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        井下鉆柱粘滑振動(dòng)的識(shí)別及控制

        2022-02-09 08:09:04趙洪山
        西部探礦工程 2022年12期
        關(guān)鍵詞:振動(dòng)效率智能

        趙洪山

        (中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院,山東 東營(yíng) 257000)

        鉆井過程中,粘滑振動(dòng)是導(dǎo)致PDC 鉆頭切削齒損壞和井下工具過早失效的主要原因之一,嚴(yán)重影響了鉆井效率和鉆井周期。大量理論和實(shí)驗(yàn)研究證實(shí),鉆頭切削特性、底部鉆具結(jié)構(gòu)及鉆井參數(shù)等因素均會(huì)對(duì)鉆頭粘滑振動(dòng)產(chǎn)生較大的影響[1-3],在鉆頭設(shè)計(jì)中加入切削深度控制器(DOCC)、提高鉆柱的扭轉(zhuǎn)剛度并優(yōu)化鉆壓、轉(zhuǎn)速等參數(shù),有利于抑制鉆柱粘滑振動(dòng);然而關(guān)于PDC 鉆頭攻擊性對(duì)粘滑振動(dòng)的影響,目前仍然存在較大的爭(zhēng)議。為了分析PDC 鉆頭切削結(jié)構(gòu)的攻擊性對(duì)粘滑振動(dòng)的影響,哈里伯頓公司利用研發(fā)的智能PDC鉆頭采集了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆的鉆頭振動(dòng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行深入分析,為揭示鉆柱粘滑振動(dòng)成因、類型及控制方法提供了有意義的參考。

        1 鉆柱粘滑振動(dòng)識(shí)別

        智能PDC 鉆頭是實(shí)現(xiàn)利用鉆頭直接獲取井下工程信息的鉆頭技術(shù),如圖1所示,為哈里伯頓公司研制的智能PDC鉆頭示意圖。在鉆頭接頭內(nèi)部,安裝有13個(gè)傳感器,包括3個(gè)加速度計(jì)、3個(gè)磁力計(jì)、3個(gè)陀螺儀、3 個(gè)測(cè)斜儀和1 個(gè)溫度傳感器,可直接測(cè)量鉆壓、鉆頭扭矩、彎矩、振動(dòng)和轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù),其中加速度計(jì)工作范圍±200g,精度80mg;陀螺儀工作范圍±333r/min,精度0.5r/min;數(shù)據(jù)采集頻率為1000Hz;最大作業(yè)溫度為130°C;最大作業(yè)壓力20kps;存儲(chǔ)芯片可記錄150h的數(shù)據(jù)。

        圖1 智能PDC鉆頭示意圖

        智能PDC 鉆頭研制出來(lái)后,在全球范圍內(nèi)開展了56 井次的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,井型包括直井、定向井和水平井,鉆頭直徑范圍為200.025~311.15mm,刀翼數(shù)量為5~8個(gè)。鉆進(jìn)過程中,智能鉆頭記錄下鉆頭扭矩、振動(dòng)和轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù),用于鉆后每個(gè)井段粘滑特性的詳細(xì)分析。為研究切削結(jié)構(gòu)攻擊性對(duì)粘滑振動(dòng)的影響,現(xiàn)場(chǎng)所用的智能PDC 鉆頭均設(shè)計(jì)了臺(tái)階式保徑塊,以確保其不與井壁接觸,從而可以消除對(duì)粘滑振動(dòng)的影響。

        如圖2所示,給出了利用智能鉆頭測(cè)量并分析得到的因PDC鉆頭切削引起的粘滑振動(dòng)變化情況[4]。從圖中可以看出,PDC 鉆頭粘滑振動(dòng)是由鉆頭切削引起的軸向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)之間的耦合產(chǎn)生的,其特征主要為:①粘滯階段鉆頭轉(zhuǎn)速為零;②粘滯階段不存在軸向振動(dòng)和橫向振動(dòng),這些特征為確定粘滑振動(dòng)是否由鉆頭切削所引起提供了幫助。

        圖2 鉆頭切削引起的典型粘滑振動(dòng)

        2 鉆柱粘滑振動(dòng)控制

        2.1 鉆頭扭矩和鉆頭攻擊性的關(guān)系

        利用Chen 等人建立的鉆頭和巖石之間的相互作用模型[5],計(jì)算得到了?215.9mm鉆頭A和鉆頭B的鉆壓與鉆頭扭矩之間的關(guān)系,如表1所示。從表中可以看出,與鉆頭A相比,鉆頭B只需55%的鉆壓和60%的鉆頭扭矩即可獲得相同的機(jī)械鉆速(15.24m/h),由此表明攻擊性強(qiáng)的鉆頭不易發(fā)生粘滑振動(dòng)。

        表1 鉆壓和鉆頭扭矩計(jì)算結(jié)果(機(jī)械鉆速=15.24m/h)

        此外,從現(xiàn)場(chǎng)施工角度容易理解上述情況,在給定鉆井條件下,對(duì)于攻擊性強(qiáng)的PDC 鉆頭,司鉆通常施加相對(duì)較小的鉆壓便可以獲得理想的鉆速,從而攻擊性強(qiáng)的鉆頭需要的鉆壓和破巖扭矩較小。因此,攻擊性強(qiáng)的鉆頭不易發(fā)生粘滑振動(dòng),原因如下:

        (1)在給定機(jī)械鉆速的情況下,鉆頭反扭矩小,有助于抑制粘滑振動(dòng);

        (2)在給定機(jī)械鉆速的情況下,需要的鉆壓小,而小鉆壓不易導(dǎo)致BHA 橫向變形或屈曲,從而減輕了BHA 與井壁的接觸,當(dāng)因此產(chǎn)生的摩擦扭矩偏小時(shí),便不易引起粘滑振動(dòng)。

        2.2 PDC鉆頭鉆進(jìn)效率計(jì)算

        PDC鉆頭鉆進(jìn)效率DE定義為:

        式中:Es——機(jī)械比能,MPa;

        A——井眼橫截面積,m2;

        σ?guī)r石——巖石抗壓強(qiáng)度,MPa;

        RPM——轉(zhuǎn)速,r/min;

        ROP——機(jī)械鉆速,m/h;

        WOB——鉆壓,kN;

        TOB——鉆頭扭矩,kN·m[6-8]。

        式(2)中,因右側(cè)第一項(xiàng)與第二項(xiàng)相比非常小,可以忽略不計(jì),若RPM和ROP已知,則Es的大小主要由TOB決定。因此,DE與TOB近似成反比關(guān)系,表明PDC 鉆頭的攻擊性越強(qiáng),其鉆進(jìn)扭矩越小,鉆進(jìn)效率DE越高。

        利用式(1)和式(2),經(jīng)計(jì)算可得鉆頭B 的鉆進(jìn)效率DE平均值為64%,而鉆頭A的DE平均值為38%,說明鉆頭B比鉆頭A的攻擊性強(qiáng),因此可以用DE平均值間接表示PDC鉆頭的攻擊性。此外,從智能鉆頭的轉(zhuǎn)速測(cè)量結(jié)果看,由于鉆頭A發(fā)生了切削引起的粘滑,而鉆頭B沒有發(fā)生粘滑,表明可以使用DE平均值來(lái)確定鉆頭切削結(jié)構(gòu)的攻擊性是否足以抑制PDC 鉆頭粘滑振動(dòng)的發(fā)生。

        2.3 PDC鉆頭粘滑控制

        為確定DE平均值與粘滑振動(dòng)之間的關(guān)系,對(duì)智能鉆頭測(cè)得的44 次井下數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,有30次未發(fā)生粘滑,而其他14次則發(fā)生了PDC鉆頭粘滑振動(dòng)。

        如圖3所示,給出了計(jì)算得到的鉆進(jìn)效率DE平均值與PDC 鉆頭粘滑振動(dòng)之間的關(guān)系。從圖中可以看出,當(dāng)DE值大于45%時(shí),PDC 鉆頭沒有發(fā)生因切削引起的粘滑振動(dòng),也就是說,如果設(shè)計(jì)的PDC鉆頭DE值大于45%,那么鉆井過程中將不會(huì)發(fā)生粘滑問題。因此,為了抑制切削引起的粘滑振動(dòng),建議PDC 鉆頭的DE值應(yīng)至少為45%。

        圖3 PDC鉆頭DE值與粘滑振動(dòng)的關(guān)系

        2.4 PDC鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        如前所述,PDC 鉆頭的鉆進(jìn)效率DE值越大,攻擊性越強(qiáng),并且DE值越大,有助于抑制粘滑振動(dòng)。提高PDC 鉆頭攻擊性的做法通常包括:減少刀翼及切削齒數(shù)量、增大切削齒尺寸和減小切削齒后傾角及倒角尺寸,同時(shí)還應(yīng)考慮主切削齒和備用切削齒的布置對(duì)鉆頭鉆進(jìn)效率DE的影響,以及切削深度控制器(DOCC)對(duì)粘滑振動(dòng)的影響。

        經(jīng)統(tǒng)計(jì),在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的未發(fā)生粘滑振動(dòng)的30 井次施工中,有27次PDC鉆頭鉆進(jìn)效率DE值大于臨界DE值,而其中17 次鉆頭未安裝DOCC。這表明,如果DE值足夠大,那么PDC鉆頭可以不需要使用DOCC來(lái)抑制粘滑振動(dòng);相反,在發(fā)生粘滑振動(dòng)且鉆頭鉆進(jìn)效率DE值小于臨界值的26 次施工中,有12 次鉆頭安裝了DOCC,表明如果PDC 鉆頭鉆進(jìn)效率DE值小于臨界值,則僅靠DOCC無(wú)法有效抑制粘滑振動(dòng)。

        綜上分析,PDC鉆頭的切削結(jié)構(gòu)(主切削齒和備用切削齒)設(shè)計(jì)應(yīng)在有限的切削深度內(nèi)盡可能增強(qiáng)攻擊性,并且當(dāng)超過該切削深度后,可以考慮增加DOCC設(shè)計(jì),以便更有效抑制鉆頭粘滑振動(dòng)。

        3 結(jié)論建議

        (1)智能鉆頭通過在接頭部位安裝加速度計(jì)、磁力計(jì)等傳感器,能夠測(cè)量鉆頭處的鉆壓、扭矩、彎矩、振動(dòng)和轉(zhuǎn)速等井下工程信息,從而為鉆柱粘滑振動(dòng)分析提供了幫助。

        (2)在相同機(jī)械鉆速情況下,與攻擊性較弱鉆頭相比,攻擊性強(qiáng)的鉆頭由于施加鉆壓小,減輕了BHA 與井壁的摩擦接觸,加之自身反扭矩較小,不易發(fā)生粘滑振動(dòng)。

        (3)PDC 鉆頭攻擊性可使用鉆進(jìn)效率DE進(jìn)行表征,DE值越大表明鉆頭攻擊性越強(qiáng),為有效抑制鉆頭粘滑振動(dòng),PDC 鉆頭切削結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)為DE值大于臨界值。

        (4)鉆柱粘滑振動(dòng)是由鉆頭切削和鉆柱摩擦共同產(chǎn)生的,建議針對(duì)不同的地層特性和井眼條件,深入開展鉆頭切削特性、鉆具結(jié)構(gòu)及鉆井參數(shù)等因素的綜合優(yōu)化研究,進(jìn)一步提升井下粘滑振動(dòng)的控制效果,從而實(shí)現(xiàn)提高鉆井效率、并縮短鉆井周期的目的。

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