井工程帶來了很多麻煩［2］：1）鉆柱在起下鉆時(shí)困難很大，起鉆時(shí)受到超重負(fù)荷，下鉆時(shí)受到較大阻力；2）滑動(dòng)鉆進(jìn)的過程中不能有效地將鉆壓傳遞至鉆頭，鉆速小，效率低；3）旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中周向摩扭矩很大，導(dǎo)致鉆柱強(qiáng)度破壞；4）套管下入過程中阻力較大，無法入底，并且被嚴(yán)重磨損。

2 國內(nèi)外減摩方法研究

目前，國內(nèi)外研究的降低鉆井摩阻和扭矩的手段有很多，如提高鉆井液潤滑性能、隨鉆監(jiān)測摩阻和扭矩、井眼軌跡優(yōu)化、管柱上安裝滾子、采用降低扭矩的專用井下工具［3-8］等等。上述方法有些可以同時(shí)實(shí)施，有些只能用在常規(guī)管柱或連續(xù)管上。而井下機(jī)械振動(dòng)減摩技術(shù)則具有很多優(yōu)勢：1）具有較強(qiáng)的通用性，在常規(guī)管柱鉆井和連續(xù)油管鉆井中均可以使用；2）可以平穩(wěn)地、大限度地傳遞鉆壓，明顯提高鉆速；3）和鉆頭、MWD、LWD等設(shè)備有良好的兼容性，延長鉆頭的使用壽命。

3 機(jī)械振動(dòng)減摩基本原理

滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)，由于鉆桿的自重以及井眼軌跡的復(fù)雜性，導(dǎo)致鉆柱躺在下井壁上，由于鉆桿不旋轉(zhuǎn)只做軸向運(yùn)動(dòng)，機(jī)械鉆速非常低以至于鉆柱處于一個(gè)相對(duì)靜止的狀態(tài)，鉆柱在鉆進(jìn)過程中可以近似描述為蠕動(dòng)過程，即在一定時(shí)間內(nèi)鉆柱相對(duì)于井壁靜止，在另外時(shí)間內(nèi)相對(duì)于井壁運(yùn)動(dòng)，從而使得摩擦在動(dòng)態(tài)和靜態(tài)之間變換。

靜摩擦力通常比動(dòng)摩擦力大很多，井下機(jī)械振動(dòng)減摩方法則是在管柱上安裝振動(dòng)工具，利用流體通過一定的方式產(chǎn)生振動(dòng)，將靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)摩擦，從而減小管柱和井壁之間的摩阻，達(dá)到增加傳遞到鉆頭上的有效鉆壓、提高機(jī)械鉆速以及延伸管柱入井位移等目的。軸向水力振動(dòng)器為管柱提供軸向振動(dòng)，當(dāng)該軸向激勵(lì)力大于鉆柱的最大靜摩擦力與靜止時(shí)受到的摩擦力的差值時(shí)，那么此時(shí)的摩擦力便不再使鉆柱靜止于井壁，鉆柱開始向前運(yùn)動(dòng)。給鉆柱施加軸向振動(dòng)通過改變鉆柱受力狀態(tài)降低摩擦力可以通過疊加原理來解釋［3］，設(shè)該軸向振動(dòng)符合正弦曲線，則瞬時(shí)速度v和庫倫摩擦力的有效平均摩擦力 Feff可表示為［8］：

式中：vi為穩(wěn)定的管柱入井速度；vv為速度振動(dòng)幅值；t為時(shí)間；T為振動(dòng)周期；Tf和Tr分別表示正向和反向運(yùn)動(dòng)周期；F0是無振動(dòng)時(shí)的摩擦力。

顯然庫倫摩擦力的有效平均摩擦力小于無振動(dòng)時(shí)的摩擦力。綜上所述，軸向振動(dòng)可以將靜摩擦與動(dòng)摩擦進(jìn)行轉(zhuǎn)化，并且可減小平均摩擦力。

周向水力振動(dòng)器為管柱提供周向振動(dòng)，從圖1中可以看出，管柱受到周向振動(dòng)激勵(lì)后管柱與井壁間的接觸力明顯減小，當(dāng)振動(dòng)頻率及沖擊力達(dá)到一定值時(shí)導(dǎo)致管柱與井壁間的接觸面積由無振動(dòng)時(shí)的連續(xù)接觸變?yōu)殚g歇性接觸，接觸面積與接觸時(shí)間均減小，將靜摩擦轉(zhuǎn)化為動(dòng)摩擦，降低摩擦因數(shù)，降低管柱摩阻力。

圖1 滑動(dòng)鉆進(jìn)管柱受力圖

4 黃113-55井使用周向水力振蕩器的情況

4.1 基本數(shù)據(jù)

黃113-55井位于寧夏自治區(qū)鹽池縣麻黃山鄉(xiāng)后洼村，構(gòu)造屬伊陜斜坡，目的層位為長611，其完鉆井深為3289 m，完井方式為套管固井，水平段長度600 m，井身結(jié)構(gòu)如圖2所示。該井于2013年6月19日開鉆，表層下深384 m，2013年6月23日二開，造斜點(diǎn)2 240 m，入窗點(diǎn)2 775 m，7月4日06:00完鉆。直井段打至2 240 m時(shí)起鉆換造斜段鉆具組合，下入周向水力振蕩器。

圖2 黃113-55井身結(jié)構(gòu)

4.2 試驗(yàn)經(jīng)過

1）第一趟鉆。

a.2013年6月26日下入造斜段鉆具組合：φ212.7PDC×0.35+φ206LZ×1.25°×8.32+MWD 接頭×0.89+φ165NDC×9.30+461×410×0.5+φ127HDP×87.1（3 柱）+φ165周向水力振蕩器（3.59）+φ127DP（12柱）+φ127HDP（12柱）+φ127DP。水力振蕩器安放位置距鉆頭106.46 m。

b.鉆進(jìn)中情況。6月26日下鉆到底，造斜段鉆進(jìn)，2 240 m入井，7月1日2 775 m出井。鉆井參數(shù)為：立壓12～15 t，轉(zhuǎn)速 LZ，排量 34 L/s，鉆井液密度 1.02～1.16 g/cm3。其中，26～28日，井斜＜60°，無托壓現(xiàn)象，只有 28日有輕微黏阻。29日～下月1日井斜＞60°，出現(xiàn)輕微黏阻托壓嚴(yán)重的現(xiàn)象，滑動(dòng)時(shí)鉆壓加至24～30 kN，下放摩阻60 kN，上提摩阻80 kN。

圖3 水力振蕩器安裝示意圖

該趟鉆（造斜段）使用井段2 240～2 775 m，時(shí)間共109 h，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 造斜段鉆進(jìn)數(shù)據(jù)

2）第二趟鉆。

a.2013年7月2日下入水平段鉆具組合：φ212.7PDC×0.35+φ204LZ×1.25°φ206×8.32+φ209 球扶×0.96+461×460×0.5（回壓閥）+MWD 接頭×0.89+φ165NMDC×9.3+461×410×0.5+φ127HDP×87.1（3柱）+φ165周向水力振蕩器（3.59）+φ127DP（32 柱）+φ127HDP（12 柱）+φ127DP 水力振蕩器安放位置距鉆頭107.92m。

b.鉆進(jìn)中情況。7月2日下鉆到底，水平段鉆進(jìn)，2778 m入井，7月4日3 409 m出井。鉆井參數(shù)為：立壓19～21t，轉(zhuǎn)速 75+LG，排量 34 L/s，鉆井液密度 1.16～1.22 g/cm3，上提摩阻最大達(dá)160 kN，下放摩阻最大達(dá)120 kN。共入井54h，進(jìn)尺634m，其中純工作時(shí)間45h，機(jī)械鉆速14.1m/h?，F(xiàn)場鉆壓加至80 kN泵壓19～21 MPa，考慮到現(xiàn)場設(shè)備的使用情況，未再增加鉆壓。

該趟鉆（水平段）使用井段2775～3409m，時(shí)間共54h，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 水平段鉆進(jìn)數(shù)據(jù)

4.3 使用振蕩器的兩趟鉆效果與塬平5 3-2 2-1井對(duì)比

黃平113-5、塬平53-22-1，目的層為長611，儲(chǔ)層一致，鉆頭212.7M14941包井鉆頭，造斜段立林9LZ165×1.25°φ206 螺桿，水平段立林 9LZ165×1.25°φ204 螺桿，統(tǒng)計(jì)其相同井段的滑動(dòng)、復(fù)合機(jī)械鉆速如表3、表4、表5所示（注：塬平53-22-1井為未使用周向水力振蕩器，且數(shù)據(jù)來源于定向井施工記錄）。

表3 造斜段對(duì)比表

表4 水平段對(duì)比表

圖5 滑動(dòng)對(duì)比表

4.4 效用分析

1）周向水力振蕩器對(duì)MWD儀器信號(hào)采集和解釋沒有明顯的影響。

2）周向水力振蕩器在造斜段能有效地降低滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)的摩阻阻力，從而能夠改善鉆壓傳遞效果，降低托壓對(duì)滑動(dòng)鉆進(jìn)的影響，提高滑動(dòng)效率。

3）進(jìn)入水平段后，水力振蕩器的使用造成泵壓過高，導(dǎo)致鉆壓不敢加大，水平段復(fù)合鉆進(jìn)，鉆壓6t，泵壓20MPa。加不上壓影響水平段鉆時(shí)。

4）斜井段進(jìn)入60°以后，出現(xiàn)輕微黏阻托壓嚴(yán)重的局面；水平段托壓嚴(yán)重；滑動(dòng)速度比較發(fā)現(xiàn)，造斜段提高38.81%。水平段控制鉆壓，降低29.15%，因造斜段滑動(dòng)時(shí)間長，能充分發(fā)揮水力振蕩器效果，建議只在造斜段使用。

5 結(jié)語

通過本文分析表明，周向水力振蕩器能有效地降低滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)的摩阻阻力，從而使鉆壓更有效地傳遞至鉆頭，有利于井眼的延伸，提高鉆井效率。由于此次水平段鉆井使用周向水力振蕩器效果不是很明顯，因此本文為后續(xù)的工作提以下幾點(diǎn)建議：進(jìn)一步進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，根據(jù)水平段長度和效果總結(jié)周向振蕩器的最佳加入位置；拆卸分析使用的振蕩器磨損狀況，結(jié)合入井使用時(shí)間，推薦井下有效工作周期；在斜井段進(jìn)一步試驗(yàn)，以解決目前斜井段進(jìn)入60°以后托壓嚴(yán)重的局面。

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