非对称减振工具的安装位置对钻扩组.doc

非对称减振工具的安装位置对钻扩组合性能和可靠性的影响Alan Kabbara等著 翻译：王福修（钻头研发中心） 审校：于建宾（钻头研发中心）摘要：本文讨论的研究成果涉及到在试验钻机和全尺寸钻机上进行钻扩作业时非对称减振工具（AVDT）的安装位置。AVDT利用强加于钻柱的正向同步运动，能够减轻导致工具损坏的振动，从而提高机械钻速。使用AVDT的重要性在于：借助其产生的寄生扭矩（parasitic torque）最大程度地减轻卡滑，这一点在扩眼作业中非常重要。扩眼作业时，卡滑能够使机械钻速降低，并且会增大井底工具损坏的几率。已经显示，AVDT在扩眼作业中的应用显著减轻了卡滑。由AVDT引起的正向同步运动会潜在地导致AVDT附近BHA部件的偏斜磨损。如果发展下去，该偏心磨损会降低井底工具寿命和钻进性能。消除偏心磨损将有利于减少维修成本、延长BHA部件寿命，进一步改善钻进性能。为使偏心磨损降至最低程度并最大程度地提高钻进性能，AVDT位于BHA中的位置是至关重要的。本文将描述位于AVDT和井底扩眼器之间的中间稳定器的位置如何使井底扩眼器和附近钻柱的偏心磨损（由AVTD产生的正向同步回旋造成）降至最低程度。同时，这种方法能够使人们认识到AVDT的所有益处。该项研究工作采用了小尺寸钻机试验、挪威Ullrigg试验基地全尺寸钻机试验以及美国现场钻扩作业的数据资料。关键词：非对称减振工具 扩眼器 稳定器 正向同步回旋 扭转振动 卡滑 横向振动 位置引 言已经证明AVDT能够显著减轻钻进过程中的卡滑现象。这一点在卡滑现象经常发生的扩眼作业中尤为重要。在减轻卡滑的同时，也能够减轻横向振动、减小工具损坏速度、增加机械钻速。AVDT能够减轻卡滑是利用了钻柱产生的温和的正向同步回旋（forward synchronous whirl（FSW）运动。这种运动与更具破坏性的反向回旋运动的方向相反，并且产生了有益的能够减缓卡滑上升阶段转速的摩擦扭矩。因为产生了FSW运动，所以很重要的一点是：为了降低对扩眼器切削齿偏心磨损的可能性要认真考虑AVDT相对于扩眼器的位置。扩眼器工具扩眼器工具一般由安装在工具壳体内的三个可移动刀翼构成。工具刀翼伸出和缩回的方法有很多，但是典型的是通过液压机械的方法，即工具刀翼伸出和缩回需要的液压升高是依靠向井底投球（坐落在工具水眼上）取得的。有些扩眼器工具采用从地面向井底投放电子芯片的方法使刀翼伸出或缩回，但是这种技术尚未成熟。在扩眼作业过程中，扭转振动和卡滑的发生是很普遍的。在卡滑发生期间，横向振动通常也会增加，因此最终的振动模式会导致工具损坏及机械钻速降低。AVDT（非对称减振工具）AVDT工具的操作在以前的SPE/IADC128458论文中已经作过介绍。在钻井过程中，振动会显著降低机械钻速、增大机械比能，并且会导致钻头和其他钻柱部件的损坏。振动的一种特殊模式是横向模式，在这种情况下钻柱或者BHA作回旋运 动。另一种具有破坏性的振动模式是扭转振动尤其指卡滑。在发生卡滑期间横向模式和扭转模式有可能会耦合，就是说，在卡滑情况下的横向振动程度会增大，这将会在后面进行讨论。在钻柱中存在三种类型的回旋：正向回旋回旋的方向与钻柱的旋转方向相同；反向回旋回旋的方向与钻柱的旋转方向相反；无序回旋一种反向回旋，发生这种回旋时钻柱与井壁之间存在冲击（见图1-3）。由于钻柱与井壁之间存在固有的与钻柱旋转方向相反的摩擦力，所以反向回旋是一种最有可能发生的回旋。由于这种回旋对钻柱（如稳定器刀翼）具有不连续的特征，所以会发生冲击振动。图1 反向回旋图2 无序回旋图3 正向回旋由于回旋的方向与钻柱旋转方向相反，反向回旋特别容易导致钻柱内发生具有破坏性的交变弯曲应力，反向回旋引起的钻柱弯曲大约每转一周交变一次，可以通过图中的A点作出如下描述：位于钻柱弯曲外表面上的A点在大约钻柱旋转半周后逐渐移动到了弯曲内表面上从被拉伸状态转变成了被压缩状态；在钻柱旋转的下一个大约半周后，该点又将移回到弯曲外表面又返回到被拉伸状态。这种循环将不断重复，因此钻柱将处在交变弯曲疲劳状态下。当某种因素（例如同心稳定器）导致发生严重振动的时候，钻柱的弯曲形状会使钻柱应力增大，而且高频率就意味着发生的任何疲劳损坏将会迅速聚集（图4，略）。如果高频率冲击现象也发生的话，那么将进一步加快钻柱的损坏。相反，因为正向回旋与钻柱的旋转方向相同，所以发生交变弯曲的趋势减小了。这种情况下，位于钻柱弯曲外表面上的点B将会近似保持在弯曲外表面上，点B经历的交变弯曲频率将是非常低的，因此将处在非常小的疲劳状态。而且，如果正向回旋与钻柱的旋转是同步的，那么交变弯曲将会被消除，点B将保持在弯曲外表面上不动，它将总是保持被拉伸状态，因此不会处在疲劳状态下。正向回旋不可能自然发生，它需要外来因素诱发。能够诱发钻柱和/或BHA发生正向同步回旋的工具将对钻井作业是有益的，因为它将阻止钻柱发生反向回旋的自然趋势。这样的一种工具由于产生了正向同步回旋运动也将会对钻柱产生一个额外、有益的制动扭矩，因此也将会趋于降低扭转振动。本文讨论的AVDT由一个两刀翼偏心稳定器构成，两刀翼之间呈一个V型锐角结构。在现场应用中已经显示，该种工具能够降低有害的BHA与钻柱的横向振动和扭转振动（见图5）。关于该工具在现场应用中获得的性能改善至今还没有进行正式的量化分析，这是因为该种工具最初的设计目的在于使双心钻头的钻进趋于稳定。现在发现很有必要对AVDT的特性进行量化研究，其目的在于研究AVDT的性能极限，最终对其优化设计。用于研究AVDT特性的两台实验钻机特意设计成小尺寸规模的，其主要目的是为了对该项技术的特性、参数及变量进行全面了解，这种小尺寸钻机不会因为发生大尺寸钻柱回旋而产生潜在的高成本安全问题。该实验钻机还能够提供可重复的实验结果。 图5 正向同步回旋状态下的AVDT在竖直井眼段AVDT的最佳转速被发现处在第一个自然频率上（图6，略）。这种振动模式比前面第四种模式温和，在低频情况下的非交变弯曲应力很小。对钻柱的冲击和钻柱的疲劳损坏都是最小的。最佳转速将会随着井斜角的增大而增大，但会随着压缩载荷的增大而减小。对于该实验钻机来说，在研究实验过程中转速的范围保持在下限为第一个自然频率的70%，上限为第一个自然频率的150%。AVDT的离心效果是由BHA的偏心运行轨道引起的。由于摩擦引起的寄生扭矩将在与井壁接触的工具刀翼区域产生反作用力。虽然该反作用力会趋于迫使AVDT发生反向回旋，但离心力将会阻止这个不稳定力，从而维持AVDT正常运动（图7，略）。工具刀翼与井壁的接触区域大，产生的不稳定力就小，因此将更加稳定。AVDT的后刀翼具有抵抗不稳定冲击的效果。对于同心稳定器来说，离心力不能够阻止趋于将稳定器作反向回旋的反作用力，因此，同心稳定器是固有地不稳定。同心稳定器也完全不具有抵抗不稳定冲击的非对称性。AVDT产生的寄生扭矩有利于减轻扭转振动，而且由于该寄生扭矩随着转速的增大而增大，所以在卡滑周期内的转速上升阶段显得尤为重要。在横向振动试验钻机上进行的关于AVDT对横向振动影响的研究显示，在FSW运动状态下的横向振动程度仅仅是与同心稳定器情况下无序反向回旋产生的典型振动程度的1/6（图8a，略）。请注意，虽然无稳定器BHA（蓝色）也显示了很低的振动程度，但是它完全不能够保持始终稳定（从图中可以看到，它存在短暂不稳定的情况）。在扭转振动试验钻机上就AVDT对扭转振动的影响进行了研究。首先复制产生扭转振动，然后通过离合装置连接上AVDT，这样能够采用不变的参数连续进行试验，而且也排除了一些不确定因素的影响（例如钻机开与停的影响）。试验结果显示，当在时间步长为3500时连接上AVDT的时候，扭转振动大幅度减小，这是因为在FSW运动状态下AVDT引起的寄生扭矩在卡滑转速上升阶段产生了制动（或者减轻）效果（图8b，略）。试验还显示，横向振动与扭转振动/卡滑之间存在一定的联系，但结果没有在这里描述。然后将从小尺寸实验钻机实验获得的经验应用于全尺寸AVDT的设计优化和现场应用。利用AVDT布置软件（placement software）确定最佳钻进参数（在工具处于钻柱中的位置给定的情况下）。AVDT的位置和性能AVDT一般安置在BHA的上端，或钻铤之间，或加重钻杆之间。AVDT布置软件能够确定出需要的转速(在AVDT位置给定情况下)，也能够确定出正向同步回旋的BHA长度，也就是钻铤或加重钻杆回旋的长度。这将确定出AVDT与邻近工具（例如扩眼器）之间的距离。作为一种选择，如果达不到合适的转速（通常很高），那么可以考虑更换装置，也就是采用外径更小的钻铤或者加重钻杆；采用较小尺寸的AVDT形成更大的轨道；采用内孔偏心的钻铤增大轨道；采用稳定器改变FSW节点。在墨西哥湾深水钻井现场试验中实现了由AVDT带来的典型扭转振动、横向振动和机械钻速的改善。多口井所钻地层相同，采用的BHA和钻头相同，并且井斜也相同。这可以使试验一个接一个地有效进行。试验中，可以对三次没有应用AVDT和二次应用AVDT的情况进行比较，结果显示机械钻速得到了改善（图9，略），没有应用AVDT的01-03井的卡滑程度高、机械钻速低，而应用AVDT的01-02井显示了较高的机械钻速和较低的卡滑。即使应用AVDT的02井在增斜井眼段没有取得100%的FSW状态，与没有应用AVDT的井相比较，卡滑和机械钻速仍有明显改善。应用AVDT的井在低转速情况下钻进性能也得到了改善，这与典型的以低钻压高转速参数减轻卡滑的方法不一致。与没有应用AVDT钻井的情况相比较，应用AVDT钻井时取得的典型改进如下：AVDT 01井100%FSW：机械钻速提高了50%、卡滑降低了70%、横向振动降低了40%。AVDT 02井100%FSW（増斜井眼段）：机械钻速提高了40%、卡滑降低了50%、横向振动相当。关于AVDT位置的现场试验一证实AVDT使钻柱中其它工具产生FSW运动的第一批现场试验是在挪威Ullrigg试验基地进行的。该项试验在以前的论文中也曾经描述过。BHA中包括了AVDT、一个扩眼器、一个近钻头稳定器以及钻头，钻头尺寸为12.25。在试验过程中，在钻柱的数个位置（包括钻头处）对横向振动进行了高频数据记录。试验证实了FSW运动对离开井底的钻头及近钻头稳定器的影响。应该注意到，在钻头离开井底的试验期间井眼质量是很差的井眼直径达到了1314，而且井眼质量和井眼直径很不一致，这会加大FSW状态下钻头发生横向振动的趋势。对钻头处井底振动的测量和记录显示，当AVDT取得FSW运动的时候，扭转振动/卡滑得到降低，但是近钻头稳定器的位置使FSW运动在钻头处加剧了，因而导致了横向振动的显著增大（图10，略）。在重复试验中，当钻柱转速从低于FSW速度到100%FSW速度时，观察到同样的横向振动增大的现象。因此对于钻头离开井底的情况，理想的状态是将转速降低到FSW速度以下或者采用第二个钻头稳定器，以保证FSW不影响到钻头，即最大程度地减小钻头稳定器的支点作用。关于AVDT位置的现场试验二第二批现场试验在陆地上进行，包括数次AVDT应用。所有的试验都是在研磨性硬地层中进行的。在AVDT应用之前，钻井过程中出现了明显的扭转振动/卡滑，见应用总结。在应用总结中还列出了应用AVDT时扭转振动/卡滑的改善情况（图11a，略）。在这一试验中，AVDT安置在扩眼器以上6090ft处，在AVDT与扩眼器之间没有稳定器。然而，在没有稳定器的情况下AVDT的应用确实造成了钻柱部件的磨损，其原因是FSW对下部井眼的影响。该磨损发生在邻近AVDT FSW井眼段的钻铤上，研磨性地层也是一个导致磨损的因素。在第一次改进的结构中在AVDT与井底部件之间增加了一个稳定器，但是这为FSW向井底传播形成了一个旋转支点，因此没有减轻磨损（图11b，略）。磨损发生在扩眼器上，但仅仅发生在一个刀翼上。FSW节点图显示了一种可能的FSW节点移动情形即节点移动到了稳定器以下（图11c，略）。另一种可能的情形会是节点移动到了稳定器上，在Ullrigg试验和小尺寸试验过程中就出现了这种情况。在小尺寸试验时，钻机有一个位于钻柱自然FSW节点之外的稳定点。在最后的结构中在AVDT与井底部件之间一前一后安置了两个稳定器，这的确大大减轻了随后钻井过程中的磨损（图11d，略）。在这种情况下，安置两个稳定器的目的是避免形成任何旋转支点，因此避免FSW传递到位于AVDT以下的钻柱部件上。讨 论已经证明，AVDT处于钻柱中的位置和操作参数对于成功应用该工具减轻卡滑提高机械钻速来说至关重要。该工具应在达到100%FSW的转速下应用，并且应安置在使其能够改变BHA卡滑和横向振动性能的位置。同样，将AVDT安放在什么位置应该考虑井底的BHA部件，如果AVDT靠近关键部件，那么需要增加稳定器以保证FSW不传递到这些关键部件上。本文描述的现场试验证实了增加的稳定器发挥了作用。结 论AVDT的应用已经证明了它对卡滑、横向振动及机械钻速的改善。AVDT在最初的小尺寸钻机试验中获得的结果也在全尺寸钻机现场试验中得到了证实。AVDT具有无活动操作部件或电子操作元件的优点。为了使AVDT取得成功应用，预先制定工作计划很关键，其中包括操作参数（第一模式：100%FSW）及AVDT相对于BHA中稳定器（位于AVDT与井底部件之间）的位置。今后的工作将着眼于AVDT的其它应用，例如小井眼应用、水平井应用、双AVDT应用（两个AVDT紧挨着、两个AVDT距离较远）以及旋转导向系统应用等等。另外，在可能的情况下应用AVDT时要使用高频数据记录，以利于验证该工具的性能。在Ullrigg试验中已经证明了采用高频数据记录的重要性。现在的高频记录工具可以在钻柱的多个位置记录数据。在今后的所有应用中，数据反馈对于检验AVDT布置和参数软件是最基本的。同时，数据反馈也将有利于检验稳定器的应用策略。参考文献1. Forster, I., Macfarlane, A., Dinnie, R., NOV Downhole Ltd. 2010. Asymmetric Vibration Damping Tool Small Scale Rig Testing and Full Scale Field Testing. Paper SPE/IADC 128458, presented at the Drilling Conference, New Orleans, 2-4 February.2. John P. McCarthy, Ian Forster, Timm Burnett, Alan Kabbara, National Oilwell Varco. Careful Planning and Application of an Asymmetric Vibration Damping Tool Dramatically Improves Underreaming While Drilling Performance in Deepwater Drilling. OTC 151356. OTC Brazil Oct 4-6 2011.3. Barton, S., Clarke, A., Garcia, A., Perez, D.