哈法亞油田粘滑現象的研究

宋春光 于學瑞 仇常凱 龐茂源 曹正一

摘要：隨著石油工業的發展，石油開采的重點逐漸朝著大位移井，超深井轉移。隨著井深和位移的增加，摩阻扭矩逐漸增大，鉆柱出現“粘滑”現象，具體表現為在一段時間內鉆頭靜止不動，當加在鉆柱上的扭矩足夠大時，鉆柱扭矩釋放，鉆頭突然高速轉動，這對井下定向儀器和鉆頭都產生巨大的傷害，同時也會影響機械鉆速，縮短鉆具壽命。頂驅的速度、泥漿潤滑性能、鉆具的長度以及剛性都會影響震動的劇烈程度。

關鍵詞：鉆柱粘滑;轉速;鉆具剛性;鉆壓;轉速;隨鉆監測

1 前言

石油鉆井過程中，正常旋轉鉆進時鉆具保持恒定轉速，隨著井底摩阻的增加，鉆具底部會“粘附”在井底。這種“粘附”會一直持續到鉆具扭矩超過鉆具的靜態扭矩，此時鉆具會突然松開并且快速旋轉，鉆具此時的瞬時旋轉速度遠遠高于鉆具正常旋轉速度（比正常旋轉速度高2-5 倍），這就是所謂的粘滑振動[1]。隨著底部鉆具的突然釋放，底部的MWD和LWD儀器在如此激烈的震動中極易損壞，同時對于PDC鉆頭也有極大的傷害，極有可能損壞切削齒并且破壞切削規律，影響機械鉆速，也會導致鉆具緊扣、彎曲的發生。如何減少粘滑震動甚至是消除粘滑震動是未來鉆超深井和超大位移井必須考慮的，本文針對哈法亞油田的情況，提出幾點消減措施。

2粘滑震動分析

HFXXX-MXXXH2是哈法亞油田一口五開水平井，全井位移1485m，6in水平段長916m。

鉆具組合：

6"PDC+4-3/4"Motor（1.5°）+ 4-3/4”FS+4-3/4”FEWD+ 3 1/2NMDP+4" HWDP*3+4"DP*33+Agitator+4"DP*8+4"HWDP*1+Jar+4"HWDP*2+4"DP*54+4"HWDP*24+4" DP to surface.

鉆井參數：WOB：2-4T?RPM：35?FR：800LPM?MW：1.2g/cm3?FV：56s?Gels：5/11

隨鉆使用的FEWD，對井下震動參數進行了實時的監測。

由FEWD震動檢測模塊實時數據顯示4145m之前只是偶爾有粘滑現象，4145m之后基本都處于粘滑狀態。主要原因是隨著井深的加深摩阻逐漸增大，鉆具的剛性逐漸降低，使得底部鉆具轉動困難，出現粘滑震動。地面顯示表現為地面扭矩波動范圍大于平均值的15%。

3粘滑震動危害

3.1 對鉆頭的傷害：瞬間的扭矩釋放，鉆頭最大速度可能達到正常速度的2-5倍，瞬間的高速沖擊將加速鉆頭的失效。

3.2降低破巖的效率：粘滑造成的鉆頭無序運動將降低鉆井破巖能量效率，消耗鉆機提供的能量。

3.3鉆具的疲勞傷害和電子儀器損害：長時間的粘滑震動會導致鉆具本身的疲勞和粘扣，鉆具的損傷和儀器的損壞都會增加起下鉆的時間，降低鉆井的效率。

4解決方案

鉆柱發生粘滑振動是轉盤轉速、鉆壓、摩擦扭矩及鉆井液粘性綜合影響的，當鉆柱發生粘滑振動時，隨著鉆柱長度的增加，粘滑振動將更加劇烈，所以要解決鉆柱的粘滑震動情況就需要從這幾個方面著手解決。

4.1提高轉盤（頂驅）轉速

研究發現，當鉆具轉速大于臨界轉速時，鉆具粘滑就會消失。因此要避免鉆具粘滑就必須始終保持鉆具旋轉轉速大于臨界轉速。

臨界轉速的確定沒有具體的公式，它與所施加的鉆壓，鉆具的剛性，泥漿的性能有關。現在哈里伯頓、斯倫貝謝等公司的工具都有震動測量模塊，當出現粘滑現象時，可以提起鉆具，提高10%的轉盤轉速，看是否能夠減輕粘滑現象。由于帶有彎角馬達工具，轉盤轉速是不可能無限提高，特別是大角度馬達，粘滑臨界轉速可能消除粘滑震動但是會損傷馬達，所以在馬達允許的范圍內可以盡量提高轉速，減小粘滑震動。

4.2 提高鉆具剛性

隨著井深逐漸加深，鉆具剛性越來越弱，粘滑震動就越明顯，釋放后鉆頭的最大轉速就越高，所以適當的提高鉆具剛性可以減輕粘滑震動，哈法亞地區的水平井一般為五開水平井，水平段為6"井眼，上次套管為7"套管，以前全井使用3-1/2"鉆桿，剛性極弱。套管內可以使用5"鉆桿，裸眼段使用4"鉆桿，一方面加強鉆具的剛性，同時增加環空返速，加強井眼清潔，減小摩阻，從而消減粘滑震動。

4.3 減小鉆壓

鉆壓的增加會導致臨界轉速增加，井底鉆具彎曲加重進而導致摩阻增加，在粘滑比較嚴重的情況下，應當停止鉆進，將鉆具提離井底以釋放堆積的能量，然后下放至井底，以低鉆壓的模式恢復鉆進，嘗試尋求合適的鉆壓與轉速的配置。同時考慮使用與地層匹配的鉆頭或者復合式鉆頭（PDC與牙輪結合），鈍鉆頭或者外徑減小的鉆頭都會導致粘滑震動的增加。

4.4 減小摩阻

哈法亞油田減小摩阻一般有幾項措施。一是調整泥漿的性能，增加泥漿的潤滑性，減少固相含量，降低泥漿粘度。二是使用Nov水力振蕩器，水力振蕩器動力部分是一個結構類似1：2馬達，通過泥漿驅動可以產生一個3-10mm的縱向震動，震動的頻率與排量相關。使用水力振蕩器可以有效的減小摩阻，增加有效鉆壓的傳遞，防止過多無效的鉆壓累計在鉆柱上，壓彎鉆柱。三是使用減扭防磨工具，例如滾輪扶正器防磨短節等。通過摩阻減少，做到扭矩的順利傳輸。

4.5 隨鉆震動監測系統的使用

井底的震動數據的監測對于井下工具的是否能夠安全至關重要，作為定向井，主要考慮井下儀器是否安全，現在我公司使用的儀器主要是插針、絲扣連接，無論縱向還是橫向震動對儀器的損傷都是巨大的。

減小縱向震動需要增加鉆壓，減小橫向震動需要降低轉速，而減小粘滑震動需要減小鉆壓增加轉速。所以通過減鉆壓增轉速的方式減小粘滑震動，就有可能增加縱向和橫向震動，對于工具橫向震動危害最大。所以實時監測各種震動參數，在選擇地帶很窄的情況下甚至是必須存在一種震動的情況下，需要根據對儀器的傷害級別來選擇鉆井參數。

5經驗總結

（1）提高地面轉速，當速度高于粘滑的臨界轉速時，粘滑現象就自動消失。

（2）降低臨界轉速，一味的提高地面轉速就會增加鉆具縱向和橫線的震動，所以需要減小鉆壓，使用合適的鉆頭，優化泥漿的性能來降低臨界轉速，擴大鉆壓和轉速的調控范圍，從源頭上消除了粘滑現象。

（3）隨鉆震動監測系統的運用，無論采取何種措施，我們都需要及時的監測采取的措施是否有效，及時的發現粘滑震動，及時的調整鉆井參數。隨鉆震動監測系統在哈法亞取得良好的使用效果，FEWD減少了井下失效幾率，提高鉆井施工的整體作業表現。

參考文獻：

[1]劉志國，陳實.鉆柱振動信號的分析與應用[J].測控技術，2003，22（8）：21 - 22.

[2] 牟海維，王瑛，韓春杰.鉆柱的粘滑振動規律分析.石油機械，2011 年 第39 卷 第3 期

[3] Dqwson R，Lin Y，Spanos P.Drill-saring stick-slip os-cillations[C].Proceedings of the 1987 SEM springconference on Ecperimental Mechanics，1987

[4] OTK?vibrations observed maintenance