井底光钻铤钻具组合旋转及钻压波动规律模拟研究

刘永旺，管志川，史玉才，邵冬冬，魏 凯

井底光钻铤钻具组合旋转及钻压波动规律模拟研究

刘永旺，管志川，史玉才，邵冬冬，魏 凯

（中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛266555）①

利用根据相似理论设计出的底部钻柱动力学研究试验装置，进行了井底光钻铤钻具在不同钻压、转速条件下旋转及钻压波动规律的试验研究。试验结果表明：光钻铤钻具组合在井底的旋转大部分为正向涡动及谐波振动，要想使其产生反向涡动必须合理选择钻进参数；使用光钻铤钻具组合时井底钻压振动幅度较大；单从减轻钻柱振动危害方面讲，不建议采用光钻铤钻具组合，但从利用井下钻柱纵向振动能量提高深井机械钻速的角度看，该钻具值得推荐；光钻铤钻具组合的防斜机理有待于进一步研究。

光钻铤；旋转；钻压波动；运动状态

浅部地层油气资源开发已经进入中后期，开发深井、超深井油气层成为石油工程领域提高油气产量的重要方向。然而在深井、超深井钻进过程中，既保证钻井作业安全又能够有效地控制井斜成为困扰钻探及开发领域工作者的难题。现场实践表明：利用光钻铤钻具组合进行防斜纠斜是解决上述难题的有效途径之一，但学者对其防斜参数选择的认识却存在着分歧。传统的静力学防斜理论认为，光钻铤钻具组合在防斜与纠斜过程中施加的钻压不能太大，需要减小钻压甚至“吊打”，才能起到防斜打直的作用，否则便会引起更大井斜［1］。基于动力学防斜打快理论的光钻铤大钻压防斜打快技术正好与此相反，是建立在底部钻具组合处于涡动状态的基本假设之上的，认为施加足够大的钻压使底部钻具组合发生螺旋屈曲后而处于涡动状态，从而才能起到动力学防斜打快效果［2－5］。为了合理选择光钻铤组合的钻进参数，应用根据相似理论设计出的钻柱动力学模拟试验装置，在实验室内对不同参数下其旋转及冲击振动规律进行了研究。

1 试验装置

模拟试验过程中，钻具组合及井筒尺寸与实际钻具组合及井筒尺寸按1︰10（模型︰原型）比例对应［6－7］。实际使用钻柱的材料为钢，密度ρ＝7.85 g／cm3，弹性模量E＝210GPa；模拟钻柱的材料为ABS塑料，密度ρm＝1.10g／cm3，弹性模量Em＝2.30GPa。模拟试验装置总体结构如图1所示。

图1 试验架总体结构

根据相似理论［8－10］可以得出，试验参数与钻进参数的对应关系为：室内钻压9.8N相当于现场钻压89.5 kN，室内转速60r／min相当于现场转速23.1r／min。

试验钻具组合的原型描述为：311mm钻头＋228.6mm钻铤×6根＋203.2mm钻铤×6根＋127mm钻杆。

2 试验结果及分析

2.1 光钻铤钻具组合的旋转规律

名义钻压为进行试验时、转速为23.1r／min的井底实测钻压平均值。

利用快速傅立叶变换（FFT）算法，将试验所得数据的“时域”信号转换成“频域”信号，提取出底部钻具组合的公转频率进行分析，以便对钻具组合的旋转规律进行分析。

1） 转速一定时，公转频率随名义钻压的变化规律。

公转频率随名义钻压变化关系如图2所示，图中无因次频率为公转频率与自传频率的比值。

图2 公转频率随名义钻压变化关系

由图2a可以看出：当转速较低（46.2r／min）、钻压为44.75～134.25kN时，公转频率（角频率）稳定在自转频率的1倍（转速46.2r／min）附近；钻压提高到179kN后，公转频率提高到2倍自转频率处（转速92.4r／min）附近。根据文献［11］可知：钻压为44.75～134.25kN时，钻柱处于正向涡动状态；当名义钻压提高到179kN后，钻柱发生谐波振动，该现象产生的原因还有待于进一步研究。

由图2b可以看出：转速为115.5r／min时公转频率随名义钻压变化不大，基本上稳定于自转频率的1.5倍区域，即公转转速在173.25r／min附近。钻柱此时为谐波振动，该种状态的产生原因还有待于进一步研究。

2） 名义钻压一定时，公转频率随自转转速的变化规律。

不同名义钻压时公转频率随自转转速的变化关系如图3所示。

图3 光钻铤钻具公转频率与自传转速关系

由图3a可以看出：名义钻压为89.5kN时，公转频率刚开始随着自转转速的增加平稳变大，自传转速＜69.3r／min时，公转频率与自转转速相当，钻柱处于正向涡动状态；随着转速的增加，公转频率变为自转转速的2.7倍，钻柱处于反向涡动状态；之后公转频率又开始平稳地降低，倍数关系变为1倍关系，钻柱恢复正向涡动。

由图3b可以看出：名义钻压为223.75kN、自转转速＜69.3r／min时，公转频率与自转转速的倍数关系为1.5，钻柱此时运动状态为谐波振动；当转速为92.4r／min时，倍数关系变为2.8，此时钻柱处于反向涡动状态；当转速提高到115.5r／min时，倍数又变为1.5，钻柱又恢复到谐波振动状态。

2.2 光钻铤钻具组合钻压波动规律

1） 转速一定时，实际钻压随名义钻压的波动规律。

转速分别为46.2、115.5r／min时的钻压关系曲线如图4。

图4 实际与名义钻压钻压的关系

由图4a可以看出：转速为46.2r／min时平均钻压（实际钻压）随着名义钻压增加而逐渐加大，井底的最大钻压、最小钻压都在平稳的上升；钻压的波动幅度在89.5～134.25kN之间，波动幅度并太不大；实测钻压与平均钻压的比值以及实测钻压与名义钻压的比值最大值都逐渐减小，最小值都逐渐增大，其趋势线趋近于1，说明低转速下（46.2r／min）随着名义钻压的增大，实际最大钻压和最小钻压的波动幅度逐渐变小。由以上分析得出的结论是：光钻铤钻具在小转速下，钻压越高越稳定，即低转速下提高钻压能够有效抑制振动的产生。

由图4b可以看出：转速为115.5r／min时随着名义钻压的增加，平均钻压（实际钻压）随着名义钻压的增加而逐渐加大，最大钻压逐渐上升，最小钻压始终是0，这是因为高转速下，钻柱伸缩幅度较大，钻头跳离井底，钻柱波动幅度略有增加；随着名义钻压的增加，实测钻压与平均钻压的比值最大值由23逐渐减小到2，逐渐趋近于1；实测钻压与平均钻压的比值最小值始终为零。由以上分析得出的结论是：光钻铤钻具在高转速下也是钻压越高越稳定，高转速下提高钻压也有利于抑制振动；但随着名义钻压的增加，高转速下钻柱的振动减轻得较明显。

2） 名义钻压一定时，实际钻压随转速的波动规律，如图5。

图5 名义钻压一定时实际钻压波动幅度与转速的关系

由图5a可以看出：钻压为89.5kN时，随着转速逐渐增加，平均钻压（实际钻压）略微减小，最大钻压逐渐变大，最小钻压逐渐变小；当转速提高到115.5r／min后，由于名义钻压较低，高转速下钻柱开始剧烈地贴井壁横向涡动，钻头完全跳离井底，实际钻压降为0；随着转速的增加，实测钻压与平均钻压比值的最大值由1.3逐渐变大到6.4，最小值由0.5逐渐变小到0，其趋势都是背离1；实测钻压与名义钻压比值的最大值由1.3变到2.4，逐渐变大后突然降至0，最小值由0.6逐渐降到0，总趋势背离1。分析所得结论是：光钻铤钻具在低钻压下转速越高越不稳定，也就是说该种钻具在低钻压下降低转速有利于减轻钻柱的纵向振动。

由图5b可以看出：名义钻压为223.75kN时随着转速的增加，平均钻压（实际钻压）逐渐变小，最大钻压逐渐变大，最小钻压逐渐变小；当转速提高到115.5r／min后，由于横向涡动加剧，钻头开始跳离井底，实际钻压降为0，钻压波动幅度较大，但比低钻压下略有减小；随着转速的增加实测钻压与平均钻压比值的最大值由1.2逐渐变大到17.5，最小值由0.8逐渐变小至0；随着转速的增加，实测钻压与名义钻压比值的最大值由1.2逐渐变大至1.6后突降至1.0，最小值由0.8逐渐减小到0，总趋势背离1。分析所得结论是：光钻铤钻具在高钻压下转速越高越不稳定，也就是说该钻具在高钻压下选用较低的转速有利于减轻钻柱的纵向振动；但随着转速的增加，高钻压下钻柱振动加剧较明显。钻柱的振动会破坏钻具［12－14］，应该抑制或者转化其能量以减小此类危害的产生［15］。

3 结论

1） 光钻铤钻具组合在井底的转动状态比较复杂，存在正向涡动、反向涡动、谐波振动几个状态，在可选的钻进参数范围内，钻具组合处于正向涡动和谐波振动状态，要想使其反向涡动，必须对转速及钻压进行合理选择及精确的控制。

2） 光钻铤钻具组合井底钻压波动规律与钟摆类钻具存在着差异，表现在其振动幅度比钟摆类钻具略大；定钻压情况下随着转速的提高，钻压波动剧烈，钻头出现跳离井底、实际钻压有变为0的情况。由此可看出：单从减轻钻柱振动危害方面，不推荐使用光钻铤钻具组合；但从利用井下钻柱纵向振动能量提高深井机械钻速的角度，该钻具值得推荐。

3） 光钻铤钻具组合在井底的旋转及钻压波动规律对其防斜钻进效果存在着影响，具体影响方式有待于进一步研究。

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Experiment on Rotation and Longitudinal Vibration Regularity of Slick Bottom Hole Assembly in Bottom Hole

LIU Yong-wang，GUAN Zhi-chuan，SHI Yu-cai，SHAO Dong-dong，WEI Kai
（College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum（East China），Qingdao 266555，China）

According to the experimental device designed on the basis of the principle of similitude，to investigate the motion behaviors of bottom drill string，some experiments have been done to understand the rotation and axial vibration characteristics of slick BHA in down-hole.The paper has analyzed the characteristics of slick BHA in different assembled parameter and found the different dynamic rule of BHA in different assembled parameter.The result shows that the main work status of slick BHA is positive and harmonic whirl vibration，In order to produce a reverse eddy，drilling parameters must be selected；Using the combination of slick BHA drilling pressure vibration amplitude is relatively large；from the perspective of Reduce harm the slick BHA is not recommended，However，form the view of improve deep penetration rate by using longitudinal vibration downhole drill energy the drill is recommended；mechanisms prevent the inclination by slick BHA need to be further studied.

slick BHA；rotary；vibration regularity；motion

TE921.2

A

1001-3482（2012）05-0052-05

2011-11-22

国家重点基础研究发展计划（973计划）项目（2010CB226706）；国家科技重大专项课题（2011ZX05021-001）；国家科技重大专项课题（2011ZX05005-006）

刘永旺（1983-），男，内蒙古宁城人，博士研究生，主要从事井下系统信息与控制工程研究。