液力加压器对钻压波动的阻尼模型研究

聂 俊,孙展利,孙 伟,张 猛

(1.长江大学 石油工程学院,武汉434010;2.中石化华北石油工程有限公司 井下作业分公司,郑州450042)

液力加压器对钻压波动的阻尼模型研究

聂 俊1,孙展利1,孙 伟1,张 猛2

(1.长江大学 石油工程学院,武汉434010;2.中石化华北石油工程有限公司 井下作业分公司,郑州450042)

钻压波动一直是钻井中的大问题,液力加压器的使用在一定程度上缓解了钻压的波动,但是存在局限性。为了提高液力加压器的使用效果,建立了阻尼模型,利用“微元分析法”和“牛顿运动定律”解释了液力加压器如何减小钻压波动。由“阻尼周期”概念可知阻尼孔不应过大或过小。应用软件模拟液力加压器的阻尼特性,得出液力加压器可以阻尼掉每一个来自井底的冲击,获得稳定可控的钻压。对液力加压器在油田的使用具有指导作用。

液力加压器;钻头;波动压力;阻尼;模型

钻铤加钻压存在钻压波动的问题,液力加压器加钻压也存在钻压的波动问题。因为在钻井过程中井底切削面不是一个平面[1],当钻头单双齿不均匀接触地层,导致井底不均匀的切削,井底就会给钻头交变的反作用力,这个反作用力就会使得下部的钻具振动,从而造成钻压的波动。采用液力加压器,钻压的波动就小多了,这完全是由液力加压器的结构特点所决定的[2]。本文着重研究液力加压器如何减小钻压的波动。

1 钻压波动简介

1.1 产生原因

液力加压器的下部为伸缩杆(此处为花键轴)与液压缸筒的连接结构,连接的介质为钻井液,整个装置可以看作一个柔性的连接结构,其结构原理如图1所示。

带液力加压器的钻具在钻进的过程中,当钻头切削齿接触到井底凸起部分时,此时反作用力变大,伸缩杆会向上运动;随着钻头的旋转,当钻头的切削齿接触到井底凹进部分时,此时反作用力又会突然减小,伸缩杆会向下运动。这种伸缩杆的上下运动就会直接导致钻头钻压不断的减小与增加,就形成了钻压的波动。

图1 液力加压器的结构原理

1.2 减小钻压波动的原理

液力加压器的“液压缸—伸缩杆”结构使得钻柱里的钻井液犹如一段液体“减振弹簧”,这段“减振弹簧”长度随着井深的增加而变长,当伸缩杆向上运动,使得“减振弹簧”内的的钻井液受压,此时伸缩杆向上运动的动能就转成了钻井液的压能,也就是使得钻井液的压力变大成为高压钻井液,然后从钻头的喷嘴喷出。当伸缩杆由原来的升高位置返回,由于缸筒下部的阻尼孔的阻流作用,低压腔里的钻井液不能迅速从阻尼孔排到环空,减小了伸缩杆返回的速度。这两者共同作用使得不断变化冲击力不会直接传给钻头和钻柱,而是由液力加压器转换与吸收,因此不会出现像钻铤加压时钻压突然变为零或者钻压突然又大到使得钻柱弯曲的情况,液力加压器的减振使得钻压的波动大幅减小。

2 理论分析

2.1 阻尼模型的建立

为了更加具体地分析液力加压器是如何减小钻压波动的,可以从液力加压器下部钻具的运动受力状态来进行更加详细的分析,可以将液力加压器当作一个粘性阻尼器,把液力加压器伸缩杆以下的部分的质量作为底部钻具组合的质量,钻头是不断在上下移动的,为了精确表述钻头的动态特性,引入位移函数u(x,t),此函数是位移关于时间与截面位置的一个二元函数,表示在时间t时刻坐标为x的截面处的位移,模型结构(如图2)运用微元分析法截取模型的一个微元段d x,并对微元段进行受力分析:

在钻头处建立坐标系原点,向上的方向为x方向,图中P(t)为高压钻井液对加压器活塞的泵压函数,S(t)为地层对钻头的反作用力函数,N(x,t)为在截面x处的轴向力。钻头截面处的坐标为x=0,现场试验分析得到钻头纵向振动频率是钻头转速的3倍,现场取心也表明,硬地层井底形状呈三叶瓣形状。

图2 液力加压器的阻尼模型

2.2 阻尼计算

为了将液力加压器的阻尼特性以及下部钻具其他部分的阻尼特性更好的表示,引入一个综合阻尼系数,阻尼力与阻尼系数之间关系为

式中:v为钻头纵向振动瞬时速度,m/s;ci为综合阻尼系数,kg/s。

对下部钻具进行简单的受力分析[3],运用牛顿运动定律可以得到:

式中:mbha为底部钻具组合的质量,kg;F(t)为地层对钻头的反作用力,N;WOB0为加在钻头上的静态钻压,N;a为钻头处的加速度,m/s2。

加在钻头上的静态钻压实际上是理论钻压。地层对钻头的反作用力处于不断的变化之中,正是由于地层反作用力的不断变化才造成了钻压的波动;阻尼力包括液力加压器的密封机构所产生的阻尼力和钻井液“减振弹簧”在整个钻具内和钻头喷嘴处所产生的阻尼力。根据作用力与反作用力的关系,地层对钻头的反作用力与钻头施加给地层的瞬时钻压大小相同方向相反,同时由位移与加速度及速度的导数关系,得到:

式中:WOB(t)为钻头施加给地层的瞬时钻压,N。

式(6)给出了瞬时钻压随时间的变化规律,为直观了解井底钻压的实际情况,用趋势图能描述瞬时钻压随时间的变化关系。式(6)中的位移函数u(x,t)可以简化求得;静态钻压WOB0可以按照带液力加压器理论钻压常规计算的方式求得[4];底部钻具组合的质量mbha也是在入井前就知道的。使用液力加压器的时候整个钻柱里的泥浆随着钻头的纵向振动不断的压缩与伸张,可以将其看作特殊的“减振弹簧”,即这部分泥浆柱实际上都可以作为阻尼元件,钻井液的阻尼系数值大约为钢材的1 000倍,液力加压器在钻进过程中,由于钻井液对钻头强烈的阻尼作用,当地层对钻头有比较大的向上反作用力时,钻头瞬时会有个“停滞”的状态,可近似认为钻头的纵向瞬时振动速度v=0,瞬时振动加速度a=0,此时由式(6)计算出的瞬时钻压已经非常接近理论钻压了。当地层特性、井底温度、泥浆性能等外部条件相同时,对于钻铤加钻压,由于其刚性加钻压,即可以将整个刚性钻柱当做钻铤加钻压时的阻尼原件,其阻尼系数是非常小的,对钻头振动的阻尼效果基本上可以忽略,当地层对钻头有比较大的向上反作用力时,钻头的瞬时振动的频率是钻头转速的3倍,即此时钻头的纵向瞬时振动速度和加速度是非常大的,那么由式(6)计算出的瞬时钻压值就会比理论钻压大很多或者小很多,钻压波动程度也会远大于使用液力加压器时的钻压波动程度,即使用液力加压器能够减小钻压的波动,获得稳定可控的钻压。

2.3 阻尼效果的影响因素

液力加压器对钻压波动的减小程度是由其结构决定的,具体来说是由缸筒下部的阻尼孔大小决定的,其大小要保证钻井液能顺利地从缸筒里面流到环空,以及钻井液能从环空顺利地进入缸筒的低压腔,这样液力加压器才能起到作用。底部钻具组合的质量与综合粘滞阻尼的大小将直接影响到液力加压器对钻压波动的阻尼效果,因此在这里可以由这两者得到一个比例系数,可以将其称作“阻尼周期”,对应计算式如下:

式中:T为阻尼周期,s。

可以从这个值来衡量液力加压器底部钻具组合钻压波动的程度,当钻具综合粘滞阻尼系数固定时,底部钻具质量越小,阻尼周期值就越小,液力加压器对钻压波动的抑制能力就弱,钻压的波动就反而越大,为了降低钻压的波动,应该在工艺允许的范围内适当增加下部钻具的质量。同样液力加压器的综合阻尼系数的大小也将对钻压的波动有决定性影响,这个阻尼系数太大或者太小都不利于钻压保持稳定。

2.4 阻尼特性的模拟

根据上面的理论分析可以编写软件,来模拟带液力加压器钻具组合工作时的钻头加速度、速度、位移的波动随阻尼周期的变化趋势,如图3。

图3 阻尼模拟曲线

可以看出井底的反作用力都能有效地被液力加压器阻尼掉,速度、加速度、位移都向零趋近,这就证明了液力加压器能明显地减小钻压的波动作用,使钻头及下部钻柱更加稳定的钻进,得到更加稳定的钻压。

3 结论

1) 理论计算表明,相比钻铤加钻压的波动,液力加压器的钻压波动可以忽略。

2) 提出“阻尼周期”的概念,可以评价液力加压器的阻尼效果。

3) 软件模拟结果证明,液力加压器能阻尼每一个冲击力,提供稳定可靠的钻压。

4) 应进一步研究液力加压器,使其在现场能达到预期的效果,并推广到海上钻井当中。

[1] 赵国珍,龚伟安.钻井力学基础[M].北京:石油工业出版社,1988.

[2] 唐玉渤,秦利明,赵希江.长伸缩距液力加压器的研制[J].石油矿场机械,2010,39(3):85-86.

[3] 马泽永,姜东哲,楚合川,等.液力加压器使用中的相关问题探讨[J].石油矿场机械,2010,39(6):79-81.

[4] 刘清友,单代伟,王国荣.微小井眼水力加压器结构设计及钻压计算[J].石油学报,2009,30(2):304-307.

Study of Damping Model about Hydraulic Thruster to Fluctuation of Weight-On Bit

NIE Jun,SUN Zhan-li,SUN Wei,ZHANG Meng
(1.College of Petroleum Engineering,Yangtze University,Wuhan 434010,China;2.Downhole Service Company,Sinopec Huabei Petroleum Engineering Co.,Ltd.,Zhengzhou 450042,China)

fluctuation of weight-on bit has been a big problem,hydraulic thruster can relief it in certain extant,but it exist some limitations.damping model was established and“element analysis method”and“Newton’s laws of motion”were used to explain how the hydraulic thrust reduced fluctuation of weight-on-bit for improving the effect of hydraulic thruster,damping hole shouldn’t be too large or too small though the concept of periodic of damping.Simulation of the damping characteristic showed that hydraulic thruster could damp each shock and get stable and controllable weight-on bit.It could guide the using of hydraulic thruster in oil field.

hydraulic thruster;bit;fluctuation pressure;damping;modell

TE921.202

A

1001-3482(2014)02-0079-03

2013-09-10

聂 俊(1988-),男,湖北荆州人,硕士研究生,主要从事石油机械装备研究开发工作,E-mail:niejunwsh@126.com。