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        扭力沖擊器對鉆柱黏滑振動的影響分析

        2022-08-01 09:10:30毛良杰馬茂原劉立鵬張偉陳春宇
        斷塊油氣田 2022年4期
        關(guān)鍵詞:扭力鉆柱破巖

        毛良杰,馬茂原,劉立鵬,張偉,陳春宇

        (1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室,四川 成都 610500;2.中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院,陜西西安 710018;3.中國石油長慶油田分公司第三采油廠,甘肅 銀川 750006;4.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院,陜西 西安 710018)

        0 引言

        隨著油氣資源勘探開發(fā)的不斷深入,鉆井難度越來越大[1]。在鉆遇硬地層時,由于巖石塑性和硬度較大,因此PDC鉆頭破巖效果差,且極易產(chǎn)生黏滑振動,以至其過早失效,最終大幅降低機械鉆速[2-4]。而扭力沖擊器可以將鉆井液流動能量轉(zhuǎn)變成高頻、扭向和穩(wěn)定的扭轉(zhuǎn)沖擊能量,并將其直接傳給PDC鉆頭,從而輔助克服摩擦扭矩和抑制鉆柱黏滑振動[5-6]。扭力沖擊器工作參數(shù)作為影響扭沖工具應(yīng)用效果的直接因素[6],需要評價其對鉆柱黏滑振動的影響,從而可為扭力沖擊器工作參數(shù)的選擇提供參考。

        目前,國外眾多學(xué)者針對鉆柱黏滑振動開展了大量研究,并提出了許多方法。1982年,Belokobyl′skii等[7]首次定義了黏滑振動,并提出了扭轉(zhuǎn)擺模型的雛形;在此基礎(chǔ)上,Kyllingstad等[8-10]不斷優(yōu)化,建立了鉆柱集中質(zhì)量扭轉(zhuǎn)擺模型。Richard等[11]在Van de Vrande等[12]輪帶-彈簧-質(zhì)量塊模型的基礎(chǔ)上,考慮鉆頭與地層的相互作用,開發(fā)了一種全新的彈簧-質(zhì)量塊模型。Navarro-Lopez等[13-14]相繼建立了二自由度、四自由度和多自由度扭轉(zhuǎn)擺模型。其中,Richard方法和Navarro-Lopez方法是目前研究黏滑振動最為常用的方法。近年來,扭力沖擊器由于可以有效抑制鉆柱黏滑振動而受到廣泛關(guān)注,國內(nèi)外許多學(xué)者針對扭力沖擊器開展了大量研究。Deen等[15-16]對扭力沖擊器應(yīng)用案例進行了總結(jié)和分析,發(fā)現(xiàn)扭力沖擊器可以有效縮短鉆井周期和降低鉆頭磨損。祝效華等[17-18]開展了扭力沖擊器關(guān)鍵部件的設(shè)計和室內(nèi)實驗,并通過建立全尺寸PDC鉆頭破巖三維仿真模型,研究了扭力沖擊器輔助破巖的機理。閆炎等[19-20]開展了扭力沖擊器破巖實驗,研究了巖石破碎過程和破巖效率。柳貢慧等[21-22]將扭力沖擊器與旋沖鉆具結(jié)合,設(shè)計了一種復(fù)合沖擊鉆具,并通過地面實驗,研究了其沖擊功和沖擊頻率與排量和鉆頭噴嘴直徑之間的關(guān)系。田家林等[23-24]對扭力沖擊器降黏特性進行了研究,提出了一種新型扭力沖擊器,并分析了鉆井參數(shù)對其使用效果的影響。李瑋等[25-27]采用單自由度扭轉(zhuǎn)模型,分別分析了PDC鉆頭鉆進時鉆具組合和鉆井參數(shù)對扭轉(zhuǎn)沖擊鉆進的影響。

        綜上所述,目前關(guān)于扭力沖擊器的研究更多聚焦于分析其輔助破巖機理,而考慮扭力沖擊器對鉆柱黏滑振動影響的研究較少,且已有研究大都采用單自由度或雙自由度模型,從而忽略了鉆桿和鉆鋌的影響,并且沒有分析扭力沖擊器工作參數(shù)對鉆柱黏滑振動的影響。因此,本文考慮扭力沖擊器提供的高頻扭矩建立了四自由度鉆柱扭轉(zhuǎn)振動模型,采用四階-五階Runge-Kutta算法進行求解,分析扭力沖擊器對鉆柱黏滑振動的抑制作用,并討論扭轉(zhuǎn)沖擊載荷和沖擊頻率對鉆柱黏滑振動的影響。

        1 鉆柱扭轉(zhuǎn)振動模型的建立

        1.1 考慮扭轉(zhuǎn)沖擊作用的鉆柱扭轉(zhuǎn)振動模型

        扭力沖擊器是一種安裝在PDC鉆頭上部并配合鉆頭使用的井下工具。鉆井液流入工具內(nèi)部后,啟動錘和撞擊錘(高頻撞擊系統(tǒng))形成高速的相對運動,不斷撞擊沖擊面,最終形成高頻、穩(wěn)定的扭轉(zhuǎn)沖擊能量,并直接傳遞給PDC鉆頭輔助破巖。本文在建立鉆柱扭轉(zhuǎn)振動模型時,假設(shè)如下:1)將轉(zhuǎn)盤、鉆桿、鉆鋌和鉆頭視為4個質(zhì)量塊,相鄰質(zhì)量塊之間由彈簧連接(見圖1,其中符號注釋見式(1)、式(2));2)不考慮鉆柱橫向振動對扭轉(zhuǎn)振動的影響;3)用集中的摩擦扭矩表示鉆頭-巖石、鉆柱-井壁間的摩擦作用。

        圖1 考慮扭轉(zhuǎn)沖擊作用的四自由度鉆柱扭轉(zhuǎn)振動模型

        常規(guī)四自由度鉆柱扭轉(zhuǎn)振動動力學(xué)方程為

        本文在構(gòu)建鉆柱扭轉(zhuǎn)振動模型時,需要考慮扭力沖擊器提供的高頻扭矩,通過對圖1中各質(zhì)量塊進行受力分析,式(1)可改寫為

        式中:T為扭力沖擊器提供的高頻扭矩(與扭轉(zhuǎn)沖擊載荷和沖擊頻率有關(guān)),N·m;Cr,Cb分別為轉(zhuǎn)盤和鉆頭處的黏性阻尼系數(shù),N·m·s/rad。

        鉆頭與巖石的摩擦扭矩可表示為

        其中:

        式中:Dv為臨界轉(zhuǎn)速,rad/s;Tr為施加在鉆頭上的扭矩,N·m;Tsb為最大靜摩擦扭矩,N·m;WOB為鉆壓,N;μb為鉆頭摩擦因數(shù);Rb為鉆頭半徑,m;μsb為鉆頭靜摩擦因數(shù);μcb為鉆頭動摩擦因數(shù);γb為與鉆頭和巖石有關(guān)的系數(shù)(0<γb<1)。

        因此,將式(2)整理可得:

        將式(6)簡化,可以得到:

        其中:

        1.2 鉆柱扭轉(zhuǎn)振動動力學(xué)模型求解

        本文采用四階-五階Runge-Kutta算法求解考慮扭力沖擊器高頻扭矩的鉆柱扭轉(zhuǎn)振動動力學(xué)方程,主要流程見圖2(其中t為時間,Δt為時間步長)。

        圖2 扭轉(zhuǎn)振動動力學(xué)模型求解流程

        2 鉆柱黏滑振動特性分析

        2.1 扭力沖擊器對鉆柱黏滑振動的影響

        Navarro-Lopez等[14,23,28]、對 鉆 柱 黏 滑 振 動 進 行 了仿真分析,表1、表2列出了他們所采用的鉆柱扭轉(zhuǎn)振動模型的主要計算參數(shù)。

        表1 主要鉆具參數(shù)

        將表2中的參數(shù)代入本文鉆柱扭轉(zhuǎn)振動動力學(xué)方程,能夠較好再現(xiàn)他們的仿真結(jié)果,說明在此基礎(chǔ)上進行考慮扭轉(zhuǎn)沖擊作用的鉆柱黏滑振動特性分析是可靠而有效的。計算求解時,時間步長為0.001 s,模擬總時間為100 s。

        表2 黏滑振動基本計算參數(shù)

        無扭力沖擊器時,恒定轉(zhuǎn)盤扭矩下轉(zhuǎn)盤、鉆桿、鉆鋌和鉆頭并不是同時轉(zhuǎn)動的,轉(zhuǎn)盤扭矩向下部傳遞時存在一定延遲。鉆頭轉(zhuǎn)動時會受到地層的摩擦作用,當(dāng)上部鉆柱傳遞的扭矩不足以克服摩擦扭矩時,需要扭矩的積累,從而出現(xiàn)黏滑現(xiàn)象。當(dāng)鉆頭接收的扭矩大于地層最大靜摩擦扭矩時,鉆頭從黏滯向滑移狀態(tài)轉(zhuǎn)變,此時鉆頭瞬間加速,角加速度達到8 rad/s2左右,這將對鉆頭和近鉆頭處鉆柱造成極大破壞。

        圖3為無扭力沖擊器和安裝扭力沖擊器下的鉆頭扭轉(zhuǎn)振動特性。所選用的扭力沖擊器的扭轉(zhuǎn)沖擊載荷為2 000 N·m,沖擊頻率為1 200 Hz。從圖3可以看出:安裝扭力沖擊器后,鉆柱黏滑振動得到了很好抑制,鉆頭角位移與時間基本呈線性關(guān)系,穩(wěn)定后鉆頭角速度維持在一個較高的數(shù)值,鉆頭角加速度和扭矩在短暫波動后,圍繞一固定值上下小幅波動。最終安裝扭力沖擊器的鉆頭在100 s內(nèi)的角位移約是無扭力沖擊器鉆頭的2.31倍,極大提高了機械鉆速。由于扭力沖擊器為鉆頭提供了額外的高頻扭轉(zhuǎn)沖擊能量,鉆頭可以持續(xù)破巖而無需扭矩積累,從而減小了鉆頭角速度、角加速度和扭矩的波動幅度,最終減弱甚至消除了鉆柱黏滑振動。

        圖3 無扭力沖擊器和安裝扭力沖擊器下的鉆頭扭轉(zhuǎn)振動特性

        2.2 扭力沖擊器工作參數(shù)對鉆柱黏滑振動的影響

        扭轉(zhuǎn)沖擊載荷和沖擊頻率是扭力沖擊器的2個主要工作參數(shù),將直接影響扭力沖擊器的使用效果。扭轉(zhuǎn)沖擊載荷主要受扭力沖擊器螺旋齒角度的影響,沖擊頻率則主要與沖擊錘沖程、流道面積和排量等有關(guān)[6]。在工程應(yīng)用中,根據(jù)扭力沖擊器結(jié)構(gòu)參數(shù)和鉆井液排量,可以改變扭轉(zhuǎn)沖擊載荷和沖擊頻率。因此,基于考慮扭轉(zhuǎn)沖擊作用的鉆柱扭轉(zhuǎn)振動模型,本節(jié)分析了扭轉(zhuǎn)沖擊載荷和沖擊頻率對鉆柱黏滑振動的影響。

        表3給出了扭力沖擊器的部分參數(shù)。一般情況下,扭力沖擊器沖擊頻率控制在500~2 000 Hz。本文選擇203 mm外徑的扭力沖擊器,分析了不同扭轉(zhuǎn)沖擊載荷和沖擊頻率時的鉆柱黏滑振動特性。

        表3 扭力沖擊器基本參數(shù)

        2.2.1 扭轉(zhuǎn)沖擊載荷

        扭轉(zhuǎn)沖擊載荷作為扭力沖擊器最重要的工作參數(shù),其大小直接影響鉆頭能否克服摩擦扭矩和抑制鉆柱黏滑振動。

        圖4為沖擊頻率為900 Hz時,不同扭轉(zhuǎn)沖擊載荷下的鉆柱扭轉(zhuǎn)振動特性。當(dāng)扭轉(zhuǎn)沖擊載荷為475 N·m時,雖然還是會出現(xiàn)黏滑現(xiàn)象,但是黏滑周期相較于無扭力沖擊器鉆頭縮短了26%左右。這說明475 N·m扭轉(zhuǎn)沖擊載荷下的扭力沖擊器可以抑制鉆頭的黏滑振動,只是作用效果較弱。當(dāng)扭轉(zhuǎn)沖擊載荷增加到2 097 N·m時,鉆頭的黏滑振動明顯消除,鉆頭角位移與時間呈線性關(guān)系。而相較于2 097 N·m扭轉(zhuǎn)沖擊載荷,當(dāng)扭轉(zhuǎn)沖擊載荷增加到2 527 N·m時,鉆頭扭轉(zhuǎn)振動特性未發(fā)生明顯變化,100 s內(nèi)的鉆頭角位移增加了6%左右。因此,扭力沖擊器提供的扭轉(zhuǎn)沖擊載荷可以很好地抑制甚至消除鉆柱黏滑振動,而當(dāng)黏滑現(xiàn)象消失后,繼續(xù)增大扭轉(zhuǎn)沖擊載荷雖然可以增加鉆頭角位移,但增益較小。

        圖4 不同扭轉(zhuǎn)沖擊載荷下的鉆頭扭轉(zhuǎn)振動特性

        2.2.2 沖擊頻率

        合理的沖擊頻率可以為鉆頭提供更為穩(wěn)定的扭轉(zhuǎn)沖擊載荷,從而提高鉆頭破巖時的穩(wěn)定性。因此,本節(jié)分析了2 097 N·m扭轉(zhuǎn)沖擊載荷下,不同沖擊頻率時鉆頭的扭轉(zhuǎn)振動特性(見圖5)。

        從圖5可以看出,在10~20 s時鉆頭扭轉(zhuǎn)振動特性受沖擊頻率的影響較為明顯。當(dāng)沖擊頻率為500 Hz或600 Hz時,鉆柱會出現(xiàn)一次黏滑現(xiàn)象,但是黏滑周期很短,并且隨著沖擊頻率的增加,鉆柱黏滑振動逐漸減弱甚至消失。圖5d很好地說明了這一點。這是由于當(dāng)沖擊頻率較低時,鉆頭無法及時有效地破碎巖石,需要扭矩的積累,從而導(dǎo)致黏滑振動產(chǎn)生;當(dāng)沖擊頻率增加后,高頻扭轉(zhuǎn)沖擊使得鉆頭可以連續(xù)破巖,最終消除鉆柱黏滑振動。

        圖5 不同沖擊頻率下的鉆頭扭轉(zhuǎn)振動特性

        圖6為不同沖擊頻率下鉆柱系統(tǒng)的角速度(S2為方差)。由圖6可知:不同沖擊頻率下,鉆柱各質(zhì)量塊的角速度基本相同,均圍繞6.5 rad/s上下波動,但隨著沖擊頻率的不斷增加,各質(zhì)量塊的角速度波動幅度逐漸減小。

        圖6 不同沖擊頻率下鉆柱系統(tǒng)的角速度

        與沖擊頻率低于1 000 Hz的鉆柱角速度相比,增大到1 000 Hz后鉆柱各質(zhì)量塊的角速度方差僅為之前的1/10左右,其波動幅度大大減小,使得鉆柱運動更加穩(wěn)定。因此,扭力沖擊器沖擊頻率可以有效減弱鉆柱黏滑振動和提高鉆柱轉(zhuǎn)動時的穩(wěn)定性,在實際鉆井工程設(shè)計中,扭力沖擊器在滿足扭轉(zhuǎn)沖擊載荷要求的前提下,可提高其沖擊頻率至1 000 Hz以上。

        3 結(jié)論

        1)扭力沖擊器可以為鉆頭提供額外的扭矩,相較于無扭力沖擊器鉆進,鉆頭可以持續(xù)破巖而無需扭矩的積累,從而減小了鉆頭角加速度的波動幅度,使得鉆頭角速度維持在一個較高的數(shù)值,最終有效提高機械鉆速。

        2)當(dāng)扭轉(zhuǎn)沖擊載荷較低時(低于2 000 N·m),增大扭轉(zhuǎn)沖擊載荷可以明顯抑制甚至消除鉆柱黏滑振動,但繼續(xù)增大對鉆柱扭轉(zhuǎn)振動特性影響較??;當(dāng)沖擊頻率較小時(500 Hz或600 Hz),仍有黏滑現(xiàn)象發(fā)生,增大沖擊頻率可以抑制鉆柱黏滑振動,同時減小鉆柱角速度波動幅度,從而提高鉆柱轉(zhuǎn)動時的穩(wěn)定性。

        3)在實際鉆井過程中,為了滿足破巖需要,建議扭力沖擊器扭轉(zhuǎn)沖擊載荷達到2 000 N·m左右,沖擊頻率達到1 000 Hz以上,從而有效抑制鉆柱黏滑振動并提高鉆柱使用壽命。

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