水平井段旋轉鉆進時鉆頭側向力及鉆進趨勢試驗研究

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)

水平井段旋轉鉆進時鉆頭側向力及鉆進趨勢試驗研究

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)

進行水平井段旋轉鉆進時鉆頭側向力的試驗研究,并將鉆頭側向力分解為方位力和井斜力,以這兩個力的變化規律為基礎,對待鉆井的鉆進趨勢進行預測。結果表明:隨著鉆壓和轉速的增加,方位力和井斜力的變化規律不同,增加鉆壓,兩個力波動的頻率變小,波動的能量變大,但方位力的波動頻率大于井斜力的波動頻率,方位力的波動能量小于井斜力的波動能量;增加轉速,方位力的波動頻率變大,波動能量幾乎不變,井斜力的波動頻率變化不大,但波動能量變大;在實際的鉆進過程中,為避免“方位漂移”現象的加劇,建議使用較低鉆壓或者高鉆壓鉆進;為避免井斜加劇,建議使用低鉆壓和低轉速鉆進。

鉆井;水平井;旋轉鉆進;鉆頭側向力;鉆進趨勢

在定向井、水平井旋轉鉆進過程中,實鉆井眼軌跡普遍存在“方位漂移”[1-5]現象,給鉆井工作帶來很大的困難。如何實時、有效地控制井眼軌跡一直以來都是鉆井科研工作者和現場工程師研究和探索并致力于解決的問題。井眼的形成是鉆頭與地層相互作用的結果,在鉆進過程中,鉆頭側向力是影響井眼軌跡的一個重要因素。影響鉆頭側向力的因素主要包括底部鉆具組合參數(鉆柱長度、外徑、彎角、穩定器位置、穩定器個數等)、鉆進參數(鉆壓、轉速等)、已鉆井眼參數(井眼曲率半徑、井斜角、方位角等)和地層特性參數等。國內外的專家學者以鉆頭側向力的變化規律為目標,進行了大量的理論研究[6-10],并取得了很多有價值的研究成果,為現場有效控制及調整井眼軌跡提供了一定的理論支持。在實際鉆進過程中,已鉆井眼參數和地層特性參數都為客觀因素,不可改變,而且底部鉆具組合也不可能頻繁地更換。當選定了一套鉆具組合旋轉鉆進時,可以人為控制的就只有鉆進參數,包括鉆壓、轉速、鉆井液性能參數等。筆者基于這一點,通過室內模擬試驗的方法,對水平井旋轉鉆進時不同鉆壓和轉速下鉆頭側向力的變化規律進行研究,在側向力變化的基礎上,為如何預測并控制待鉆井眼的鉆進趨勢提供支持。

1 試驗裝置

以水平井鉆柱動力學模擬試驗裝置為依托,鉆頭側向力測量裝置如圖1所示。模擬試驗裝置[11-12]根據相似原理按照幾何比(模擬鉆具∶實際鉆具)1∶10的比例建造。模擬裝置總長11 m,模擬井筒和鉆柱長9.5 m,可實現鉆柱在不同鉆壓、轉速條件下鉆頭波動壓力和鉆頭側向力的同步實時測量。

圖1 鉆頭側向力測量裝置示意圖Fig.1 Schematic drawing of lateral force of bit measuring device

圖2 側向力傳感器分布示意圖Fig.2 Schematic drawing of distribution of lateral force sensors

鉆頭側向力傳感器的分布與測量示意圖如圖2所示。模擬鉆頭與測力環周向接觸,測力環為一金屬圓環,接受鉆頭的瞬時沖擊;3個壓力傳感器沿測力環周向均勻分布,分別編號為1#、2#和3#。

鉆頭側向力分析圖如圖3所示。

圖3 鉆頭側向力分析圖Fig.3 Analysis drawing of lateral force of bit

其中F1、F2和F3分別為3個側向力傳感器所測得的壓力值;Nb為3個力的合力,即鉆頭側向力;為了研究方便,將鉆頭側向力Nb正交分解,其中Nbx為方位力(Nbx大于0,增方位),Nby為井斜力(Nby大于0,增井斜)。這幾個力的換算關系為

式中,Ωm為模型轉速,r/min;Pm為模型鉆壓,kN;Ω為鉆井現場實際鉆速,r/min;P為鉆井現場實際鉆壓,kN。

根據相似理論[13-15]計算得出,當鉆壓和轉速關系符合式(2)時,觀察到的試驗現象與工程實際相似,可以將試驗得到的結論用于工程實際。

2 鉆頭側向力的變化

對鉆頭側向力的分析主要是分析其兩個分量方位力(Nbx)和井斜力(Nby),為鉆進趨勢的預測提供數據支持。

本研究選定模擬鉆具組合參數:Φ152.4 mm鉆頭+Φ120 mm彎螺桿鉆具+Φ148 mm穩定器+ Φ101.6 mm無磁承壓鉆桿×1根+LWD+Φ101.6 mm無磁承壓鉆桿×1根+Φ101.6 mm斜坡鉆桿×若干+ Φ101.6 mm加重鉆桿×若干。

試驗參數:①試驗模擬鉆壓0.5～2.5 kg,均分5個等級,對應鉆井現場鉆壓44.7～223.7 kN;②試驗模擬轉速50～300 r/min,均分6個等級,對應鉆井現場轉速17.4～104.4 r/min。試驗通過固定鉆壓調整轉速的方式進行。

其他條件:井眼水平(井斜角α=90°)。

本文中分析使用的鉆壓和轉速除特殊標明外為模型的鉆壓和轉速。

2.1 鉆壓對鉆頭側向力的影響

將試驗中3個傳感器所測得的壓力值通過式(1)整理可以得到不同鉆壓和轉速下方位力(Nbx)和井斜力(Nby)。以轉速150 r/min(2.5 Hz)為例, Nbx和Nby時域圖如圖4所示。其中,W為鉆壓;黑色線條為實測值,紅色線條為移動平均值。圖5為轉速150 r/min,不同鉆壓下的頻譜圖。

圖4 不同鉆壓時鉆頭側向力變化規律Fig.4 Variation law of lateral force of bit in different WOBs

圖5 不同鉆壓時鉆頭側向力頻譜Fig.5 Spectrogram of lateral force of bit in different WOBs

由圖4、5可以看出:

(1)鉆壓增大,方位力Nbx的波動幅值逐漸增大,由-10～15 N增大至-20～20 N,低鉆壓時回歸曲線較平緩,隨著鉆壓的增大,回歸曲線變得紊亂;從頻譜圖可以看出,低鉆壓時,方位力波動以高頻振動(30～55 Hz)為主,波動的能量較低;隨著鉆壓的增大,振動頻率集中在25 Hz,波動的能量較大,為低鉆壓時的2倍。

(2)鉆壓增大,井斜力Nby的波動幅值變化相對較小,維持在-15～15 N和-20～20 N,與方位力的變化相似,低鉆壓時回歸曲線較平緩,隨著鉆壓的增大,回歸曲線變得紊亂;從頻譜圖可以看出,低鉆壓時,井斜力的波動頻率集中在5～30 Hz,波動能量也較低;鉆壓增大,波動頻率集中在15 Hz左右,但波動能量明顯增大,可達到低鉆壓時的3倍多。

通過以上分析可得:方位力和井斜力的波動皆以高頻振動為主;由于水平鉆柱自身重力的影響,沿鉆頭水平方向的方位力的頻率明顯大于沿垂直方向的井斜力的頻率,方位力的波動能量也明顯小于井斜力的波動能量;增大鉆壓使兩振動的頻率逐漸變小趨于集中。

2.2 轉速對鉆頭側向力的影響

圖6和圖7分別為鉆壓2 kg、轉速不同時鉆頭側向力(方位力Nbx和井斜力Nby)的時域圖和頻域圖。

圖6 不同轉速時鉆頭側向力變化規律Fig.6 Variation law of lateral force of bit in different rotary speeds

圖7 不同轉速時鉆頭側向力頻譜Fig.7 Spectrogram of lateral force of bit in different rotary speeds

由圖6、7可以看出:

(1)同一鉆壓下,方位力Nbx的波動幅值變化不大,始終維持在-18～18 N,低轉速時回歸曲線較紊亂,高轉速下回歸曲線趨于平緩;方位力的波動頻率逐漸由低轉速時的5～30 Hz增加到高轉速時的25～65 Hz,波動的能量變化不大。

(2)井斜力Nby的波動幅值同樣變化不大,但回歸曲線始終較分散;井斜力的波動頻率始終維持在5～35 Hz,波動的能量逐漸變大。

通過以上分析可得:隨著轉速的增大,方位力的波動頻率逐漸增大,但井斜力的波動頻率變化較小;波動能量的變化與波動頻率的變化相反,方位力的波動能量變化不大,井斜力的波動能量變化較大。

3 旋轉鉆進時側向力的變化趨勢

研究鉆頭側向力的目的是以鉆頭側向力的變化趨勢為基礎,預測待鉆井的鉆進趨勢。為了更直觀且方便地了解待鉆井鉆進趨勢,分別將試驗所測得的方位力和井斜力值按照固定時間(數據存儲時間3 s)和鉆柱旋轉一周的時間(按鉆柱的具體轉速計算)進行算術平均,通過研究平均值的變化規律分析待鉆井眼的鉆進趨勢。由圖3可知,Nbx＞0為增方位趨勢,Nby＞0為增井斜趨勢。

圖8和圖9為不同鉆壓和轉速時,方位力(Nbx)和井斜力(Nby)的變化曲線。標注“1”為鉆柱旋轉一周時間的平均值,標注“3”為3 s內平均值。由于試驗設備的問題,鉆壓1.5 kg、轉速50 r/min時數據沒有完整測量和保存,曲線中留有空白。由圖8、9可得:

(1)低鉆壓(鉆壓為0.5 kg)時,鉆柱旋轉一周與3 s時間內井斜力和方位力的變化趨勢吻合得很好;方位力除在轉速210～270 r/min時出現負值外,其他轉速條件下均為正值;轉速較低時,方位力趨向于0,但是都大于0;井斜力除在轉速大于280 r/min時出現負值外,其他轉速下全為正值。

(2)中鉆壓(鉆壓為1.5 kg)時,鉆柱旋轉一周與3 s時間內井斜力和方位力的變化趨勢吻合較好;方位力均為正值,且在120～250 r/min這一轉速范圍內方位力較大;井斜力在150～280 r/min皆為負值,并且在200 r/min左右井斜力值較大。

(3)高鉆壓(鉆壓為2.5 kg)時,鉆柱旋轉一周與3 s時間內方位力的變化趨勢吻合較差,井斜力的變化趨勢吻合較好;鉆柱旋轉一周時間內,方位力變化較紊亂;3 s時間內,方位力均為正值;井斜力在170 r/min時出現分化,轉速小于170 r/min時井斜力大于0;轉速大于170 r/min時井斜力小于0。

水平井旋轉鉆進時待鉆井井眼的變化趨勢為:

(1)低鉆壓時,轉速小于200 r/min(實際轉速69.4 r/min)時待鉆井眼為增方位和增井斜趨勢,但趨勢不明顯;轉速為210～270 r/min(實際轉速72.9～93.8 r/min)時,待鉆井眼為降方位和增井斜趨勢,而且趨勢明顯;轉速大于280 r/min(實際轉速97.2 r/min)時,待鉆井眼為增方位和降井斜趨勢,趨勢明顯。

圖8 平均側向力隨轉速變化的曲線Fig.8 Variation of average lateral force with rotary speed

(2)中鉆壓時,待鉆井眼增方位,轉速大于120 r/min(實際轉速41.7 r/min)時井眼降斜;轉速大于280 r/min(實際轉速97.2 r/min)時井眼增斜。(3)高鉆壓時,鉆柱旋轉一周與3 s時間內方位力的變化趨勢吻合較差,說明方位力的波動非常劇烈。從宏觀方向看(鉆柱旋轉3 s),待鉆井眼表現為增方位趨勢;轉速170 r/min(實際轉速59 r/min)前后待鉆井眼由增斜趨勢變為降斜趨勢。

通過以上分析可得:① 隨著轉速的逐漸增大,待鉆井井眼軌跡表現為增方位趨勢,在低鉆壓(低于50 kN)和高鉆壓(高于180 kN)的情況下,增方位趨勢不明顯,但在鉆壓中等(50～180 kN)時,井眼的增方位趨勢非常明顯,這與工程實際中“方位漂移”現象非常吻合,在工程實際中,為避免“方位漂移”現象的加劇,建議使用較低鉆壓或者高鉆壓鉆進;②井斜的變化趨勢規律性較差,但總體表現為降斜趨勢,而且較高鉆壓(高于130 kN)、高轉速(高于70 r/min)時降斜趨勢明顯,在工程實際中,為避免井斜加劇,建議使用低鉆壓(低于90 kN)和低轉速(低于70 r/min)鉆進。

圖9 平均側向力隨鉆壓的變化曲線Fig.9 Variation of average lateral force with WOB

4 結 論

(1)將鉆頭側向力正交分解為方位力和井斜力,以這兩個分力為研究對象可以直觀地預測出待鉆井眼的鉆進趨勢,通過優選鉆壓和轉速的組合,可以有效地預測并控制待鉆井井眼軌跡的變化趨勢。

(2)鉆柱自重對方位力和井斜力的波動頻率以及波動能量的影響非常大。增加鉆壓,兩個力波動的頻率變小,波動的能量變大,但方位力的波動頻率明顯大于井斜力的波動頻率,方位力的波動能量卻明顯小于井斜力的波動能量;增加轉速,方位力的波動頻率變大,波動能量幾乎不變;井斜力的波動頻率變化不大,但波動能量變大。

(3)“方位漂移”現象普遍存在,在實際的鉆進過程中,為避免“方位漂移”現象的加劇,建議使用較低鉆壓(低于50 kN)或高鉆壓(高于180 kN)鉆進;為避免井斜加劇,建議使用低鉆壓(低于90 kN)和低轉速(低于70 r/min)鉆進。

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(編輯 李志芬)

Experimental study on bit side force and drilling tendency in a horizontal well using rotary drilling technique

SHAO Dong-dong,GUAN Zhi-chuan,WEN Xin,SHI Yu-cai
(School of Petroleum Engineering in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

An experimental study was conducted to measure the lateral forces on drilling bit in a horizontal well when using a rotary drilling technique.The lateral force of bit can be resolved into an azimuth force and a deviation force,and the drilling tendency can be predicted according to the variations of the two forces.The results show that with the WOB and rotary speed increasing,the variation tendency of the azimuth force and deviation force is different.With the WOB increasing,the variation in the frequency of the two forces is not significant,but the variation in terms of energy is significant.However,the frequency variation of the azimuth force is bigger than that of the deviation force,and the energy variation of the azimuth force is smaller than that of the deviation force.With the rotary speed increasing,the frequency variation of the azimuth force becomes larger,while its energy is almost not affected.Meanwhile,the frequency of the deviation force is not sensitive to the rotary speed,but its energy does.In an actual drilling process,either a lower WOB or a higher WOB is suggested to use in order to avoid the“bit-walk”phenomena.Lower WOB and lower rotary speed can be applied in order to reduce the tendency of well deviation.

drilling;horizontal well;rotary drilling;bit side force;drilling tendency

TE 21

:A

1673-5005(2014)03-0061-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2014.03.010

2013-07-08

國家“973”發展計劃(2010CB226706);國家“863”發展計劃(2012AA091501);“十二五”國家科技重大專項(2011ZX05021-001)

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