水力振荡器最优安放位置研究与应用.pdf

钻井技术与装备 水力振荡器最优安放位置研究与应用 张 康 冯 强 王建龙 张汝广 于志强 夏鹤铭 （ 中国石油集团渤海钻探工程有限公司 华北油田公司开发部 大港油田第三采油厂） 摘要： 复杂结构井滑动钻进过程中， 托压现象严重， 钻头无法获得有效的钻压， 导致滑动钻 进机械钻速低。 水力振荡器通过轴向振动带动钻具产生轴向蠕动， 从而使滑动钻进的静摩擦转变 为动摩擦， 可以大幅降低摩阻， 从根本上解决托压问题。 对井眼轨迹进行了力学简化， 通过钻柱 瞬态动力学分析， 建立了工具有效传播距离的数学模型和计算方法。 针对张海 井的现场试 验提出了相对于钻头的最佳安放距离， 并对试验中机械钻速、 百米定向次数和滑动钻进进尺比例 等参数进行了统计分析， 验证了模型的有效性。 研究内容为该工具的有效应用提供了理论指导。 关键词： 水力振荡器； 安放位置； 托压； 滑动钻进； 机械钻速 中图分类号： 文献标识码： ： （ ； ； ， ） ： ， ， ， ， ， ， ， ， ： ； ； ； ； 引 言 复杂结构井在滑动钻进过程中， 托压现象严 重， 钻头无法获得真实有效的钻压， 导致滑动钻进 机械钻速低， 延长了钻进周期， 增加了井下复杂的 风险和钻井成本。 为此， 国内外研制了水力振 荡器， 该工具的轴向振动能使滑动钻进的静摩擦转 变为动摩擦， 大大降低摩阻， 改善钻压的传递效 率， 从而提高滑动钻进机械钻速。 但很少有学 者对水力振荡器最佳的安放位置进行过研究。 由于 水力振荡器振动的有效传播距离有限， 所以在钻具 组合中的安放位置不同， 起到的作用差别也很大。 因此， 笔者建立了水力振荡器振动传播距离的数学 模型， 提出了该工具的最佳安放位置原则。 现场应 用效果表明， 该模型提出的安放位置有效提高了钻 压传递效率， 缓解了托压问题， 主要表现在大幅提 高滑动钻进机械钻速， 降低滑动钻进进尺比例及百 石 油 机 械 年 第 卷 第 期 基金项目： 中国石油天然气股份有限公司项目 “华北油田钻完井技术研究与应用” （）、 “华北油田上产稳产 万吨 关键技术研究与应用” （）。 米定向次数， 从而为该工具技术的有效应用提供了 理论依据。 工具结构及原理 研制的水力振荡器主要包括 部分： 脉冲短节 和振荡短节， 结构如图 所示。 脉冲短节主要由射 流元件、 活塞、 活塞杆和阀座等组成； 振荡短节主 要由中心管、 碟簧组、 活塞和密封填料等组成。 工 作时， 由脉冲短节产生出管内的脉冲压力波动， 振 荡短节利用该压力波动推动活塞部分做间歇性运 动， 从而产生轴向振动效果。 图 水力振荡器结构原理图 工具安放位置建模 水力振荡器在钻具中进行轴向振动， 其振动波 沿两侧传播扩散。 要使得该振动波产生的减摩阻作 用影响到钻头， 就应使工具距钻头的距离尽量不大 于工具产生的轴向激励振动在管柱中的传播距离的 ， 否则工具起到的降摩阻作用会降低。 因此， 对 于水力振荡器安放位置的研究重点是了解其振动波 在钻具中的传播距离。 井眼轨迹的力学简化 水力振荡器的工作原理是： 通过轴向振动带动 周围钻具相对井壁振动， 将与井筒接触的摩擦状态 由静摩擦改变为动摩擦， 从而减小钻具摩阻。 根据 力学原理， 摩擦力的大小除了与摩擦因数相关外， 还与作用在摩擦副件的压力相关。 通过力学分析可 知， 最终影响施工摩阻的因素为摩擦副沿水平方向 的那部分摩擦分力。 因此在整个井眼轨迹中， 不是 所有钻具都会按照长度比例贡献相同的钻具摩阻， 其施工摩阻可以等效为井眼轨迹在水平方向投影的 钻具摩阻。 通过井眼轨迹在平面上的二维等效图， 可计算 在该模式下自激振荡波的传播距离， 从而找到工具 最佳安放的投影位置。 最后将该位置对应到原井眼 轨迹中， 即可计算出在钻具组合中工具实际距离钻 头的安放位置。 井眼轨迹等效过程如图 所示。 钻柱瞬态动力学模型 现主要介绍钻柱在轴向激励作用下的瞬态动力 学特性， 从而计算出在水平状态下振动激励钻具中 的传播距离。 笔者采用粘弹性边界集模型来描述钻柱和井壁 之间的作用， 如图 所示。 其中， 为管柱井壁 两相系统的组合刚度系数， 为管柱的质量， 为 管柱井壁相互作用的恢复系数， 为管柱井壁之 间的摩擦因数， 用于计算管柱和井壁点接触的摩 擦力。 图 井眼轨迹等效过程 考虑到钻具的细长特性， 假设将整个钻具分为 若干圆柱形刚体单元， 每个单元具有 个几何中 心， 个质量中心和 个连接中心。 且当钻柱为直 线状态时， 其质量中心和几何中心重叠。 根据上述 模型描述， 将一个典型的管柱单元考虑为刚体时， 它的运动方程如下： （， ） （） （ ） （， ） （） （ ） （， ） （） 年 第 卷 第 期张 康等： 水力振荡器最优安放位置研究与应用 （ ） （， ） （） 式中： ， ， ， ， 为转动惯量， 为净力， 为扭矩， 、 为单元的轴向线速度， 为单元 的角速度。 图 粘弹性边界条件模型 管柱井壁两相系统是 个耦合非线性微分方 程， 建立时间迭代方法， 并使用牛顿拉夫逊迭代 来求解， 得出在 的频率范围内， 传 播距离可以表示为： （， ， ）（） 式中： 是传播距离， 是轴向激励的载荷振幅， 是管柱单位长度的浮重。 在以上参数中， 轴向激励振幅 与工具挤压 刚度 、 活塞面积 、 激励压力幅值 有关， 而 激励压力幅值 又与排量 、 钻井液密度、 摩阻 （工具相对于钻头的安放位置 ） 和钻头水眼特性 （喷嘴面积 、 喷嘴数量 、 喷嘴流量系数 ） 等 相关。 因此式 （） 可表示为： （， ， ， ， ， ， ）（） 需要特别关注的是， 在式 （） 中， 传播距离 是工具相对于钻头安放位置 的函数， 而前者 正是后者的参考。 因此在计算时， 需要先预设一个 虚拟安放位置 来计算出该工具所处位置的实际 内、 外压差， 从而求出传播距离 。 其次需要将 计算结果替代之前的 值重新进行计算， 直到多 次迭代后虚拟位置 与传播距离值 接近， 该值 即为参考点位置。 现场试验与模型验证 张海 井是部署在埕海 人工岛的一 口三维定向井， 设计井深 ， 最大水平位移 ， 最大井斜 。 钻进至 ， 井斜 ， 频繁出现托压现象， 最大托压 。 井段， 复合钻进机械钻速为 ， 而滑动钻进机械钻速仅为 。 滑动钻 进机械钻速远低于复合钻进机械钻速。 因此， 为了 缓解滑动钻进托压问题， 提高滑动钻进机械钻速， 设计在 进行水力振荡器应用试验。 工具合理安放位置确定 试验中钻压 ， 螺杆转速 ， 排量 ， 泵压 。 钻井液采用 体系， 密度 ， 漏斗黏度 ， 失水 ， 泥饼 ， 含砂体积分数 。 结合应用经验， 选择距离钻头 处作 为初始迭代点进行计算， 经 次迭代， 最终选定水 力振荡器工具安放在距离钻头 的位置。 由 此， 确定钻具组合： 钻头 螺杆 浮阀 扶正器 无磁钻铤 无磁钻铤 加重钻杆 柱 钻 杆 根 水力振荡器 钻杆。 水力振荡器的性能参数： 工具外径 ， 排量 ， 适合井眼尺寸 ， 工作频率 ， 工具压降 ， 振动幅度 ， 工具上、 下结构扣型 ， 工作最 高温度 ， 工具最大抗拉载荷 。 应用效果分析 水力振荡器工具安放位置是否合理， 将直接影 响到钻压是否可以有效加到钻头， 钻压的有效施加 又可以通过机械钻速是否提高， 以及定向时工具面 的可控性是否得到改善来进行评估。 在该井的滑动 钻进过程中， 托压严重时工具面稳定性差， 需要频 繁活动钻具摆工具面， 一方面浪费大量的时间， 另 一方面定向期间频繁活动钻具降低了钻具的造斜能 力， 相应增加了滑动进尺的比例。 因此， 水力振荡 的提速效果不仅仅体现在机械钻速上， 还体现在定 向次数和滑动进尺的比例上。 为此， 对张海 井水力振荡器应用效果分析中统计了机械钻速、 百 米定向次数和滑动钻进进尺比例等， 具体如表 和 表 所示。 通过分析表 中的数据可以看出， 井段， 平均滑动钻进机械钻速由 提高到 ， 提高比例高达 。 与临井 张海 井相比， 滑动钻进机械钻速提高幅度 为 。 水力振荡器的应用使得该井定向钻进 和综合井段的机械钻速都有明显提高。 通过分析表 中的数据可以看出， 百米定向次 数从 次降低到 次， 降幅达 ； 平均 滑动 进 尺 比 例 由 降 到 ， 降 幅 为 石 油 机 械 年 第 卷 第 期 。 与临井张海 井相比， 百米定向次数 降幅为 ， 平均滑动进尺比例降幅为 。 数据表明使用水力振荡器后， 滑动钻进调整井斜方 位效果更好， 在轨迹要求的井斜和方位范围内， 能 够减少定向次数和滑动钻进进尺的长度和所占的比 例。 同时证明， 该井托压现象得到缓解， 工具面控 制相对容易， 定向期间也不需要频繁活动钻具， 因 此可以获得较高的造斜率。 表 张海 井机械钻速统计 井 号井段 是否使用 水力振荡器 井斜 （） 滑动钻进 机械钻速 （ ） 地层 复合钻进 机械钻速 （ ） 平均机 械钻速 （ ） 张海 否 沙河街 张海 是 沙河街 张海 是 沙河街 张海 否 沙河街 表 张海 井滑动钻进进尺比例统计 井 号井段 是否使用 水力振荡器 每百米定 向次数 滑动进尺 比例 张海 否 张海 是 张海 是 张海 是 注： 每次辅助定向时间 辅助定向时间定向施工次数； 每百米定向次数定向施工次数 （定向钻进进尺）； 定向 钻速定向钻进进尺定向钻进时间； 定向进尺比例定向钻进 进尺进尺。 结 论 （） 水力振荡器利用工具的轴向振动带动上、 下钻具产生轴向振动， 从而使滑动钻进的静摩擦转 变为动摩擦， 可以大大降低摩阻， 从根本上解决托 压问题。 （） 水力振荡器工具产生的振动波传播距离 影响因素包括： 工具挤压刚度、 活塞面积、 排量、 钻井液性能和钻头水眼特性等。 工具距钻头的距离 尽量不大于工具产生的轴向激励振动在管柱中的传 播距离的。 （） 该模型计算的水力振荡器安放位置在现 场应用中的有效性， 主要表现在大幅提高滑动钻进 机械钻速， 降低滑动钻进进尺比例及百米定向次数 几个方面。 参 考 文 献 李子峰， 杨海滨， 许春田， 等 定向井滑动钻进送 钻原理与技术 天然气工业， ， （）： 石崇东， 党克军， 张军， 等 水力振荡器在苏 井的应用 石油机械， ， （）： 许越永， 黄根炉， 王爱国， 等 超深水平 井施工困难及其原因分析 石油钻探技术， ， （）： 赵国顺， 郭宝玉， 蒋金宝 巴麦地区钻井难点分析 与提速关键技术 石油钻探技术， ， （）： 李根生， 沈忠厚 充分利用水力能量提高深井钻井 速度 石油钻探技术， ， （）： 闫光庆， 张金成 中国石化超深井钻井技术现状与 发展建议 石油钻探技术， ， （）： 李博 水力振荡器的研制与现场试验 石油钻 探技术， ， （）