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复杂结构井中钻柱托压效应的研究进展

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复杂 结构 井中钻柱托压 效应 研究进展
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前沿技术 复杂结构井中钻柱托压效应的研究进展*易先中1宋顺平2陈 霖3王立宏3( 1. 长江大学机械工程学院 2. 长庆钻井总公司 3. 西安长庆石油工具制造有限责任公司 )摘要 : 钻柱托压效应是制约现代钻井作业向更深 、更远目标快速钻进和延伸的技术瓶颈 。目前主要采用减少钻柱接触压力 、降低摩擦因数 、振动方法释放摩阻和扭矩以及增强钻机系统工作能力等 4 种方法来缓解钻柱滑动钻井中的托压问题 , 其中主动机械激振方法是最具有发展前景的释放托压效应的措施 。详细评述了国内在激振源 、钻柱和井壁的相互作用规律 、钻柱托压释放特征的参数评价模型 、井下高能高效激振器以及激振运动对井下钻柱力学性能的交联影响作用等方面的研究进展 。以此为基础 , 提出了激振源 、钻柱和井壁的相互作用规律 、钻柱托压释放特征的参数评价模型 、井下高能高效激振器和激振运动对井下钻柱力学性能的交联影响是未来机械激振释放托压效应研究的重点 。关键词 : 钻柱托压效应 ; 主动机械激振方法 ; 托压释放机理 ; 井下钻井工具 ; 复杂结构井中图分类号 : 献标识码 : A 10. 3969/j. 1001 -4578. 2013. 05. 0241. . . Xi’o. , )of is to in of of of to of of is to in to of of of of on of on 言钻柱的托压效应是指由于井眼轨迹存在曲率或狗腿度 , 钻柱在弯曲井段以下部分与井眼低边形成接触 ( 或托底 ) 而无法有效施加钻压的现象 。一旦出现托压效应 , 将会大幅度降低钻井速度 , 形成不安全隐患 , 增加钻井作业风险[ 1 -5]。复杂结构井—001—石 油 机 械013 年 第 41 卷 第 5 期* 基金项目 : 国家自然科学基金委员会 钻柱托压效应的振动释放机理与特征 ”( ; 国家科技重大专项课题 “复杂结构井优化设计与控制关键技术 ”( 2011005) 。是指除常规直井以外的其他所有井型 , 包括定向井 、水平井 、大位移井以及分支井等多种井身结构形式 , 是目前高效开发复杂地质环境下非常规油气藏与提高采收率的重要技术方法 。在复杂结构井弯曲井段以下的滑动钻进过程中 , 通常会产生钻柱托压效应[ 4 -5]。复杂结构井钻井托压效应的解决 , 是世界石油钻井科学领域中的重要基础理论课题 , 已经成为 国际石油公司研究的重点问题[ 5 -7], 得到了美国能源部 ( 加拿大自然科学及工程研究委员会 ( 政府部门的高度重视和资金支持[ 4, 8], 它的成功突破将推动现代钻井工程向更深 、更远的目标快速进行[ 1 -3]。为此 , 笔者分析了缓解钻柱托压效应的4 种基本方式 , 认为机械激振是最好的方式 , 并指出机械激振释放钻柱托压效应的未来研究重点 。1 缓解钻柱托压效应的基本方式综合 2002 ~2012 年国际钻井工程领域在缓解钻柱滑动钻井中托压效应研究方面的前期成果 , 可以将其归纳为 4 种基本方式[ 1 -10]。( 1) 减小钻柱接触压力 。开展优化井眼轨迹 、应用轻质钻杆等研究工作 。( 2) 减小摩擦因数 。研制高效润滑剂和添加剂 , 采用共聚物球珠 , 开发圆柱滚子降摩阻短节 、非旋转保持接头和完井下钻旋转工具等 , 以减小钻柱与井壁之间的摩擦力 。( 3) 振动方法释放摩阻和扭矩 。研究了压力脉冲振动工具 、弹簧锤式激振工具和脉动射流振动工具等机械振源设备 , 改变钻柱与井壁的接触状态 , 以减轻井下摩擦阻力 、降低阻力矩 , 增强钻压的传送能力 。( 4) 增强钻机系统工作能力 。提高钻杆强度钢级 , 应用井下牵引器 , 配用大功率钻机 , 增强驱动系统和起升系统的能力等 。上述研究中 , 机械振动方法是最具有发展前景的降低钻柱摩阻和扭矩 、缓解托压效应 、增加钻压传送能力和延伸距离的研究方向[ 1 -4, 9]。利用主动机械激振方式克服钻柱的摩阻和扭矩 , 提升钻压传递能力 , 释放托压效应的方法是目前研究与探索的热点[ 4 -16]。主动机械振动方法降低微小井眼连续管钻井作业中托压效应的基础研究项目得到了美国能源部重点资助[ 4]。2 主动机械激振方式释放钻柱托压效应的研究进展主动机械激振方式释放井下钻柱托压效应的技术在国际钻井工程领域正处于一个方兴未艾的时期[ 1 -12, 17 -30], 其重点集中在以下 4 个基本科学问题 。2. 1 激振源 、钻柱和井壁的相互作用规律以 司 人为代表的团队研究工作较为领先 , 拥有全尺寸的振动降摩阻性能试验装置和部分单元性能模拟测试装置( 见图 1) 。在美国能源部的资助下 , 该团队完成了在振动频率 20 ~60 续变化 , 以轴向 、周向和横向等不同振动形式实现激振运动 , 井下杆柱振动能量的传递与衰减的试验测试分析 。分析结果表明 , 采用机械主动激振的方式能显著减小井下钻柱与井壁的摩擦阻力 。其中轴向振动模式减小摩擦阻力的效果最好 , 周向扭转振动次之 。同时 , 该团队还开发了井下振动随工作深度的衰减预测分析软件 , 能分析和评价不同的机械振动参数对井下钻柱摩擦阻力的减小效果[ 4]。图 1 司振动释放钻柱托压原理的试验研究装置1 人[ 9]对轴向激振运动的传播距离 、波形以及与井眼约束的相互关系进行了一维和三维运动模拟计算与室内试验研究 。一维模型将管柱简化成弹簧质量系统 , 激振器位于管柱的一端 ,采用库伦摩擦准则 ( , 考虑静态和动态 2 种摩擦运动模式 , 线性阻尼方式 ,应用瞬态动力学方法对轴向振动的传递进行数值模拟计算 。同时 , 以一维模型的数据为基础 , 进行轴向运动在三维井眼静态传递特性的模拟计算 。模拟计算结果与室内试验数据表明 , 轴向激振运动在管柱中的传播距离与作用时间成正比 , 二者吻合 。—101—2013 年 第 41 卷 第 5 期 易先中等 : 复杂结构井中钻柱托压效应的研究进展2. 2 钻柱托压释放特征的参数评价模型机械激振方式释放钻柱托压的效果体现在井下钻柱钻进过程中所受的摩擦阻力变小和扭矩载荷减小 2 个方面 。机械激振方式释放钻柱托压的原理是 : 在常规滑动钻进中引入了 1 种附加的机械激振运动 , 使钻柱的滑动运动转换为滚动运动形式 。钻柱在井壁内做滚动运动比做简单的滑动运动的摩擦因数小 , 故相同几何结构的下部钻柱组合在弯曲井段与井眼低边接触面上产生的轴向摩擦阻力和周向摩擦扭矩载荷也就变小 。于是 , 钻柱在滑动钻井中产生的托压现象得到了释放 。摩擦因数是阻止两相对运动物体的摩擦力与接触表面的法向力之比 , 它是一个与表面粗糙度和相对运动性质有关的无量纲因子 。若以摩擦因数为参数作为评价钻柱托压效应释放作用的量度指标 , 具有一定的直观性和合理性[ 1 -3, 8, 11 -13]。但在工程实践中 , 由于井下钻柱三维振动运动复杂 , 井壁及井眼形状千差万别 , 摩擦因数的室内测量获取和理论建模难度较大 。井下数千米的钻柱在主动激振运动形态下 , 由于井壁几何形状不规则 , 钻柱与井壁之间以及钻柱与套管之间 , 接触面的形成与消失 , 法向接触力的产生与转向 , 呈现出瞬态变化趋势 , 不确定的影响因素多 , 用明确的数学物理模型来描述局部摩擦阻力或阻力矩的产生以及总体摩擦性能的降低原理尚存在困难[ 1, 3]。目前是采用事后回馈试凑分析的方法获取井下杆柱整体摩擦因数的统计值[ 2, 3, 16, 17, 24, 28]。S. 人[ 1, 3]认为 , 单纯以摩擦因数作为描述钻柱托压效应释放形态的量度指标已暴露出不足 。人[ 3]的试验研究显示 , 振动的能量沿着钻柱轴线逐渐衰减 。在振动的有效作用区 , 摩擦现象能消除 , 而在振动不能传播到的地方 , 托压现象仍然存在 。对 2 口水平井的试验数据分析计算表明[ 3], 1 个 73. 0 2振动器可以使连续管柱的摩擦阻力减小 6. 8 ~7. 3 或者增加其延伸距离 304. 8 m。当从下部钻具组合的底端开始向上依次逐段地计算钻柱每个截面的当量摩擦阻力时 , 会出现 1 个 0 摩擦力点 ,该点是振动作用的消失点 ( 3]。该振动消失点就是激振源的有效传播距离 , 它代表了激振器降低井下摩阻的能力范围 。司 S. 人[ 1]在 69 口复杂结构井对 3 种井下机械振动工具托压效应的释放效果进行了 70 井次对比试验 。研究结果表明 , 在垂直井段 , 地面钻柱载荷随着井深的增加成正比增加 , 其每米钻柱质量增量为正值 ; 在水平井段 , 由于摩阻的影响 , 其每米钻柱质量增量出现负值 , 即相当于钻柱的质量受到损失 , 自重对钻柱下滑的驱动作用和延伸能力减弱 。然而 , 机械振动释放钻柱托压效应的明显标志是抑制钻柱延伸功能的损失 , 克服摩擦阻力的负面影响 , 即相当于增加钻柱的有效质量 。于是 , S. 人[ 1]提出了新的每米钻柱质量增量的概念 。每米钻柱质量增量值的大小代表了井下托压释放的有效程度以及对钻柱延伸能力提升的高低 。2. 3 井下高能高效激振器S. 人[ 1]的试验对比发现 , 若用管柱的工作回压波动幅度来近似代表振动工具减小摩擦因数的能力 , 脉动射流振动工具的降摩阻效果最好 。人[ 4]的振动降摩阻试验也表明 , 压力脉冲振动工具 ( 对动力液的能量消耗相对较大 。长江大学易先中课题组与长庆钻探工程有限公司联合开展了水平井下部钻柱组合三维振动器研制工作 , 研制的振动器能实现轴向 、周向和横向三维激振 运 动 , 其激振原理在压力脉冲振动工具( 的基础上进行了改进设计 。现已完成120. 6 4 和 165. 1 6 2 种尺寸规格的样机制造 , 在相同振动功率输出参数情况下 , 对钻井液的能量消耗分别为 1. 1 和 2. 1 决了对钻井液循环压力消耗大的问题 。2. 4 激振运动对井下钻柱力学性能交联影响作用司 . 学 人[ 15 -17]的试验发现 , 水力振动频率为5 ~20 对钻杆内轴向力的传递有利 , 可使摩擦阻力减小 , 传递距离增加 30% ~100%; 且液体的流速越高 、黏度越低 , 轴向力的波力效果会增强 , 但对钻杆的临界屈曲载荷却有影响 , 使之下降11% ~45%。当钻柱的轴向力超过屈曲载荷临界值 ( 则 ) 后 , 通常认为它将出现锁死现象 ,轴向力不能再向下传递 。但巴黎矿业大学 司 P. 人[ 18]的试验表明 , 钻柱在旋转时 , 即使轴向压缩力超过屈曲载荷临界值 , 它仍能有效传递 ; 若钻柱处于滑动状态 ,压缩载荷低于临界值 , 它也会发生锁死 。这说明杆柱在复合运动状态下的屈曲载荷比单一运动形态下的屈曲载荷表现出有增加的倾向 。际公司人[ 19]用 73. 0 2 、88. 9—201— 石 油 机 械 2013 年 第 41 卷 第 5 期 3 、101. 6 4 钻杆在 177. 8 7 套管中进行全尺寸的试验发现 , 实测屈曲临界载荷值低于现有理论模型 , 但安装了非旋转低摩擦保护接头的钻杆 , 实测屈曲临界载荷值却增加 20%。3 机械激振释放钻柱托压效应的未来研究重点3. 1 激振源 、钻柱和井壁相互作用规律综合分析国内外机械振动释放钻柱托压效应的基础理论研究趋势 , 第 1 个基本科学问题即激振源 、钻柱和井壁的相互作用规律 , 它是揭示振动运动与摩擦阻力减小之间内在关系的基础 , 是带动其他科学问题发展的关键 。但轴向激振的建模方法 、激振源的最佳工作频率和传播距离等的确定等问题 , 人[ 9]并没有详细研究 。有待深入研究的是 : 轴向 、周向和横向 3 种不同振动形式下钻柱摩擦阻力下降的基本特征 ; 不同振动源在井下钻柱组合中的布置位置对降扭减阻的影响 ; 井壁表面粗糙度对钻柱振动能量的传递影响特征 ; 钻杆连接接头的振动衰减特性 ; 激振源有效传播距离等课题[ 9 -10]。3. 2 钻柱托压释放特征的参数评价模型对于不同的井型 , 若造斜率和水平位移的长度不同 , 则钻柱托压效应的释放形态也不同 。S. 人[ 1]提出了针对复杂结构井按水平位移的长度不同逐段分级的思想 , 即不同复杂等级程度的井型其钻柱托压效应的释放方式和比较评价指标存在区别 , 应分别研究 。有待深入研究的是 : 每米钻柱质量增量与井下振动源工作参数之间的联系模型 ; 管柱摩擦因数与井身结构基本参数之间相互关系的数学物理模型等 。3. 3 井下高能高效激振器现有机械振动方式释放钻柱托压效应的激振器有压力脉冲振动工具 ( 、弹簧锤式振激工具 ( 和脉动射流振动工具 ( 等 3 种[ 1, 14], 难以满足实际钻井工艺中对托压释放能力的不同要求 。同时 , 现有激振源的工作性能参数和品种规格亟待优化和完善 , 井下各类大功率高效的新型激振元件有待研究开发 。3. 4 激振运动对井下钻柱力学性能的交联影响司 人[ 20 -30]的研究发现 :振动方法能明显减轻井壁的粘卡及稳定器翼片挂井壁的现象 , 有利于井眼清洁 、钻压传递 、增强侧向延伸能力 , 但增大了井下测量仪器中部分元件的损坏概率 。合理选择振动源工作参数 ( 如激振力大小 、激振频率范围等 ) 、井下测量仪器机电元件的隔振方式等问题有待深入研究 。考虑井下振动 、涡动和拉扭组合工况 , 油水介质以及井眼倾斜等条件的屈曲试验有待深入进行[ 19]。另外 , 考虑狗腿度和螺旋井眼等因素的修正屈曲载荷模型也有待深入研究[ 19]。4 结束语目前国内外在利用主动机械激振方法克服钻柱托压效应方面取得了一些重要的研究成果 , 但以下方面仍需不断完善 。( 1) 不同主动激振形式下激振源 、钻柱和井壁的相互作用规律及钻柱摩擦阻力下降的特征 ; 激振能量在钻柱中的传递特性以及激振源有效传播距离等问题 。( 2) 钻柱的摩擦阻力和反扭矩在不同复杂程度的井型结构中的释放形态及比较评价指标 ; 每米钻柱质量增量与井下振动源工作参数的内联模型等课题 。( 3) 井下高效激振方式及新型大功率的激振元件有待研发 。( 4) 激振运动的工作参数 ( 如激振力大小 、激振频率范围等 ) 对钻柱其他组成单元 ( 如井下测量仪器中的传感元件等 ) 的干扰作用或屏蔽技术有待深入研究 。参 考 文 献[ 1] , , . R] . 54290 7 -28, 2012.[ 2] E, F. R] . 47100 at 0 - , 2011.[ 3] , , , et of a R] . 21752 at 301—2013 年 第 41 卷 第 5 期 易先中等 : 复杂结构井中钻柱托压效应的研究进展1 - , 2009.[ 4] , , . T 05[ R] L. P. , , 2007.[ 5] E, . by of R] . 49072 at 5-18, 2011.[ 6] E, D, . of a R] . at il 22, 2011.[ 7] E, , , et by at 0%: A 41673 at il 5 -28, 2011.[ 8] A, , S. in J] 2011, 5 ( 5) : 10 -28.[ 9] , , , et of to in R] . 56017 at 0 -21, 2012.[ 10] , , , et in s R] 9550 at 008 U. S. A. , -8, 2008.[ 11] , , S. of D J] . 2010, 4( 2) : 2 -22.[ 12] S, F G. A 3D J] . 2010, 49 ( 10) : 25 -36.[ 13] A, , , et of in R] . 35719 at 9 -22, 2010.[ 14] , , , et of R] . 39143 at il 5 - 28,2011.[ 15] R, , , et of on of at R] . 05123 0 -22, 2007.[ 16] I, . R] . 0701 at 000 X, -6, 2000.[ 17] , A, A, et in R] . 32179 at -10, 2010.[ 18] , , , et of in R] 19861 at 7 -19, 2009.[ 19] , B, , et of a to of R] . at -11, 2011.[ 20] N, , , et in R] . 53474 at 7 -28, 2012.[ 21] , N, , et R] . at 7 -28, 2012.[ 22] . as a of R] . 39830 at -3, 2011.( 下转第 110 页 )—401— 石 油 机 械 2013 年 第 41 卷 第 5 期下钻完井和修井作业 , 目前尚处在原型样机研发和单元试验阶段 。该技术一旦突破 , 将会显著降低深水及超深水钻井成本 , 并推动油气勘探开发向更深的水域迈进 。( 2) 海底钻机作业环境恶劣 , 对材料及自动化程度要求非常高 。国内应加强对该技术的跟踪研究 。海底钻机模块化设计技术 、加工制造技术 、水下安装技术 、智能作业技术以及远程控制技术等 ,对石油工程相关领域的技术研发和装备制造都有积极的借鉴意义 。( 3) 用于油气勘探开发的深水海底钻机系统复杂 , 国内可以从用于深水海底自动取样 、浅钻设备入手 , 开始关键设备的研发试验 。参 考 文 献[ 1] 杨金华 . 国外钻井技术研究新动向 [ L] .[ 2012 - 10 - 29] . -04/92925211888 2] . J] . 009: 28 -29.[ 3] L] . [ 2012-10 -29] . ∥02010%200000 - % 202020 - % 20010.[ 4] P. a on 2008100149 [ P] . 2008 -08 -21.[ 5] . J] . 2007: 24 -25.[ 6] J, W, M. R] . at 003 U. S. A. , -8, 2003.[ 7] 司英晖 , 孙艳军 , 温林荣 . 国外钻机及钻井平台发展的新动态 [ J] . 石油机械 , 2008, 36 ( 7) : 74 -80.[ 8] J. 7584796 [ P] . 2009 -09 - 王敏生 , 教授级高级工程师 , 生于1973 年 , 1995 年毕业于江汉石油学院钻井工程专业 , 现从事复杂结构井和石油工程战略规划研究工作 。地址 :( 100101) 北京市朝阳区 。电话 : ( 010) 84988087。E - 稿日期 : 2012 -11 -12( 本文编辑 丁莉萍檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯
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