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钻柱振动与冲击抑制技术研究现状(上)

钴柱振动与冲击抑制技术研究现状(上)

在钻井高难区域,大位移水平井、多分支水平井及侧钻水平井等特殊轨迹井得到了大量的应用。尤其在页岩油气钻井中,必须采用水平井钻井、旋转导向等技术才能获得工业开采量,而在这些复杂钻井工艺和技术中用到的设备与地层动态接触过程中必然产生各种振动与冲击问题。

严重的钻柱振动及冲击对钻铤、随钻测井系统(LWD)、随钻测量系统(MWD)、随钻压力温度测量系统(PTWD)及钻头等昂贵钻井设备带来的危害尤为突出。据统计,每年因钻柱振动和冲击造成的非作业时间(NPT)占总NPT的25%,严重制约自动化钻井的发展。因此,研究钴柱振动与冲击抑制技术十分有必要。

表现形式及评价方法

表现形式

钻柱作为整个系统,其长细比大,刚度很小,易发生变形。将钻柱振动和冲击归为3种基本形式:轴向(纵向)振动和冲击、横向振动和冲击、周向(扭转)振动,其中黏滑、涡动及冲击是重点研究对象。钻柱横向冲击不但对钻柱自身伤害大,而且对井筒质量造成严重伤害。深水钻井过程中立管与海水相互作用会产生涡激振动,涡激振动是一种特殊横振,对立管产生很大伤害作用。3种基本形式发生的典型环境亦不同。纵振环境:坚硬地层、垂直井及牙轮钻头;扭振环境:坚硬地层、定向井及PDC钻头;横振环境:交互地层,垂直井及水平井。

评价技术

控制钻柱振动和冲击前,首先要明确振动和冲击形式、振动水平与井下工具动力失效的关系,即振动和冲击的评价技术,评价技术主要解决钻柱动力失效问题,失效表现在两方面,—是激振频率接近钻柱固有频率时发生共振,响应峰值接近或超过设备安全值使设备破坏。二是长期振动或反复冲击使设备疲劳损坏。据统计,在所有失效井中,气体钻井占50%,钻井液占16%。

评价技术是通过长期理论研究和测量技术形成的。钻柱振动和冲击评价技术有两类,一类是根据断裂力学和损伤力学建立钻柱失效模型,预测钻柱寿命。第一类评价方法预测的结果与实际相差很大。石油圈原创www.oilsns.com

第二类评价方法是实际测量法。即将实测振动和冲击数据与观察到的失效现象对比分析,归纳出动力失效范围和经验模型。测量装置有多种安装方式,按安装位置分为井口、钻柱及钻头,或者同时安装多个传感器(速度或加速度传感器)。数据获取方式主要为实时传输或存储放大方法。

存储放大法记录频率达650Hz,采样频率高至2000Hz,并且存储数据量较大。传输方式可实时获得井下数据,明确井下情况,但信号传输慢,时间延迟严重,存储量较小。APS、BakerHughes、Halliburton及Schlumberger根据测量加速度值的均方根及经验阀值制定了振动和冲击评价标准。该标准建立在大量的实测数据基础上,作业区准确度高,但适用范围小。

钴柱振动与冲击抑制技术研究现状(上)

钴柱振动与冲击抑制技术研究现状(上)

系统研究振动和冲击水平的评价技术的资料较少,几大油服公司根据大量现场经验确定公司作业区块的标准。目前石油行业还没有制定通用的振动和评价标准可供现场统一参考。

控制技术研究 

随着井深增加和特殊工艺技术广泛应用,钻柱振动与冲击带来的动力失效越来越严重,目前已形成多种控制措施。按照其控制原理和控制工程领域知识将钻柱振动和冲击的控制方法分为被动控制、主动控制和半主动控制。石油圈原创www.oilsns.com

被动控制

钻柱振动和冲击的被动控制是指没有任何外部能量供给控制系统,而是利用现有系统所形成的势能供给控制力。早期采用的振动控制技术多属被动控制技术,其措施有如下几方面。

(1)防止谐振

防止钻柱谐振是钻柱被动控制中最早和最常用的方法。主要是建立数学模型,求解固有频率,进行模态和谐振分析。从钻具组合和激振源角度控制振动,要求出固有频率,通过优选钻井参数和改变钻柱结构避开共振频率。

钴柱振动与冲击抑制技术研究现状(上)

Akinniranye G等对钻压、转速和振动的关系进行系统研究和应用,并总结出重要关系,为控制钻柱振动提供了基础。

实践表明,钻柱振动时,在一定范围内,通过监测系统调节优化钻压转速等参数可找到合适的“钻井甜点”防止钻柱发生谐振降低振幅,但是钻井参数只解决了振源激振频率与固有频率问题,如果过分调节参数,会影响钻进效率。通过数学模型求出钻柱固有特性,包括固有频率和振型,该方法比较通用,但理论模型比较简化,很难得到准确固有特性,不能完全消除振动和冲击影响。

通过优化设计钻具组合改变钻柱固有频率是另一方案。常用方法为调节稳定器数量及间距。新型BHA有两点改进:去除动力钻具中近钻头稳定器;将滚轮划眼器由钻铤移到加重钻杆。据RasGas和ExxonMobil统计分析:新型BHA能很好地控制钻柱横振和黏滑,平均效率和总进尺分别提高36%和15%。当钻柱在超深井和气体钻井,钻柱难控制,致使该法受到很大限制,需从新型工具入手。

钴柱振动与冲击抑制技术研究现状(上)

(2)改变能量的分布

改变能量分布是从钻柱系统边界条件入手,通过在钻柱上连接优化钻头、划眼器及稳定器改变能量输人和分布,钻头主要改变了轴向输人力大小和形式,稳定器和划眼器则改变了钻柱侧向接触,包括钻柱与井壁之间的距离及接触力。首先从使用抗振钻头减小振源输入能量入手。

ExxonMobil、Schlumberger等公司联合研制了耐高温抗振PDC钻头。其特点是:(1)优选6刀翼和16mm切削齿;(2)每个刀翼上采用主齿和副齿结构;(3)采用锥形结构。因该结构可抵抗地层摩擦力,同时可防止井眼产生严重狗腿度,减轻黏滑,这个摩擦力是钻柱剧烈振动和失稳主因。

Baker Hughes针对传统牙轮钻头钻速(ROP)低;大尺寸PDC钻头和牙轮钻头扭矩和钻压小;在交互地层,扭矩大幅波动引起钻具过早失效等问题研制了复合钻头,分为两牙轮两刀翼和三牙轮三刀翼两种。试验表明:该钻头在页岩、塑脆性岩石中工作效率是牙轮钻头2〜4倍,在墨西哥湾深水坚硬盐结地层钻速达到17m/h,浅层沉积岩段达37m/h;复合钻头有牙轮钻头滚动切削齿的稳定动力特性,与PDC钻头相比,扭振降低50%,黏滑和涡动大幅降低。该钻头研究工作在国内刚刚起步,其关键技术在钻头优化和适应性评价方法的建立。Schwefe T等研发一种抑制黏滑的钻头,主要控制切削齿深度(depth-of-cut,DOC),降低扭转力。

第二种手段是在划眼作业中采用可解耦的膨胀或变径划眼器。BakerHughes和Schlumberger研制一种同心可膨胀划眼器。其原理是划眼器膨胀开并紧紧地支撑到井壁上,钻柱只产生很小弯矩,起到减振作用。常安装在划眼器以上9m左右。

实践表明,在井斜角小于30°时,钻井效率提高35%。井斜角小于20°时,钻柱涡动和横振降低26%。与双心钻头配合使用抑振效果更好。其特点:(1)划眼器上每个刀翼有两排切削齿,目的是加固和耐磨,延长寿命。(2)采用欠尺寸保护块,钻进划眼过程,中下部切削齿快速研磨井壁,使井壁光滑狗腿角减小缓解振动。(3)可更换保护块和稳定块,避免因“焊接热效应”造成应力集中。在该方面,中国有比较成熟的技术。

第三种手段是钻柱上安装稳定器。National Oilwell Varco(NOV)针对连续油管作业和坚硬地层的剧烈黏滑和向涡,研制一种V型稳定器。该工具由两片稳定翼组成V型非轴对称结构,核心原理是钻柱转动产生向心力,当振动传播到该稳定器时,干扰振动模态传播。同时V型稳定器能诱发钻柱前涡动(FSW),首次利用涡动提高钻速。应用表明FSW发生率超过70%,钻速提髙50%,黏滑降低75%。加之稳定器采用一体化设计,可防止井下工具脱落。

同心可膨胀稳定器是同心可膨胀划眼器的改进,与可膨胀划眼器相似,主要区别是稳定器将划眼器侧向切削齿替换成侧向稳定块,并且稳定块上部有少量切削齿,稳定块有双斜面呈辐射状分布,尖锐边缘提高钻井效率。NOV研制了一种近钻头稳定器。具有4个螺旋稳定翼,分为全封闭式和半封闭式。全封闭式结构可稳定钻头横振,提高信号信噪比。半封闭式有助于岩屑排除和水力参数优化。可安装回压阀和振动记录短节,现场钻速提高20%。在国内现有参考资料中未见到上述稳定器,但结构并不复杂,应用效果较好,该技术应重点关注和深人研究。

第四种是深水钻井中海水段钻柱的被动控制。通过改变结构物表面形状,或增加装置改变结构物周围的绕流场,影响旋涡形成、发展和脱落过程。被动控制方法可分3类:第一类是干扰卷吸层相互作用的近尾流稳定器,如飘带、整流罩等;第二类是影响分离线或分离剪切层的表面突起,如轴向条板、翼片、半球面等;第三类是影响卷吸层的裹覆,如管套、丝网等;目前成功研制和应用较多的是螺旋条纹抑制和整流罩。改变能量分布手段经济有效,简单易行,但是设备的引人会增加钻柱摩扭,制约钻柱下人和高效钻进,所以通过安防减振器吸收和释放能量降低钻柱位移和加速度响应幅度值,保护重要设备和维持钻柱平稳工作是另一种有效方法。

(3)安装减振器平衡或消耗振动能量

安装减振器是被动控制中最有效的措施。Clayer F指出钻柱振动峰值的高度和尖锐度主要取决于井壁及泥浆引起的阻尼。轴向减振器在工程中广泛采用。

常用两种,一种是弹簧式减振器,其核心组件为碟形弹簧。最佳压缩行程为最大压缩行程的10%〜75%。核心原理是当钻压过大时,弹賛压缩产生机械摩擦力将钻压吸收,当钻压过小时弹簧伸长释放能量给钻头,整个过程钻头始终较平稳地与地层接触。其安装位置有两处,一是靠近钻头,吸收近钻头处剧烈振动,延长钻头寿命;二是直接安在MWD和LWD下面,保护昂贵设备。其特点:接头本体强度大,可耐231℃高温,工作时间300h。降低井下冲击载荷和BHA上的循环载荷。应用范围广,适用于定向钻坚硬地层、水平钻井、侧钻开窗、钻穿套管鞋、井下划眼扩眼及连续油管作业。

另一种是液压减振器,其原理是通过改变液压油的体积实现减振。Tomax针对深部坚硬和交互地层,井下钻头黏滑研制一种周向减振器,即防失速工具(Antistalltool,AST)。其核心原理是通过高强度扭转弹簧将周向扭转力转换成周向弹簧压缩能,进而降低扭振,平衡钻头切削深度,降低成本。AST安装位置,一是尽量靠近钻头;二是满足旋转导向钻井系统和传感器测量需求,常安装在MWD和划眼器上方。据统计,Statoil公司在挪威海域应用该设备的进尺和钻速分别提高15%和40%;BP在阿塞拜疆应用该工具将剧烈振动时间降低46%。

中国的轴向减振器技术较为成熟,但是在扭转减振器方面研究较少,随着井深增加,扭振成为研究重点,应加强这方面设备和技术的研究。

虽然该种被动控制效果最显著,简单、经济,主要是考虑系统内部的能量分布,甚至消耗能量,但井下减振器参数范围小,控制能力固定。钻柱运动复杂,振动和冲击剧烈变化,所以迫使工程师和科研工作者建立控制范围大,参数灵活调节的主动控制方法。

欲知后情如何,请点击钻柱振动与冲击抑制技术研究现状(下)

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白矾
石油圈认证作者
毕业于中国石油大学(华东),油气井工程硕士,长期聚焦国内外石油行业前沿技术装备信息,具有数十万字技术文献翻译经验。

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