水平旋轉(zhuǎn)鉆柱橫向振動特性試驗

邵冬冬,管志川,溫 欣,史玉才

(中國石油大學石油工程學院,山東青島 266580)

水平旋轉(zhuǎn)鉆柱橫向振動特性試驗

邵冬冬,管志川,溫 欣,史玉才

(中國石油大學石油工程學院,山東青島 266580)

利用水平井鉆柱動力學特性模擬裝置,對不同鉆壓和轉(zhuǎn)速條件下水平旋轉(zhuǎn)鉆柱橫向振動特性進行試驗研究。結(jié)果表明:鉆壓和轉(zhuǎn)速是影響水平井旋轉(zhuǎn)鉆柱橫向振動特性的重要因素；隨著轉(zhuǎn)速增加,兩橫向振動的頻率逐漸變大而相位差變小,兩橫向振動頻率與鉆柱自轉(zhuǎn)頻率呈線性關(guān)系；鉆壓增大對兩橫向振動頻率的影響不大,但兩橫向振動的相位差會隨著鉆壓的增大而逐漸變小；實際鉆進中,鉆柱一直處于井筒的右下部,轉(zhuǎn)速選取時應盡量避開52.1 r/min。

鉆井；水平旋轉(zhuǎn)鉆柱；鉆壓；轉(zhuǎn)速；橫向振動；試驗

在鉆井過程中,鉆柱的橫向振動對所鉆井眼軌跡和鉆柱的疲勞破壞都會產(chǎn)生非常大的影響。國內(nèi)外很多專家學者和鉆井工作者通過理論研究、現(xiàn)場測量以及室內(nèi)模擬試驗的方式進行了大量的鉆柱振動規(guī)律方面的研究[1-10],其中對直井鉆柱振動的研究較多,對水平井和大位移井等復雜結(jié)構(gòu)井水平段鉆柱振動規(guī)律的認識都是基于直井底部鉆具組合運動規(guī)律的基礎(chǔ)上的理論研究[11],對水平段鉆柱運動規(guī)律和鉆柱橫向振動特性沒有直觀的認識,而水平段鉆柱的運動規(guī)律和振動特性直接影響了鉆進過程中井眼軌跡的控制、鉆具組合和鉆進參數(shù)的選取。筆者通過室內(nèi)模擬試驗,對水平鉆柱旋轉(zhuǎn)鉆進過程中鉆柱的橫向振動規(guī)律進行研究。

1 模擬裝置與試驗方案

水平井鉆柱動力學特性模擬試驗裝置示意圖如圖1所示。利用該裝置可以實現(xiàn)水平旋轉(zhuǎn)鉆柱在不同鉆壓、轉(zhuǎn)速條件下的模擬試驗,并且可以直觀地觀察水平旋轉(zhuǎn)鉆柱在模擬井筒中的運動狀態(tài)。模擬裝置可測得的數(shù)據(jù)包括鉆柱自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、底部鉆壓、橫向振動位移、縱向振動位移、鉆壓波動和鉆頭處側(cè)向力。試驗中用到的傳感器類型有:應變式拉(壓)力傳感器2個,用于測量井底實際鉆壓和人為施加的鉆壓；渦流位移傳感器4組,每組3個,用于測量距模擬井底4個不同位置處(1、3.5、5.5、8 m)縱向振動位移和X、Y兩橫向振動位移。橫向振動位移測量示意圖見圖2。

圖1 水平井鉆柱振動模擬試驗裝置示意圖Fig.1 Sketch map of experimental simulation device of drilling string vibration in horizontal well

圖2 橫向振動位移測量示意圖Fig.2 Sketch map of measuring lateral vibration displacement

根據(jù)相似理論[12-13],當鉆壓和轉(zhuǎn)速關(guān)系符合式(1)時,試驗觀察到的現(xiàn)象與鉆井工程實際相似,可以將試驗得到的結(jié)論用于工程實際。

式中,Ωm為模型的轉(zhuǎn)速,r/min；Pm為模型鉆壓,kN； Ω為工程實際轉(zhuǎn)速,r/min；P為工程實際鉆壓,kN。

為了研究旋轉(zhuǎn)鉆柱在不同鉆壓和轉(zhuǎn)速條件下的橫向振動規(guī)律,分別對距井底1、3.5、5.5、8 m處鉆柱振動的橫向位移進行測量。試驗通過固定鉆壓值、調(diào)整轉(zhuǎn)速的方式進行。試驗鉆壓和轉(zhuǎn)速及其對應關(guān)系見表1。

表1 模型參數(shù)和實際參數(shù)Table 1 Model parameters and actual parameters

2 不同轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)鉆柱的橫向振動

試驗結(jié)果分析表明,所有測點處鉆柱的橫向振動頻率的變化規(guī)律一致,并且位移的變化規(guī)律差別非常小,可看為近似一致。距離井底1 m處測點距離鉆頭最近,分析其頻率及位移變化規(guī)律對軌跡控制及鉆進參數(shù)選取更具實際的指導意義。距井底1 m處,鉆壓值為0.5 kg,將分別調(diào)整轉(zhuǎn)速值所測得的試驗數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換(FFT),試驗所得數(shù)據(jù)的時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號,得到底部鉆具組合的橫向振動頻率,對鉆柱的橫向振動規(guī)律進行分析。

2.1 橫向振動頻率

鉆壓為0.5 kg時,距井底1 m處鉆柱橫向振動頻率與自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速之間的變化關(guān)系曲線如圖3所示。鉆柱自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速Ωsf與自轉(zhuǎn)頻率fsf之間的關(guān)系為

Ωsf=60fsf.

圖3 鉆柱橫向振動頻率隨自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的變化Fig.3 Variation of lateral vibration frequency with drill string rotation speed

由圖3可以看出,當轉(zhuǎn)速小于150 r/min時,X方向與Y方向振動的基頻相等,且隨著轉(zhuǎn)速的增加鉆柱橫向振動頻率與鉆柱自轉(zhuǎn)頻率的比值逐漸變小并趨向于1,且都大于鉆柱的自轉(zhuǎn)頻率,兩者相差最大為0.2 Hz,鉆柱的橫向振動頻率與鉆柱的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速近似符合線性關(guān)系；當轉(zhuǎn)速大于150 r/min時,兩橫向振動的頻率出現(xiàn)分化,X方向基頻大于鉆柱自轉(zhuǎn)頻率,Y方向基頻小于鉆柱自轉(zhuǎn)頻率,兩者之間相差不大,鉆柱沿X方向的振動比Y方向的振動更為劇烈。

2.2 合運動軌跡

鉆柱X、Y兩橫向振動位移的耦合疊加即為鉆柱中心在井筒中的實際運動軌跡。由文獻[14]和[15]可知,當二分振動的頻率和初相位符合一定關(guān)系時,合運動的軌跡為閉合曲線,并且具有一定的周期性,這種圖形就是利薩如圖形。鉆壓為0.5 kg,不同轉(zhuǎn)速時的合運動軌跡曲線如圖4所示。圖4中,黑色圓圈代表井筒內(nèi)徑,圓圈內(nèi)實線為鉆柱在井眼中的實際運動軌跡,右側(cè)實線為鉆柱運動軌跡的放大圖。

由軌跡曲線可以看出:鉆柱一直在井眼的右下部擺動,不存在直井中的“渦動”現(xiàn)象；當鉆速較小(小于150 r/min)時,運動的軌跡較規(guī)則,近似為圓形,此時X、Y二分振動的頻率相等,這點可以從頻率分析得到驗證；當鉆速較大(大于150 r/min)時,鉆柱的運動軌跡近似為“8”字形,符合利薩如圖形的特點,此時兩個分振動的頻率不相等,隨著轉(zhuǎn)速的增加,圖形變得較扁,兩個分振動的相位差較小。

圖4 合運動軌跡曲線隨自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的變化Fig.4 Variation of closing movement trajectory with rotation speed

3 不同鉆壓下旋轉(zhuǎn)鉆柱的橫向振動

不同鉆壓條件下,距井底1 m處的鉆柱橫向振動頻率隨自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖5所示。合運動軌跡曲線如圖6所示。

由圖5、6分析可得:

(1)鉆壓1 kg。轉(zhuǎn)速小于150 r/min時X方向振動基頻小于Y方向振動基頻,兩者相差約0.25 Hz,合運動軌跡為“8”字形；轉(zhuǎn)速等于150 r/min時X方向振動基頻與Y方向振動基頻相等,且都為鉆柱的自轉(zhuǎn)頻率,合運動軌跡近似為圓形；轉(zhuǎn)速大于150 r/min時X方向振動基頻大于Y方向振動基頻,兩者相差不大,約等于鉆柱自轉(zhuǎn)頻率,合運動軌跡為“8”字形,但“8”字較扁,說明兩者的相位差很小,合運動軌跡近似為一圓弧線,鉆柱做圓弧線擺動。

圖5 不同鉆壓時鉆柱橫向振動頻率變化曲線Fig.5 Curve of lateral vibration frequency under different weight on bit

圖6 不同鉆壓下合運動軌跡曲線Fig.6 Curve of closing movement trajectory under different weight on bit

(2)鉆壓1.5 kg。X方向振動基頻與Y方向始終相等,隨著轉(zhuǎn)速的增加,兩者振動基頻與鉆柱自轉(zhuǎn)頻率趨向相等；但合運動軌跡曲線變化較大,隨著轉(zhuǎn)速的增加,二分振動的相位差逐漸變小,轉(zhuǎn)速大于200 r/min時,合運動軌跡近似為圓弧線。

(3)鉆壓2.5 kg。轉(zhuǎn)速小于150 r/min時X方向振動基頻小于Y方向振動基頻,兩者之差最大為0.5 Hz,合運動軌跡為“8”字形,轉(zhuǎn)速大于150 r/min時X方向振動基頻大于Y方向振動基頻,兩者相差不大,且皆趨向于鉆柱自轉(zhuǎn)頻率；合運動軌跡皆為“8”字形,且“8”字都比較扁,說明X、Y方向橫向振動的相位角相差不大,合運動軌跡近似為圓弧線。

綜合以上分析,鉆柱自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速150 r/min為鉆柱橫向振動的一個臨界點。在此轉(zhuǎn)速前后,X、Y方向橫向振動的頻率以及兩橫向振動的合運動軌跡變化較大；鉆壓對鉆柱橫向振動的影響很大,隨著鉆壓的增大,X、Y方向橫向振動的頻率變化不大,但相位差逐漸變小,合運動軌跡“8”字形變扁。

4 結(jié) 論

(1)水平段鉆柱旋轉(zhuǎn)鉆進時,鉆柱在井眼的右下部擺動,不存在類似于直井中的“渦動”現(xiàn)象。

(2)鉆柱兩橫向振動頻率隨著轉(zhuǎn)速的增加逐漸增大,兩者之間呈線性關(guān)系。隨著轉(zhuǎn)速的增加,兩橫向振動的頻率與鉆柱的自轉(zhuǎn)頻率趨于相等,兩個分振動的相位差逐漸變小。

(3)隨著鉆壓的增加,兩橫向振動的頻率變化不大,但其相位差逐漸變小,表現(xiàn)為兩橫向振動的利薩如圖形即鉆柱的實際運動軌跡變化較大。

(4)水平旋轉(zhuǎn)鉆柱自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速150 r/min(對應實際工程實際鉆柱轉(zhuǎn)速52.1 r/min)為鉆柱橫向振動的一個臨界點,此轉(zhuǎn)速前后,兩個分振動的頻率和相位差變化較大,在實際鉆井過程中,為了有效控制井眼軌跡、合理選取鉆進參數(shù),應避開此轉(zhuǎn)速。

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(編輯 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

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(2010CB226706)；國家高“863”計劃(2012AA091501)；“十二五”國家科技重大專項(2011ZX05021 -001)

邵冬冬(1984-),男,博士研究生,主要從事井下系統(tǒng)、信息與控制工程、油氣井管柱力學研究。E-mail:shddong2007@163. com。