水平井防托壓工具安全性評價與試驗

蘇山林，祝效華，王 鑫，郝榮明，張國偉，石昌帥，任廣兵

·試驗研究·

水平井防托壓工具安全性評價與試驗

蘇山林1，祝效華2，王 鑫1，郝榮明1，張國偉1，石昌帥2，任廣兵1

（1．勝利石油工程有限公司黃河鉆井總公司管具公司，山東東營257091；2．西南石油大學機電工程學院，成都610500）

摩阻問題是井下復雜事故的最直接原因，如何降低水平井摩阻是減少水平井事故、提高機械鉆速和目的層中靶率的關鍵。設計了防托壓工具，該工具可以降低水平井段摩擦阻力，提高機械鉆速，能夠解決井下卡鉆、鉆井進尺小的問題。現場試驗表明：設計的防托壓工具工作參數滿足要求，可以產生預期效果，使用該工具能夠降低水平井段摩擦阻力，提高水平井延伸鉆進能力，并且不會對鉆頭或其他鉆具連接螺紋造成破壞。

水平井；鉆柱；摩擦阻力；機械鉆速；鉆井進尺

隨著石油勘探開發進程的不斷深入，定向井、水平井、大位移井所占的比例越來越大。長水平段鉆井技術在國內外得到廣泛應用，主要得益于其較好的投入產出比。目前，國外水平井鉆井成本已降至直井的1．2～2．0倍，而產量則是直井的4～8倍；國外已經鉆成了水平位移超萬米的大位移井，而國內只能完成水平位移約4 000 m的大位移井。在水平井的鉆進過程中，由于摩擦阻力大，使得鉆井效率低、鉆井周期長、鉆井成本高，這成為制約水平井發展的主要瓶頸。在現場實踐中，由于管柱的摩阻轉矩太大，可能引起以下情況的發生：機械鉆速明顯變低；鉆具不能上提或發生斷鉆具事故；達不到井身軌跡的設計要求，目的層中靶率低。

關于定向井及水平井摩阻的預測分析，國內外已作了不少研究，1983年Johancsick等人［1］首先發表了定向井中摩阻預測的“軟桿”模型，此后該模型得到了廣泛應用。1987年，Brett［2］等人通過應用研究，指出“軟桿”模型摩阻預測結果與實測結果之間存在誤差，其原因可能是由于模型中沒考慮下部鉆具組合的剛度而造成的，并建議將井底鉆具組合作為梁單元來考慮。1988年，H o H-S［3］以大變形理論為基礎，考慮了鉆柱的剛度作用，提出了改進的摩阻計算模型，并采用有限差分法進行求解。國內學者基于以上理論，采用各種方法對不同井況下鉆柱的摩擦問題進行了研究，并提出新的分析理論和解決措施［4-8］。

因此，如何最大限度降低水平井段摩阻是減少水平井事故的關鍵，也是確保水平井延伸鉆進能力的決定因素［9-11］。鑒于此，本文設計了一種水平井防托壓工具，該工具可以降低水平井段摩擦阻力，解決井下卡鉆、鉆井進尺小的問題，尤其是在使用動力鉆具的定向井中效果更佳。

1　技術分析

1．1 結構組成

如圖1所示，水平井防托壓工具主要由振動部件、動力部件和閥部件組成。振動部件與上端鉆柱連接，動力部件是1∶2頭螺桿馬達，閥部件下端與近鉆頭鉆柱連接，該工具可以根據減阻需要安置在合適的位置。

圖1　防托壓工具結構

1．2 工作原理

水平井防托壓工具通過振蕩底部鉆具組合或者鉆柱減少摩擦。具體過程是：動力部件驅動閥部件產生周期性的壓力脈沖，壓力脈沖向上游傳遞，激勵振動部件產生軸向竄動，軸向力破壞了水平井段的靜摩擦，從而提高鉆具的延伸鉆進能力。

特殊的閥結構是工具的核心部件，它將鉆井介質的能量轉化成一系列的脈沖壓力，該過程是通過閥部件過流面積周期性的變化來實現的。閥部件過流面積最小時，產生脈沖壓力，此時最大壓降值為3．8～4．5 M Pa，而過流面積最大時，脈沖壓力消失。如圖2所示，陰影處為閥部件開啟的過流面積，其中：a為閥部件過流面積最小時，產生脈沖壓力；b為閥部件過流面積最大時，脈沖壓力消失；c為閥部件過流面積又變為最小，產生脈沖壓力，如此周期性循環作用。

圖2　閥轉動過程中的脈沖壓力變化

1．3 工具特點

1） 防托壓工具脈沖頻率為15～26 H z，振幅為3～10 mm，產生周期性的溫和振蕩，引起的軸向力周期性地傳遞給鉆頭。因此，使用該工具后鉆具承受的載荷作用效果與靜載荷相同，不會對鉆頭或其他鉆具產生破壞。

2） 防托壓工具脈沖頻率為15～26 H z，而M W D工作時的脈沖頻率一般低于1 H z。因此，防托壓工具產生的壓力脈沖對絕大多數M W D沒有干擾，可以配合M W D使用。

3） 動力部件帶動閥部件做周期性的開閉狀態，當閥部件開啟面積最小時，閥部件產生的壓降為3．8～4．5 M Pa，而一般鉆井中的泥漿泵均可以滿足要求。因此，使用防托壓工具不需要改變現有循環系統。

2　連接螺紋安全性評價

為研究壓力脈沖對防托壓工具連接螺紋使用壽命的影響，本文對工具連接螺紋在脈沖壓力作用下的安全性進行了分析。

2．1 螺紋控制方程

螺紋在拉彎復合載荷的作用下會發生彈性乃至塑性變形，彈塑性接觸的基本方程為

式中：［K（u）］為整個系統的剛度矩陣，在非線性問題中是位移向量｛u｝的函數；｛P｝為整體外載向量；｛R（u）｝為待定接觸力向量，是接觸點對相對位移的函數；｛f（u）｝為右端項向量。

這里存在2種迭代過程，即接觸狀態迭代和塑性修正迭代。

由套管和接箍組成的接觸體系，將其看成2個獨立的個體，按有限元的要求離散成若干單元，根據虛功原理，對套管和接箍分別在整體坐標系下建立剛度方程，即

式中：Ka、Kb為接觸體的剛度矩陣；Ua、Ub為待求的節點位移向量；Pa、Pb為已知的節點外力向量；Ra、Rb為未知接觸節點接觸力向量；下標a、b分別代表套管、接箍。

顯然，式（2）中未知量的個數多于方程數，方程無法求解。在實際求解時，需要先假設接觸狀態，然后按這些狀態所對應的接觸條件補充方程后對式（2）求解。其結果應滿足假定接觸狀態所對應的判定條件，否則需要修改接觸狀態繼續求解，直到滿足相應的判定條件為止。

2．2 有限元模型

防托壓工具連接螺紋有限元模型如圖3所示。

圖3　螺紋強度分析有限元模型

2．3 計算結果分析

各載荷作用下螺紋接頭應力云圖如圖4～7所示。

圖4　轉矩3 k N·m時母螺紋和公螺紋應力云圖

圖5　轉矩3 k N·m、壓力100 k N時母螺紋和公螺紋應力云圖

圖6　轉矩3 k N·m、壓力117 k N時母螺紋和公螺紋應力云圖

圖7　轉矩3 k N·m、拉力17 k N時母螺紋和公螺紋應力云圖

由圖4～7可以看出：母螺紋接頭的最大應力值相差很小，公螺紋接頭在軸向載荷的作用下最大應力值相反還有所降低，但是軸向載荷的作用使得接頭本體的應力值增大。

對比工具所產生的最大載荷作用時螺紋接頭的應力云圖和未使用該工具時的接頭應力云圖，峰值應力變化極小，接頭本體的應力值略有增加，但是本體的應力值遠小于接頭的峰值應力。

載荷作用下接頭的最大應力值為95．6 M Pa，而根據鉆桿材料的特性，當循環次數為1010次時，疲勞應力值為205．2 M Pa，1010次對于頻率20 H z的作用力可連續使用2 314．8 h。因此，該工具的使用對鉆桿接頭的使用壽命影響極小。

3　現場試驗

根據現場需要及參數設計，試制了120．65 mm （4英寸）規格的水平井防托壓工具。為檢測新型水平井段防托壓工具的使用性能，于2014-05-25在陜北40782鉆井隊鉆井現場進行了下井試驗（如圖8）。試驗井位為D PS-71井，設計井深3 998．7 m，垂深2 792．00 m，溫度梯度為3．12 m／d m，預計溫度87．11℃。

下井鉆具組合為：?101 mm鉆桿＋?120 mm防托壓工具＋?120 mm M W D＋?120 mm 1°單彎螺桿鉆具＋?152．4 mm P D C；泥漿泵排量為13～14 L／s。下鉆后進尺11．7 m，井深為2 993．7 m，防托壓工具泵耗為2．5～3．0 M Pa（如圖9所示）。

現場試驗結果表明：水平井防托壓工具工作參數與設計相符，可以產生預期效果，使用該工具可以降低水平井段摩擦阻力，提高水平井延伸鉆進能力。

圖8　防托壓工具現場試驗

圖9　防托壓工具壓耗測試

4　結論

1） 水平井防托壓工具工作參數與設計相符，可以降低水平井段摩擦阻力，解決井下卡鉆、鉆井進尺小的問題。

2） 防托壓工具產生的壓力脈沖對絕大多數M W D沒有干擾，因此可以配合M W D使用。

3） 防托壓工具產生的周期性溫和振蕩不會對鉆頭或其他鉆具連接螺紋使用壽命造成影響。

［1］ Johanesiek C A，Frisen D B，Dawson R．Torque and drag in directional welis prediction and meassurement ［G］．SP E11380，1983．

［2］ Brett J F，Beekett C A，S mith D L．Uses and limitations of a directional and torque m odel to m onitor hole Eonditions［G］．SP E16664，1987．

［3］ H o H S．Im proved m odeling program for co m puting the torque and drag in directional and deep wells［G］．SP E18047，1988．

［4］ 劉巨保，張學鴻，樊顯妹．長中半徑水平井鉆柱接觸摩擦阻力分析［J］．計算結構力學及其應用，1993，10（3）：352-354．

［5］ 高德利，高寶奎．水平井段管柱屈曲與摩阻分析［J］．石油大學學報，2000，24（2）：1-3．

［6］ 李子豐，張永貴，侯緒田，等．鉆柱縱向和扭轉振動分析［J］．工程力學，2004，21（6）：203-210．

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［10］ 祝效華，朱虎軍，司念亭，等．鉆桿減阻工具減阻效果計算與分析［J］．海洋石油，2008，28（2）：112-115．

［11］ 祝效華，賈彥杰，童華．氣體鉆井鉆柱的靜動力學特性研究［J］．應用力學學報，2010，27（4）：799-803．

Safety Evaluation and Test of the Horizontal W ells Anti-Tropsch Press Tool

SU Shanlin1，ZHU Xiaohua2，WANG Xin1，HAO Rong ming1，Z H A N G G uowei1，S HI Changshuai2，R E N G uangbing1
（1.H uanghe Drilling Tubular&Tools Com pany，Shengli Petroleu m Engineering Co.，Dongying257091，China；2.College of M echatronic Engineering，South west Petroleu m Uniuersity，Chengdu610500，China）

T he frictional resistance has been the m ost direct cause of the dow n hole co m plex accident，to reduce the horizontal wells’friction is the key to reduce horizontal wells accidents，improve drilling speed and purpose layer target rate．To the question，the horizontal wells A nti-Tropsch press toolis designed．It can reduce the horizontal wells’friction，im prove drilling speed，and solve the problem of dow nhole sticking and drilling footage small．According to the analysis，the working parameter of A nti-Tropsch press tool can meet design requirement and achieve the desired results．Use the tool can be able to reduce the horizontal section of the frictional resistance，im prove horizontal wells extend drilling capacity，and no to damage bit or other tool connection thread．

horizontal well；drill string；frictional resistance；R O P；drilling footage

T E921．207

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．01．009

1001-3482（2015）01-0034-04

2014-07-26

國家自然科學基金項目（51122406）；四川省高等學校科技創新團隊項目（12 T D007）

蘇山林（1969-），男，山東東明人，高級工程師，主要從事鉆井工具及井控設備研究，E-mail：susl163＠163．co m。