伊拉克B9區塊大井眼鉆柱粘滑振動分析及控制技術

胡清富，司小東，李增樂，林 輝

（1.中國石油天然氣集團有限公司大慶鉆探工程公司國際事業部，黑龍江 大慶 163411；2.中國石油天然氣集團有限公司大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江 大慶 163413）

1 概述

伊拉克B9區塊位于伊拉克南部，構造上位于中東波斯灣盆地扎格羅斯山前褶皺和阿拉伯地臺的過渡帶，為軸向近似南北向的長軸背斜，主要目的層：MISHRIF和YAMAMA，區塊平均井深4550m，地層壓力層系多，不穩定頁巖發育，鉆井過程中井下事故頻發，前期施工的4口井累計發生鉆具失效事故8起，多為井下粘滑振動導致鉆具疲勞并斷裂。關于鉆具的粘滑振動，國內外學者進行了廣泛研究，Kyllingstand(1988)認為粘滑振動是由于鉆具與井壁和鉆頭與井底接觸面上靜摩擦到動摩擦交替變化而導致摩擦阻力的不同而產生[1-4]。Brett（1992）認為隨著轉速的增加鉆頭扭矩降低是產生粘滑振動的根本原因，Fear（1997）分析了300多只鉆頭的使用情況，驗證了這一理論，Pelfrene(2011)稱這種現象為負阻尼效應。Richard(2000)、Germay(2009)和Detournay（2008）反對第二種觀點，認為扭矩的降低不是產生粘滑效應的原因，而是粘滑震動的結果，認為快速的軸向震動和緩慢的周向扭轉震動是PDC鉆頭粘滑震動的根本原因[5-7]。Jain(2011)提出了新的觀點，認為粘滑振動根據其成因分為鉆頭因素導致的粘滑振動和鉆具因素導致的粘滑振動兩種[8-10]。本文主要對該區塊井下粘滑振動發生的原因進行分析，進而提出了粘滑振動的發現和控制手段，達到現場施工中快速發現、快速消除的目的。

2 鉆柱粘滑振動分析和識別

2.1 B9區塊鉆具事故情況

對B9 區塊FH-08 等4 口井的鉆具事故進行了統計，如表1所示。

表1 B9區塊鉆具事故統計表

統計發現，共有3 次公扣斷裂、2 次母扣斷裂、1 次震擊器殼體斷裂、1次接箍刺漏，斷裂事故發生概率占總事故量的85.7%。斷裂事故發生位置分別為穩定器、定向接頭、浮閥、轉換接頭、震擊器、加重鉆桿等，斷裂位置并不固定，斷裂工具均為不同廠家生產且除鉆桿外均為全新工具，由此判斷事故發生的主要原因是鉆具井下工作環境導致，而并非工具本身原因。

2.2 粘滑振動產生原因

井下粘滑振動分為兩類：鉆頭粘滑和鉆具粘滑。

鉆頭粘滑產生的因素主要是鉆頭切削齒在吃入地層進行破巖時巖石對鉆頭的反作用力以及鉆頭與接觸面的摩擦力共同作用的結果，即鉆頭粘滑受鉆頭的切削結構、鉆井參數以及巖石性質的影響。尤其是在韌性、塑性較強的泥灰巖地層時，鉆頭的攻擊性強弱對鉆頭粘滑有非常大的影響。

鉆具粘滑產生的影響因素主要是鉆具與井壁的接觸面產生的摩擦力以及受井眼軌跡和鉆具自身旋轉時產生的扭轉震動，受井眼軌跡、鉆具自身剛度、鉆井參數以及泥漿性能的影響。當鉆柱在頂驅的作用下旋轉時需要克服鉆柱與井壁接觸產生的摩擦力才能正常旋轉，當靜摩擦系數較大時，頂驅需要旋轉數周才能夠積蓄足夠的扭矩使井下鉆具旋轉，而鉆柱由靜止到旋轉狀態時，靜摩擦轉換為動摩擦，摩擦力大大降低，井下鉆具在積蓄的扭力作用下快速旋轉，此時的鉆具轉速有可能達到地面轉速的2~5 倍以上，在慣性的作用下鉆具轉過與頂驅相同的轉數后會繼續向前旋轉直至動力不足，甚至出現反扭矩，當頂驅扭矩不足以驅動鉆具旋轉時，鉆具又進入靜止狀態（粘滯狀態），直至頂驅傳遞的扭矩繼續積蓄到足以克服靜摩擦力時，鉆具又開始高速旋轉（滑移狀態），進入下一個粘滑周期。若頂驅轉速高于某個臨界值時，即井下瞬時轉速不會超過地面轉速，則鉆具不會重復進入靜止狀態，粘滑振動則會消除。可見井下鉆具受的靜摩擦力、動摩擦力、地面轉速和鉆具本身的臨界轉速是影響粘滑振動的關鍵。

2.3 粘滑振動識別

為了定量的評價井下粘滑振動的情況，借助Ertas和Bailey提出的扭轉嚴重系數TSE[7]，并將其簡化為：

式中：TSE——扭轉嚴重度，無量綱；

ΔTQi——實際扭矩變化量，klbs·ft；

ΔTQS——發生完全粘滑振動時鉆具的扭矩與臨界轉速的比值，klbs·ft/(r/min)，與鉆具的結構和井深有關；

rpm——實時轉速。

當TSE=0時，無粘滑振動，當TSE=1時發生完全粘滑振動，當TSE<1 時，部分粘滑振動（井底鉆具無靜止狀態）。

該方法在FH-10 井進行了應用，該井鉆進至3010m 時，地面轉速恒定在120r/min，地面扭矩出現了明顯的周期性波動，通過扭轉嚴重度分析發現，其TSE>1，即井下發生了完全粘滑振動，見圖1。

圖1 FH-10井井深3010m時地面扭矩、轉數隨時間的變化曲線

對其它5套鉆具組合的分析也表明，施工中均存在粘滑振動現象TSE位于0.5~2之間，為典型的粘滑振動特征。

3 鉆柱粘滑振動控制關鍵技術

3.1 減小鉆具與井壁的摩擦力

鉆具和井壁的摩擦力尤其是靜摩擦力是產生鉆具粘滑的重要原因，而降低摩擦力的關鍵：一是減小摩擦系數，即提高泥漿的潤滑性，使用降摩減扭工具；二是減少側向力，即保持平滑的井眼軌跡，如果是直井則盡量保持井眼垂直。

3.2 優化鉆井參數

（1）使用螺桿提高鉆頭轉速。隨著轉速的增加，粘滑振動會減小，由于地面轉速通常會受到頂驅或轉盤設備功率或設計參數的限制，不能任意提高，但是可以借助螺桿等井下動力工具提高鉆頭的轉速。常規鉆具情況下地面頂驅轉速通常設定為120r/min，如果采用螺桿復合鉆具的情況下，鉆頭轉速能夠達到240r/min，同等情況下TSE可以降低50%。

（2）使用頂驅軟扭矩降低臨界轉速。軟扭矩系統相當于在頂驅和鉆柱之間增加了一個阻尼原件，通過對鉆柱內彈性勢能的補償調節而改變了鉆柱本身的性質，即降低了鉆柱產生粘滑振動的臨界轉速，從而在相同的轉速和鉆具條件下，可以有效降低井下的粘滑振動。

（3）控制鉆壓降低無效鉆頭摩阻。B9 區塊由于地層巖性多變，且存在燧石夾層，為了保護PDC 鉆頭，現場采用的鉆頭為帶有限位齒的中等攻擊性鉆頭，當鉆遇泥質灰巖等硬塑性地層時，由于鉆頭齒無法有效地吃入地層，此時鉆頭與地層的摩擦力變為鉆頭與地層的主要作用力，鉆速變慢。此時，施工中最易采取的措施是加大鉆壓，期望以此提高鉆速，但是鉆速往往并沒有明顯的變化，過高的鉆壓只是加大了鉆頭與井底接觸面的摩擦力，從而加重了粘滑振動現象，導致井下工具的疲勞損壞和鉆頭齒的崩壞。因此，當部分地層出現鉆速變慢，扭矩波動現象時，最有效的方法是保持鉆壓10~15t 不變，然后根據頂驅和井下工具的設計參數盡可能提高鉆頭轉速，從而抑制或減輕鉆頭的粘滑振動。

3.3 增加井下鉆柱的穩定性

在B9 區塊施工過程中發現，經常出現鉆具的共振，且有時粘滑振動和鉆具的共振同時存在。為了避免鉆具的共振，將8寸鉆鋌的用量由7根增加為11根，增加了鉆具的剛性，改變了鉆具本身的共振轉速，在后期的施工過程中也沒有發現共振現象。需要注意的是，同一套鉆具在不同深度時其發生的共振轉速也不同，因此實際鉆進過程中并不能始終采用同一轉速施工。

3.4 保持鉆頭與地層的作用力相對平穩

Block9 油田由于地層存在燧石夾層，為了避免鉆頭崩齒破壞，PDC鉆頭設計的攻擊性偏弱，這種設計雖然在燧石層位置保護了鉆頭，但是在硬塑性地層，由于鉆頭難以有效吃入地層，或者由于塑性強而存在滑脫現象，若增大鉆壓，限位齒又增加了鉆頭與井底接觸面的摩擦力進而加劇了粘滑振動現象。為了解決這一矛盾，與NOV公司共同改進了鉆頭的切削齒設計，由常規的圓形齒，升級為異形齒（3D齒、4D齒），如圖2所示。

圖2 2D、3D、4D齒示意圖

通過改變鉆頭齒的切削結構，鉆頭破巖的機械比能MSE降低了20%~30%，通過優化鉆頭齒的布局和傾角，使鉆頭齒在同樣的鉆壓下能夠有效地吃入地層，并對局部巖石產生更高的剪切應力，從而實現有效破巖，既避免了粘滑振動的產生，又提高了鉆速。

4 現場應用情況

4.1 頂驅軟扭矩系統應用效果

同樣鉆具組合條件下，啟動軟扭矩系統后，可以發現：粘滑振動現象明顯降低，地面轉速在軟扭矩系統控制下在95~125r/min之間波動，扭轉嚴重度TSE<0.3，局部0.5，僅存在輕微的部分粘滑現象，如圖3所示。

圖3 FH-10井井深3090m安裝軟扭矩后地面扭矩、轉速隨時間變化曲線

4.2 螺桿復合鉆具應用效果

受倒劃眼現象的限制，目前該區螺桿使用并不廣泛，但是在FH-10 井側鉆井段使用螺桿后地面檢測的扭矩波動現象明顯緩解，通過扭轉嚴重度的分析，TSE<0.3，粘滑現象基本消除，見圖4。證明借助螺桿提高鉆頭轉速的方法有利于降低井下粘滑振動，待解決倒劃眼問題后可推廣使用。

圖4 FH-10井深2391m處使用螺桿的地面扭矩、鉆頭轉速隨時間變化曲線

4.3 控制鉆壓對粘滑振動的影響

FH-10井鉆進至3018m時，地面監測到明顯的粘滑現象，但是當鉆壓由20klb降低到15klb后，粘滑現象消失，見圖5。雖然鉆壓降低后，鉆速依然沒有明顯改觀，但是粘滑振動小時，大大降低了井下事故發生的幾率。

圖5 FH-10 井深3018m處粘滑現象嚴重，鉆壓降低到15klbs后逐漸消失

4.4 鉆頭攻擊性優化設計應用效果

普通齒和4D齒鉆頭在Hartha 層的應用表明，在相同地層條件下，圓形齒的破巖效率為43%，4D齒的破巖效率為58%，4D齒鉆頭鉆速由3.3m/h提高到6.6m/h，提高了100%，見圖6。

圖6 同層位普通齒與4D齒鉆頭鉆速對比

4.5 綜合應用效果

通過增加頂驅軟扭矩系統、改進鉆具組合設計、改進鉆頭設計，并在施工中實時跟蹤地面參數的變化，當發現扭矩波動大時及時調整鉆壓和轉速，有效地避免了井下粘滑振動導致的鉆具失效事故。FH-12與FH-13 444.5mm井眼和311.2mm井眼段平均機械鉆速與前四口井相比分別提高了82.6%和62.2%；鉆具事故損失時間降為0；兩口井的平均鉆井周期由前期的122.4d縮短為69.0d，縮短了43.6%。通過避免鉆具的粘滑振動，有效避免了鉆具失效問題，大幅縮短了非生產時間。

5 結論

（1）B9 區塊前期鉆具失效事故發生的主要原因是由于井下鉆具粘滑振動引起的鉆具疲勞破壞，通過控制井下鉆具的粘滑振動，可以有效避免鉆具失效事故。

（2）借助常規錄井的地面扭矩波動情況，能夠判斷出井下粘滑振動，周期性的扭矩波動可以作為井下粘滑振動的定性判斷特征，扭轉嚴重度可以定量描述粘滑振動的嚴重程度。

（3）通過使用頂驅軟扭矩系統、螺桿復合鉆具、控制鉆壓和鉆頭的攻擊性優化設計，可以有效降低粘滑振動產生。