水平旋转钻柱横向振动特性试验

邵冬冬,管志川,温 欣,史玉才

(中国石油大学石油工程学院,山东青岛 266580)

水平旋转钻柱横向振动特性试验

邵冬冬,管志川,温 欣,史玉才

(中国石油大学石油工程学院,山东青岛 266580)

利用水平井钻柱动力学特性模拟装置,对不同钻压和转速条件下水平旋转钻柱横向振动特性进行试验研究。结果表明:钻压和转速是影响水平井旋转钻柱横向振动特性的重要因素；随着转速增加,两横向振动的频率逐渐变大而相位差变小,两横向振动频率与钻柱自转频率呈线性关系；钻压增大对两横向振动频率的影响不大,但两横向振动的相位差会随着钻压的增大而逐渐变小；实际钻进中,钻柱一直处于井筒的右下部,转速选取时应尽量避开52.1 r/min。

钻井；水平旋转钻柱；钻压；转速；横向振动；试验

在钻井过程中,钻柱的横向振动对所钻井眼轨迹和钻柱的疲劳破坏都会产生非常大的影响。国内外很多专家学者和钻井工作者通过理论研究、现场测量以及室内模拟试验的方式进行了大量的钻柱振动规律方面的研究[1-10],其中对直井钻柱振动的研究较多,对水平井和大位移井等复杂结构井水平段钻柱振动规律的认识都是基于直井底部钻具组合运动规律的基础上的理论研究[11],对水平段钻柱运动规律和钻柱横向振动特性没有直观的认识,而水平段钻柱的运动规律和振动特性直接影响了钻进过程中井眼轨迹的控制、钻具组合和钻进参数的选取。笔者通过室内模拟试验,对水平钻柱旋转钻进过程中钻柱的横向振动规律进行研究。

1 模拟装置与试验方案

水平井钻柱动力学特性模拟试验装置示意图如图1所示。利用该装置可以实现水平旋转钻柱在不同钻压、转速条件下的模拟试验,并且可以直观地观察水平旋转钻柱在模拟井筒中的运动状态。模拟装置可测得的数据包括钻柱自转转速、底部钻压、横向振动位移、纵向振动位移、钻压波动和钻头处侧向力。试验中用到的传感器类型有:应变式拉(压)力传感器2个,用于测量井底实际钻压和人为施加的钻压；涡流位移传感器4组,每组3个,用于测量距模拟井底4个不同位置处(1、3.5、5.5、8 m)纵向振动位移和X、Y两横向振动位移。横向振动位移测量示意图见图2。

图1 水平井钻柱振动模拟试验装置示意图Fig.1 Sketch map of experimental simulation device of drilling string vibration in horizontal well

图2 横向振动位移测量示意图Fig.2 Sketch map of measuring lateral vibration displacement

根据相似理论[12-13],当钻压和转速关系符合式(1)时,试验观察到的现象与钻井工程实际相似,可以将试验得到的结论用于工程实际。

式中,Ωm为模型的转速,r/min；Pm为模型钻压,kN； Ω为工程实际转速,r/min；P为工程实际钻压,kN。

为了研究旋转钻柱在不同钻压和转速条件下的横向振动规律,分别对距井底1、3.5、5.5、8 m处钻柱振动的横向位移进行测量。试验通过固定钻压值、调整转速的方式进行。试验钻压和转速及其对应关系见表1。

表1 模型参数和实际参数Table 1 Model parameters and actual parameters

2 不同转速下旋转钻柱的横向振动

试验结果分析表明,所有测点处钻柱的横向振动频率的变化规律一致,并且位移的变化规律差别非常小,可看为近似一致。距离井底1 m处测点距离钻头最近,分析其频率及位移变化规律对轨迹控制及钻进参数选取更具实际的指导意义。距井底1 m处,钻压值为0.5 kg,将分别调整转速值所测得的试验数据进行快速傅里叶变换(FFT),试验所得数据的时域信号转换为频域信号,得到底部钻具组合的横向振动频率,对钻柱的横向振动规律进行分析。

2.1 横向振动频率

钻压为0.5 kg时,距井底1 m处钻柱横向振动频率与自转转速之间的变化关系曲线如图3所示。钻柱自转转速Ωsf与自转频率fsf之间的关系为

Ωsf=60fsf.

图3 钻柱横向振动频率随自转转速的变化Fig.3 Variation of lateral vibration frequency with drill string rotation speed

由图3可以看出,当转速小于150 r/min时,X方向与Y方向振动的基频相等,且随着转速的增加钻柱横向振动频率与钻柱自转频率的比值逐渐变小并趋向于1,且都大于钻柱的自转频率,两者相差最大为0.2 Hz,钻柱的横向振动频率与钻柱的自转转速近似符合线性关系；当转速大于150 r/min时,两横向振动的频率出现分化,X方向基频大于钻柱自转频率,Y方向基频小于钻柱自转频率,两者之间相差不大,钻柱沿X方向的振动比Y方向的振动更为剧烈。

2.2 合运动轨迹

钻柱X、Y两横向振动位移的耦合叠加即为钻柱中心在井筒中的实际运动轨迹。由文献[14]和[15]可知,当二分振动的频率和初相位符合一定关系时,合运动的轨迹为闭合曲线,并且具有一定的周期性,这种图形就是利萨如图形。钻压为0.5 kg,不同转速时的合运动轨迹曲线如图4所示。图4中,黑色圆圈代表井筒内径,圆圈内实线为钻柱在井眼中的实际运动轨迹,右侧实线为钻柱运动轨迹的放大图。

由轨迹曲线可以看出:钻柱一直在井眼的右下部摆动,不存在直井中的“涡动”现象；当钻速较小(小于150 r/min)时,运动的轨迹较规则,近似为圆形,此时X、Y二分振动的频率相等,这点可以从频率分析得到验证；当钻速较大(大于150 r/min)时,钻柱的运动轨迹近似为“8”字形,符合利萨如图形的特点,此时两个分振动的频率不相等,随着转速的增加,图形变得较扁,两个分振动的相位差较小。

图4 合运动轨迹曲线随自转转速的变化Fig.4 Variation of closing movement trajectory with rotation speed

3 不同钻压下旋转钻柱的横向振动

不同钻压条件下,距井底1 m处的钻柱横向振动频率随自转转速的变化曲线如图5所示。合运动轨迹曲线如图6所示。

由图5、6分析可得:

(1)钻压1 kg。转速小于150 r/min时X方向振动基频小于Y方向振动基频,两者相差约0.25 Hz,合运动轨迹为“8”字形；转速等于150 r/min时X方向振动基频与Y方向振动基频相等,且都为钻柱的自转频率,合运动轨迹近似为圆形；转速大于150 r/min时X方向振动基频大于Y方向振动基频,两者相差不大,约等于钻柱自转频率,合运动轨迹为“8”字形,但“8”字较扁,说明两者的相位差很小,合运动轨迹近似为一圆弧线,钻柱做圆弧线摆动。

图5 不同钻压时钻柱横向振动频率变化曲线Fig.5 Curve of lateral vibration frequency under different weight on bit

图6 不同钻压下合运动轨迹曲线Fig.6 Curve of closing movement trajectory under different weight on bit

(2)钻压1.5 kg。X方向振动基频与Y方向始终相等,随着转速的增加,两者振动基频与钻柱自转频率趋向相等；但合运动轨迹曲线变化较大,随着转速的增加,二分振动的相位差逐渐变小,转速大于200 r/min时,合运动轨迹近似为圆弧线。

(3)钻压2.5 kg。转速小于150 r/min时X方向振动基频小于Y方向振动基频,两者之差最大为0.5 Hz,合运动轨迹为“8”字形,转速大于150 r/min时X方向振动基频大于Y方向振动基频,两者相差不大,且皆趋向于钻柱自转频率；合运动轨迹皆为“8”字形,且“8”字都比较扁,说明X、Y方向横向振动的相位角相差不大,合运动轨迹近似为圆弧线。

综合以上分析,钻柱自转转速150 r/min为钻柱横向振动的一个临界点。在此转速前后,X、Y方向横向振动的频率以及两横向振动的合运动轨迹变化较大；钻压对钻柱横向振动的影响很大,随着钻压的增大,X、Y方向横向振动的频率变化不大,但相位差逐渐变小,合运动轨迹“8”字形变扁。

4 结 论

(1)水平段钻柱旋转钻进时,钻柱在井眼的右下部摆动,不存在类似于直井中的“涡动”现象。

(2)钻柱两横向振动频率随着转速的增加逐渐增大,两者之间呈线性关系。随着转速的增加,两横向振动的频率与钻柱的自转频率趋于相等,两个分振动的相位差逐渐变小。

(3)随着钻压的增加,两横向振动的频率变化不大,但其相位差逐渐变小,表现为两横向振动的利萨如图形即钻柱的实际运动轨迹变化较大。

(4)水平旋转钻柱自转转速150 r/min(对应实际工程实际钻柱转速52.1 r/min)为钻柱横向振动的一个临界点,此转速前后,两个分振动的频率和相位差变化较大,在实际钻井过程中,为了有效控制井眼轨迹、合理选取钻进参数,应避开此转速。

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(编辑 李志芬)

Experiment on lateral vibration characteristics of horizontal rotary drilling string

SHAO Dong-dong,GUAN Zhi-chuan,WEN Xin,SHI Yu-cai
(School of Petroleum Engineering in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

By using horizontal well drilling string simulation experiment device,experiments on lateral vibration characteristics of horizontal rotary drilling string were curried out under different weight on bit and rotary speed.The results show that the weight on bit and rotary speed are the main factors affecting the lateral vibration characteristics of the horizontal rotary drilling string.With the increase of the rotary speed,the two lateral vibration frequencies become large,and the phase difference between the two lateral vibrations becomes small.The relationship between two lateral vibration frequency and the drilling string rotation frequency is linear.The increase of weight on bit has little influence on the two lateral vibration frequencies,but the phase difference of the two lateral vibrations becomes small.In actual drilling,the drilling string is always in the low right part of the wellbore and the rotary speed 52.1 r/min should be avoided.

drilling；horizontal rotary drilling string；weight on bit；rotary speed；lateral vibration；experiment

TE 243

A

1673-5005(2013)04-0100-04

10.3969/j.issn.1673-5005.2013.04.015

2013-03-29

国家重点基础研究发展计划(2010CB226706)；国家高“863”计划(2012AA091501)；“十二五”国家科技重大专项(2011ZX05021 -001)

邵冬冬(1984-),男,博士研究生,主要从事井下系统、信息与控制工程、油气井管柱力学研究。E-mail:shddong2007@163. com。