钻压波动特性模拟实验研究

2019-06-12管志川梁德阳周英操

钻采工艺 2019年5期

温欣，管志川，梁德阳，周英操

（1中国石油钻井工程技术研究院2中国石油勘探开发研究院3中国石油大学（华东）石油工程学院）

温欣等.钻压波动特性模拟实验研究.钻采工艺，2019，42（5）：20-23

钻压是钻井过程中的重要参数，也是影响机械钻速的决定性因素之一。钻进时，由于本身机械结构的影响，钻头在与岩石相互作用的过程中可导致纵向振动，底部钻具组合BHA在旋转时也会产生三维耦合振动。因此，实际井底钻压并不是恒定值，而是一个动态波动的过程。合理的钻压波动有利于钻头破碎岩石，但是钻压波动过大，不仅不利于岩石破碎，甚至会引起钻头牙齿以及钻头轴承的冲击破坏。

近年来，钻压波动的问题越来越受到国内外专家学者的重视。Yuichi Shinmoto等［1］通过现场实验，分析了钻压波动值和岩心采收率之间的关系，优化了取心作业的钻进参数。Dunayevsky V A等［2］考虑了钻压波动的影响，建立起钻柱横向-纵向振动二维耦合模型，分析了钻柱的动态稳定性。管志川、刘永旺等［3-4］设计出利用吸收钻压波动能量辅助破岩的减震增压装置，并对其提速效果进行了分析。肖建波［5］采用弹性梁的变形微分方程以及单元体的静力平衡和力矩平衡关系，建立了钻进时轴力的二维计算模型，给出了通过利用视压力计算井底钻压的方法和步骤。邵冬冬等［6-7］通过室内实验装置，模拟不同的钻进参数，研究了水平井眼钻压波动的变化规律。

理清钻压波动的变化规律对于揭示钻头的动力学行为和优化钻进参数有着重要的指导意义。本文基于相似原理建造了室内模拟装置，并进一步研究了不同钻进参数条件下井底钻压波动的变化规律，从钻压波动频率和波动幅度的角度对钻压波动进行了定量刻画和评价，以期进一步揭示钻压波动的内在规律。

一、实验装置及方案

基于相似原理［8-9］建造了室内模拟试验装置，如图1所示。可通过起升装置调节钻柱的井斜角α，用于模拟不同井斜角的大斜度井，该装置的井斜角调节范围为75°～90°。在模拟实验中所采用的钻具组合参数如下：Ø101.6 mm加重钻杆+Ø101.6 mm斜坡钻杆+Ø101.6 mm无磁承压钻杆+LWD+Ø101.6 mm无磁承压钻杆+Ø148 mm稳定器+Ø120 mm弯螺杆钻具+Ø152.4 mm钻头。模拟井筒由有机玻璃管加工而成，内径25 mm；模拟钻柱为ABS工程塑料，外径17.78 mm，内径5.7 mm，长度9.5 m，密度为1.084 g／cm3，弹性模量为2.23 GPa。井底钻压波动测量装置（图2）位于整个室内模拟实验装置的底部，由压力传感器、加压手轮、模拟钻头、模拟井底、模拟钻柱和模拟井筒等组成。加压手轮用于施加名义钻压［10］，模拟钻头上加工有切削齿，模拟井底用水泥浇筑，呈凹凸不平状，尽可能还原钻头和井底的真实接触情况。

图1 钻柱动力学室内模拟实验装置

图2 钻压波动测量装置示意图

根据相似原理的推导，当钻压、转速和井斜角的关系符合式（1）时，室内实验结果与工程实际相符，可以将实验中得到的结论用于工程实际［11］。

式中：ne—实验过程中的转速，r／min；na—钻井现场的实际转速，r／min；We—实验过程中采用的名义钻压，kg；Wa—钻井现场的实际钻压，kN；αe—实验过程中钻柱的井斜角，°；αa—钻井实际中大斜度井眼的井斜角，°。

根据现场实际并结合设备本身的参数调节范围，制定了相应的实验方案，参数对应关系如表1所示。若无特殊说明，下文中的钻进参数均指实验参数。

表1 实验参数和实际参数对应关系表

二、转速对钻压波动的影响

根据实验结果，可得到井斜角79°的大斜度井眼中钻压波动曲线，见图3。

图3 不同转速下钻压波动曲线图

通过初步的定性分析可以总结：

（1）在大斜度井眼中，钻压波动曲线围绕着名义钻压值上下周期性地波动。钻压的波动在低钻速阶段整体平衡，围绕名义钻压值上下波动。在钻速不断增加的过程中，钻压波动曲线出现“随机偏移”现象，即当转速大于150 r／min以后，低钻压下的波动曲线明显偏离名义钻压。

（2）随着转速的升高，钻压波动的频率逐渐增大，而钻压波动的幅度却减小。如图3所示，测试时间3 s内，钻压波动曲线出现的波峰数量不断增加，而波动幅度却从0.5 kg减小到0.2 kg左右，降幅明显。

1.转速对钻压波动幅度的影响

钻头在破碎井底岩石的过程中受力十分复杂，且底部钻具组合的三维耦合振动也存在一定的不确定性。为了进一步精确地量化分析，定义了钻压波动幅度ω的计算公式，如式（2）：

式中：ω—钻压波动幅度，kg；h，l—钻压波动曲线中波峰和波谷；i，j—分别代表波峰和波谷出现的次序；n—某一个时间段内钻压波动波峰或波谷出现的个数。

根据式（2），计算出每一组实验中钻压波动幅度ω，并绘制成曲线，如图4所示。

图4 钻压波动幅度随着转速的变化曲线

图4代表井斜角79°下钻压波动幅度随着转速的变化曲线，从图中可以看出：①整体上来看，钻压波动曲线虽有所起伏，但随着转速的增加而不断下降；②随着钻速的升高，钻压波动幅度显著降低。当转速为50 r／min时，钻压波动幅度ω集中在0.4～0.6 kg的范围内，当转速升高到350 r／min时，钻压波动幅度ω降低到0.2～0.3 kg的范围内，整体降幅约为50%。

2.转速对钻压波动频率的影响

为了定量分析钻压波动频率，对不同钻进参数条件下的钻压波动曲线进行快速傅里叶变换，从时域转化到频域，并进一步提取出不同转速下的钻压波动主频率。结果如图5和图6所示。

图6中的无因次频率定义为钻压波动频率与钻柱自转频率的比值，为无量纲参数。如图5和图6所示，选取低钻压（We＝1 kg）和高钻压（We＝3 kg）进行对比分析可得：①钻压波动频率随着钻速的升高而线性增加；②钻压波动无因次频率随着转速的升高基本保持不变，虽偶有波动，但是其数值始终保持在1左右。因此通过定量分析认为，钻压波动频率等于钻柱自转频率。

图5 钻压波动频率随着转速的变化曲线

图6 钻压波动无因次频率随着转速的变化曲线

三、钻压对钻压波动的影响

1.钻压对钻压波动幅度的影响

采用式（2）对每一组实验的钻压波动幅度进行计算，绘制出钻压波动幅度ω随着钻压的变化曲线，结果如图7所示。

图7 钻压波动幅度随着钻压的变化曲线

图7为井斜角79°下钻压波动幅度随着钻压的变化曲线，可以得到：大斜度井眼中钻压的改变对钻压波动幅度影响很小，在不同的井斜角情况下，随着钻压的升高，钻压波动幅度保持在0.1 kg以内。这表明，钻压的改变对大斜度井眼中钻压波动幅度影响很小。

2.钻压对钻压波动频率的影响

选取低转速（ne＝50 r／min）和高转速（ne＝350 r／min）两种具有代表性的工况，采用快速傅里叶变换（FFT）绘制不同钻压下的钻压波动频率曲线，如图8和图9所示。

图8 钻压波动频率随着钻压的变化曲线

图9 钻压波动无因次频率随着钻压的变化曲线

通过分析可以得到：①在图8中，随着钻压的升高，钻压波动频率在低转速和高转速两种情形下，均保持恒定不变，这说明钻压对于钻压波动频率没有影响；②如图9所示，钻压波动无因次频率随着钻压的升高依然保持稳定，而且高转速和低转速情况下，无因次频率的值都等于1。这一现象说明，在不同钻压下，钻压波动频率依然等于钻柱的自转频率。