井下鉆柱粘滑振動的識別及控制

趙洪山

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營 257000）

鉆井過程中，粘滑振動是導(dǎo)致PDC 鉆頭切削齒損壞和井下工具過早失效的主要原因之一，嚴重影響了鉆井效率和鉆井周期。大量理論和實驗研究證實，鉆頭切削特性、底部鉆具結(jié)構(gòu)及鉆井參數(shù)等因素均會對鉆頭粘滑振動產(chǎn)生較大的影響[1-3]，在鉆頭設(shè)計中加入切削深度控制器（DOCC）、提高鉆柱的扭轉(zhuǎn)剛度并優(yōu)化鉆壓、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，有利于抑制鉆柱粘滑振動；然而關(guān)于PDC 鉆頭攻擊性對粘滑振動的影響，目前仍然存在較大的爭議。為了分析PDC 鉆頭切削結(jié)構(gòu)的攻擊性對粘滑振動的影響，哈里伯頓公司利用研發(fā)的智能PDC鉆頭采集了現(xiàn)場實鉆的鉆頭振動數(shù)據(jù)并進行深入分析，為揭示鉆柱粘滑振動成因、類型及控制方法提供了有意義的參考。

1 鉆柱粘滑振動識別

智能PDC 鉆頭是實現(xiàn)利用鉆頭直接獲取井下工程信息的鉆頭技術(shù)，如圖1所示，為哈里伯頓公司研制的智能PDC鉆頭示意圖。在鉆頭接頭內(nèi)部，安裝有13個傳感器，包括3個加速度計、3個磁力計、3個陀螺儀、3 個測斜儀和1 個溫度傳感器，可直接測量鉆壓、鉆頭扭矩、彎矩、振動和轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，其中加速度計工作范圍±200g，精度80mg；陀螺儀工作范圍±333r/min，精度0.5r/min；數(shù)據(jù)采集頻率為1000Hz；最大作業(yè)溫度為130°C；最大作業(yè)壓力20kps；存儲芯片可記錄150h的數(shù)據(jù)。

圖1 智能PDC鉆頭示意圖

智能PDC 鉆頭研制出來后，在全球范圍內(nèi)開展了56 井次的現(xiàn)場應(yīng)用，井型包括直井、定向井和水平井，鉆頭直徑范圍為200.025～311.15mm，刀翼數(shù)量為5～8個。鉆進過程中，智能鉆頭記錄下鉆頭扭矩、振動和轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，用于鉆后每個井段粘滑特性的詳細分析。為研究切削結(jié)構(gòu)攻擊性對粘滑振動的影響，現(xiàn)場所用的智能PDC 鉆頭均設(shè)計了臺階式保徑塊，以確保其不與井壁接觸，從而可以消除對粘滑振動的影響。

如圖2所示，給出了利用智能鉆頭測量并分析得到的因PDC鉆頭切削引起的粘滑振動變化情況[4]。從圖中可以看出，PDC 鉆頭粘滑振動是由鉆頭切削引起的軸向振動和扭轉(zhuǎn)振動之間的耦合產(chǎn)生的，其特征主要為：①粘滯階段鉆頭轉(zhuǎn)速為零；②粘滯階段不存在軸向振動和橫向振動，這些特征為確定粘滑振動是否由鉆頭切削所引起提供了幫助。

圖2 鉆頭切削引起的典型粘滑振動

2 鉆柱粘滑振動控制

2.1 鉆頭扭矩和鉆頭攻擊性的關(guān)系

利用Chen 等人建立的鉆頭和巖石之間的相互作用模型[5]，計算得到了?215.9mm鉆頭A和鉆頭B的鉆壓與鉆頭扭矩之間的關(guān)系，如表1所示。從表中可以看出，與鉆頭A相比，鉆頭B只需55%的鉆壓和60%的鉆頭扭矩即可獲得相同的機械鉆速（15.24m/h），由此表明攻擊性強的鉆頭不易發(fā)生粘滑振動。

表1 鉆壓和鉆頭扭矩計算結(jié)果（機械鉆速=15.24m/h）

此外，從現(xiàn)場施工角度容易理解上述情況，在給定鉆井條件下，對于攻擊性強的PDC 鉆頭，司鉆通常施加相對較小的鉆壓便可以獲得理想的鉆速，從而攻擊性強的鉆頭需要的鉆壓和破巖扭矩較小。因此，攻擊性強的鉆頭不易發(fā)生粘滑振動，原因如下：

（1）在給定機械鉆速的情況下，鉆頭反扭矩小，有助于抑制粘滑振動；

（2）在給定機械鉆速的情況下，需要的鉆壓小，而小鉆壓不易導(dǎo)致BHA 橫向變形或屈曲，從而減輕了BHA 與井壁的接觸，當(dāng)因此產(chǎn)生的摩擦扭矩偏小時，便不易引起粘滑振動。

2.2 PDC鉆頭鉆進效率計算

PDC鉆頭鉆進效率DE定義為：

式中：Es——機械比能，MPa；

A——井眼橫截面積，m2；

σ?guī)r石——巖石抗壓強度，MPa；

RPM——轉(zhuǎn)速，r/min；

ROP——機械鉆速，m/h；

WOB——鉆壓，kN；

TOB——鉆頭扭矩，kN·m[6-8]。

式（2）中，因右側(cè)第一項與第二項相比非常小，可以忽略不計，若RPM和ROP已知，則Es的大小主要由TOB決定。因此，DE與TOB近似成反比關(guān)系，表明PDC 鉆頭的攻擊性越強，其鉆進扭矩越小，鉆進效率DE越高。

利用式（1）和式（2），經(jīng)計算可得鉆頭B 的鉆進效率DE平均值為64%，而鉆頭A的DE平均值為38%，說明鉆頭B比鉆頭A的攻擊性強，因此可以用DE平均值間接表示PDC鉆頭的攻擊性。此外，從智能鉆頭的轉(zhuǎn)速測量結(jié)果看，由于鉆頭A發(fā)生了切削引起的粘滑，而鉆頭B沒有發(fā)生粘滑，表明可以使用DE平均值來確定鉆頭切削結(jié)構(gòu)的攻擊性是否足以抑制PDC 鉆頭粘滑振動的發(fā)生。

2.3 PDC鉆頭粘滑控制

為確定DE平均值與粘滑振動之間的關(guān)系，對智能鉆頭測得的44 次井下數(shù)據(jù)進行了分析，結(jié)果表明，有30次未發(fā)生粘滑，而其他14次則發(fā)生了PDC鉆頭粘滑振動。

如圖3所示，給出了計算得到的鉆進效率DE平均值與PDC 鉆頭粘滑振動之間的關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)DE值大于45%時，PDC 鉆頭沒有發(fā)生因切削引起的粘滑振動，也就是說，如果設(shè)計的PDC鉆頭DE值大于45%，那么鉆井過程中將不會發(fā)生粘滑問題。因此，為了抑制切削引起的粘滑振動，建議PDC 鉆頭的DE值應(yīng)至少為45%。

圖3 PDC鉆頭DE值與粘滑振動的關(guān)系

2.4 PDC鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

如前所述，PDC 鉆頭的鉆進效率DE值越大，攻擊性越強，并且DE值越大，有助于抑制粘滑振動。提高PDC 鉆頭攻擊性的做法通常包括：減少刀翼及切削齒數(shù)量、增大切削齒尺寸和減小切削齒后傾角及倒角尺寸，同時還應(yīng)考慮主切削齒和備用切削齒的布置對鉆頭鉆進效率DE的影響，以及切削深度控制器（DOCC）對粘滑振動的影響。

經(jīng)統(tǒng)計，在現(xiàn)場實測的未發(fā)生粘滑振動的30 井次施工中，有27次PDC鉆頭鉆進效率DE值大于臨界DE值，而其中17 次鉆頭未安裝DOCC。這表明，如果DE值足夠大，那么PDC鉆頭可以不需要使用DOCC來抑制粘滑振動；相反，在發(fā)生粘滑振動且鉆頭鉆進效率DE值小于臨界值的26 次施工中，有12 次鉆頭安裝了DOCC，表明如果PDC 鉆頭鉆進效率DE值小于臨界值，則僅靠DOCC無法有效抑制粘滑振動。

綜上分析，PDC鉆頭的切削結(jié)構(gòu)（主切削齒和備用切削齒）設(shè)計應(yīng)在有限的切削深度內(nèi)盡可能增強攻擊性，并且當(dāng)超過該切削深度后，可以考慮增加DOCC設(shè)計，以便更有效抑制鉆頭粘滑振動。

3 結(jié)論建議

（1）智能鉆頭通過在接頭部位安裝加速度計、磁力計等傳感器，能夠測量鉆頭處的鉆壓、扭矩、彎矩、振動和轉(zhuǎn)速等井下工程信息，從而為鉆柱粘滑振動分析提供了幫助。

（2）在相同機械鉆速情況下，與攻擊性較弱鉆頭相比，攻擊性強的鉆頭由于施加鉆壓小，減輕了BHA 與井壁的摩擦接觸，加之自身反扭矩較小，不易發(fā)生粘滑振動。

（3）PDC 鉆頭攻擊性可使用鉆進效率DE進行表征，DE值越大表明鉆頭攻擊性越強，為有效抑制鉆頭粘滑振動，PDC 鉆頭切削結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計為DE值大于臨界值。

（4）鉆柱粘滑振動是由鉆頭切削和鉆柱摩擦共同產(chǎn)生的，建議針對不同的地層特性和井眼條件，深入開展鉆頭切削特性、鉆具結(jié)構(gòu)及鉆井參數(shù)等因素的綜合優(yōu)化研究，進一步提升井下粘滑振動的控制效果，從而實現(xiàn)提高鉆井效率、并縮短鉆井周期的目的。