濾波穩(wěn)定器適用性分析及試驗評價

摘" " 要：鉆井過程中鉆具的劇烈振動易引發(fā)MWD、LWD等精密儀器失效、鉆頭早期受損、鉆具疲勞斷裂等事故。重點分析深井、超深井井下工具振動影響因素，將安裝濾波穩(wěn)定器作為抑制鉆柱振動沖擊的主要措施，利用濾波穩(wěn)定器核心組件彈性位移變化，實現(xiàn)鉆柱軸向振動能量的吸收和釋放，建立力學(xué)模型優(yōu)選其安裝位置，以便削減和過濾底部鉆具組合的軸向和周向振動。現(xiàn)場井段應(yīng)用濾波穩(wěn)定器后的效果明顯，保證了儀器信號的穩(wěn)定傳輸、鉆壓和扭矩的有效傳遞，有效降低了鉆柱黏滑效應(yīng)，延長了鉆頭壽命，提高了機械鉆速。

關(guān)鍵詞：深井；超深井；濾波穩(wěn)定器

Applicability analysis and test evaluation of filter stabilizer

DENG Xiaodong， LI Ming

Drilling Branch of CNPC Offshore Engineering Company Limited， Tianjin 300451， China

Abstract：Severe vibration of drilling string during operation is likely to cause accidents including precision instrument （such as MWD and LWD） failure， early damage of drill bit， and drill string fatigue fracture. In this study， factors influencing downhole tool vibration in the deep and ultradeep well are analyzed， and the filter stabilizer is installed as the main measure to deal with drilling string vibration. Elastic displacement of core components in the filter stabilizer is utilized for axial vibration energy absorption and release of the drilling string. A mechanical model is built to select the installment location for the reduction and filtering of axial and circumferential vibration caused by bottom hole assembly. Obvious improvement is achieved after the application of filter stabilizer in field well sections， assuring stable transmission of instrument signals， and effective transfer of bit weight and torque. Besides， the stick-slip phenomenon of drill string can be reduced effectively， increasing drilling bit life and penetration rate.

Keywords：deep well; ultradeep well; filter stabilizer

1" " 井下工具振動影響因素分析

深井、超深井鉆井技術(shù)面臨高溫高壓和復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境聯(lián)合作用，同時由于地層非均質(zhì)性、鉆頭切削破巖、鉆柱與井壁相互碰撞等原因使得鉆柱及井下工具產(chǎn)生各種振動，主要振動形式有縱向振動、扭轉(zhuǎn)振動、橫向振動和黏滑振動[1]等，如圖1所示。

1.1" " 縱向振動

縱向振動是指鉆柱沿其軸向的伸縮運動[1]。當(dāng)外界的周期干擾力與鉆柱的軸向固有頻率相同時，鉆柱發(fā)生共振，出現(xiàn)劇烈跳鉆。縱向振動使鉆頭受到?jīng)_擊載荷的作用，影響鉆頭使用壽命；鉆柱內(nèi)的交變應(yīng)力和振幅相當(dāng)大，導(dǎo)致鉆柱斷裂或黏扣。研究鉆柱的縱向振動對鉆柱設(shè)計、減振器設(shè)計和轉(zhuǎn)速選擇有重要的指導(dǎo)意義。

1.2" " 扭轉(zhuǎn)振動

扭轉(zhuǎn)振動是指鉆柱繞其中心線的旋轉(zhuǎn)運動。該種振動產(chǎn)生的原因是鉆頭間歇破碎巖石時所產(chǎn)生的變化轉(zhuǎn)速[1]。扭矩波動使鉆柱產(chǎn)生繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)波動，以彈性波的形式通過鉆柱向地面?zhèn)鞑ィ竭_(dá)地面后再沿鉆柱向鉆頭回傳。

1.3" " 橫向振動

橫向振動是指鉆柱中心偏離井眼中心的振動。橫向振動類型主要包括：屈曲、鉆頭與地層相互作用引起底部鉆具組合的橫向振動；鉆桿接頭與井壁的相互作用使鉆柱產(chǎn)生的不規(guī)則橫向振動。

1.4" " 黏滑振動

當(dāng)鉆柱長度過長時扭轉(zhuǎn)剛度便會降低，加上井下摩阻扭矩大，使鉆柱在井下轉(zhuǎn)動變得非常困難，從而產(chǎn)生黏滯-滑動現(xiàn)象，這種現(xiàn)象又稱作黏滑振動[2]。鉆井過程中，黏滑振動是引起鉆頭和鉆具組合失效破壞的重要原因，其本質(zhì)為自激產(chǎn)生的強烈扭轉(zhuǎn)振動。對于深井、超深井，由于鉆柱長徑比很大，扭轉(zhuǎn)剛度較低，而且鉆柱與井壁的摩阻比較大，這使得鉆柱在井下的運動特征十分復(fù)雜，其中之一就是黏滯-滑動現(xiàn)象，即黏滑振動。鉆柱的黏滑振動包括黏滯和滑脫2個階段，而鉆柱與井壁、鉆頭與巖石間的摩擦是引起黏滑振動的直接原因。鉆柱發(fā)生黏滑振動時，鉆頭的瞬時轉(zhuǎn)速可以達(dá)到地面轉(zhuǎn)速的2倍以上，高速轉(zhuǎn)動的鉆頭與井底巖石或井壁發(fā)生強烈的撞擊，會加速其磨損，同時劇烈的周期性交變應(yīng)力也將導(dǎo)致井下鉆具過早疲勞失效。此外，黏滑振動過程中井下鉆柱的扭矩通常波動較大，不僅會大幅度降低鉆井效率，也會威脅到鉆井安全，甚至可能達(dá)到鉆桿接頭絲扣的極限扭矩而導(dǎo)致鉆具斷裂。

2" " 鉆柱振動沖擊抑制技術(shù)

隨著井深增加和特殊工藝技術(shù)的廣泛應(yīng)用，鉆柱振動與沖擊帶來的動力失效越來越嚴(yán)重，目前已有多種控制措施。

2.1" " 防止諧振

防止鉆柱諧振是鉆柱被動控制中最早和最常用的方法[3]。主要通過優(yōu)選鉆井參數(shù)和改變鉆柱結(jié)構(gòu)避開共振頻率。

2.2" " 改變能量分布

通過在鉆柱上連接優(yōu)化鉆頭、劃眼器及穩(wěn)定器改變能量輸入和分布[3]。鉆頭改變了軸向輸入力大小和形式，穩(wěn)定器和劃眼器改變了鉆柱側(cè)向接觸，包括鉆柱與井壁之間的距離及接觸力。

2.3" " 安裝減震工具平衡或消耗振動能量

安裝減震工具是控制鉆具振動最有效的措施。

3" " 濾波穩(wěn)定器

3.1" " 濾波穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)

濾波穩(wěn)定器主要由上下接頭、彈性總成、傳動總成三部分組成，如圖2所示。

3.2" " 濾波穩(wěn)定器作用

濾波穩(wěn)定器是一款獨特的鉆井穩(wěn)定工具，通過穩(wěn)定模塊削減和過濾底部鉆具組合的軸向和周向振動。在深井、定向段或水平段施工中，穩(wěn)定模塊可以實現(xiàn)鉆柱軸向和周向振動的能量吸收和釋放，同時吸收鉆頭因為黏滑效應(yīng)而產(chǎn)生的反扭矩，以及因地層軟硬交錯產(chǎn)生的反向沖擊，在實現(xiàn)鉆壓和扭矩連續(xù)有效傳遞的同時，可以減少下部鉆具組合的有害振動，避開或減輕儀器信號傳輸頻段的干擾，從而保證儀器的正常工作和信號的穩(wěn)定傳輸。

3.3" " 濾波穩(wěn)定器工作原理

在上部鉆具和下部鉆具擠壓作用下，濾波穩(wěn)定器的彈性部件通過彈性壓縮吸收多余的軸向能量，隨著鉆頭位置的下移，彈性位移達(dá)到限值，轉(zhuǎn)換為彈性推力釋放到下部鉆具。鉆柱的軸向振動增大時，核心組件位移幅度增大，從而增加能量的吸收和釋放幅度；鉆柱軸向振動減小時，核心組件位移幅度減小。

3.4" " 濾波穩(wěn)定器適用性

濾波穩(wěn)定器的核心組件可以針對不同的鉆井工況進(jìn)行靈活配置，從而改變軸向能量吸收和釋放的限值，特有的過流通道使工具的壓力損耗可以控制在0.5 MPa以內(nèi)，不會受到泥漿、鉆壓和轉(zhuǎn)速等參數(shù)的影響。其獨特的工作原理可有效減少鉆柱振動和扭矩波動，工具結(jié)構(gòu)簡潔安全，有效工作載荷高，抗溫性、安全性較高，可保證在井底連續(xù)作業(yè)時間達(dá)到600 h以上和抗220 ℃高溫，十分適合深井、超深井施工。

4" " 濾波穩(wěn)定器安裝位置優(yōu)選

4.1" " 整體鉆柱縱向振動分析的力學(xué)模型

該模型（如圖3所示）中鉆桿和鉆鋌長度可以任意變化，濾波穩(wěn)定器的安放位置不受限制，同時做如下假設(shè)[4-5]。

1）井眼軸線為一條直線，工程中的鉆柱不是理想的直井，但井斜角較小，因此忽略。

2）角速度與鉆柱旋轉(zhuǎn)角度相關(guān)，縱振頻率是周向圓頻率的三分之一。

3）考慮整體鉆柱阻尼作用。

M1～M2為鉆頭和頂部懸掛系統(tǒng)質(zhì)量；L1～L4為鉆鋌上、下部及加重鉆桿、鉆桿的長度；F1～F3為各部分截面積；K1～K2為減震工具和懸掛系統(tǒng)綜合剛度；C為減震工具阻尼系數(shù)，C1～C6為各段長度等效阻尼系數(shù)，其中C1 = C2 = C；m1～m7為各均布離散點等效質(zhì)量；I1～I(xiàn)7為各質(zhì)量點間的距離，其中I2為減震工具的長度（忽略）；K1～K7為各部分等效剛度，其中K2 = K1 = K7

該數(shù)學(xué)模型可較真實地反映鉆柱縱向振動，對鉆柱結(jié)構(gòu)沒有人為的加以限制和假設(shè)，所以能夠方便、準(zhǔn)確地模擬出減震工具在鉆柱中的最佳安放位置。

4.2" " 鉆柱縱向振動模型計算方法

根據(jù)力學(xué)方程

[MX+CX+KX=F]" （ 1 ）

其中（由底端至頂端依次排列）：

[M=m1" " 0" " "0" " "0" " "0" " "0" " " 00" " "m2" " 0" " "0" " "0" " "0" " " 00" " " 0" " "m3" " 0" " "0" " "0" " "00" " " 0" " "0" " "m4" " 0" " "0" " "00" " " 0" " "0" " "0" " m5" " "0" " "00" " " 0" " "0" " 0" " "0" " "m6" " "00" " " 0" " "0" " "0" " "0" " "0" " " m7" "]

[X=x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7T=A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7T.cosωt]

[K-Mω2nX=0]" （ 2 ）

求出[ω21]，[ω22]，…[ω27]。

由[ω21→]相應(yīng)特征向量，且令[A1=1]，即：

[1" A21A31A41A51A61A71T=u1]

同理，依次可求得[u2]，[u3]，…[u7]。

然后令[u=（u1，…u7）]，[F=F0 0 0 0 0 0 0T?]

[cosωt]。

則式（1）可變化成：

[uTMuy+uTCuy+uTKuy=uTF] （ 3 ）

[yn=F0Kn（1-r2n）2+（2εnrn）2]" （ 4 ）

其中：

[Kn=diag（uTCu）]

[rn=ω/ωn]

[2εnrn=Cnω/Mnω2n]

[Cn=diag（uTMu）]

[Mn=diag（uTMuy）]

令[F0=1]（單位力），由此求得[y1，…y7]。

[x=uy]求得[x]為[y1，…y7]的線性組合。

4.3" " 濾波穩(wěn)定器安裝位置優(yōu)選

通過上述數(shù)學(xué)模型，由計算機模擬分析得出：在同一井深下，隨著轉(zhuǎn)速的提高，濾波穩(wěn)定器最佳安放位置趨向于近鉆頭位置，且多集中在距鉆頭9～18 m之間。

5" " 濾波穩(wěn)定器現(xiàn)場應(yīng)用及評價

5.1" " GT1井三開?311.1 mm井段主要鉆井難點

1）地層傾角39°，穩(wěn)斜困難，井斜增長快。

2）溫度梯度3.3 ℃/m，最高孔隙壓力系數(shù)約為1.57，該井預(yù)測最高地層溫度204 ℃，最高地層壓力約82 MPa，高溫、高壓對鉆井液和井下工具要求極高。

3）三開設(shè)計中完井深5 360 m，地層埋藏深，壓實效應(yīng)顯著，下部沙河街泥巖致密，硬度高，鉆頭磨損較快，鉆時慢。

4）井深，裸眼井段長，定向時托壓嚴(yán)重，定向困難。

5）鉆柱受高溫高壓地質(zhì)環(huán)境影響，同時受軸向振動、縱向振動、扭轉(zhuǎn)振動等振動影響，受力復(fù)雜，鉆柱易產(chǎn)生疲勞破壞發(fā)生鉆具事故；鉆頭易因沖擊振動提前損壞造成機械鉆速低；MWD儀器因振動造成信號丟失。

5.2" nbsp; 現(xiàn)場應(yīng)用情況

GT1井三開鉆進(jìn)至井深4 778 m，機械鉆速偏慢，且鉆柱黏滑現(xiàn)象嚴(yán)重，改變鉆井液性能和鉆井參數(shù)后效果不明顯，決定起鉆后下入濾波穩(wěn)定器鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至4 963 m因井眼軌跡控制困難，起鉆更換旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具調(diào)整軌跡。

5.2.1" " 選用的濾波穩(wěn)定器技術(shù)參數(shù)

三開?311.1 mm井眼選用的濾波穩(wěn)定器技術(shù)參數(shù)見表1。

5.2.2" " 鉆具組合

通過鉆柱縱向振動分析模擬計算，同時考慮MWD儀器及震擊器位置，本次作業(yè)將濾波穩(wěn)定器安放在距離鉆頭11.34 m的位置。

帶濾波穩(wěn)定器：?311.1 mm鉆頭+?244.5 mm馬達(dá)+631 × 630浮閥+?306 mm扶正器+?203 mm濾波穩(wěn)定器+?203 mm無磁鉆鋌×1根 +?203 mm MWD短節(jié)+?203 mm無磁鉆鋌×1根+?203 mm捕球短節(jié)+?203 mm循環(huán)堵漏接頭+631 × 520接頭+?139.7 mm加重鉆桿 × 12根+521 × 630接頭+?203 mm隨鉆震擊器+631 × 520接頭+?139.7 mm加重鉆桿×5根+?139.7 mm鉆桿。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向（不帶濾波穩(wěn)定器）：?311.1 mm鉆頭+PD 900 Orbit + ?244 mm旋導(dǎo)直馬達(dá)+631 × 630浮閥+?203 mm無磁鉆鋌×1根+ TeleScope 825 HF +?203 mm無磁鉆鋌×1根+?308 mm扶正器+?203 mm捕球短節(jié) +?203 mm循環(huán)堵漏閥+?203 mm鉆鋌 × 1根+631 × 520接頭+?177.8 mm鉆鋌×3根+?139.7 mm加重鉆桿×6根+521 × 630接頭+?203 mm震擊器+631 × 520接頭+?139.7 mm加重鉆桿×11根+?139.7 mm鉆桿。

5.2.3" " 鉆井施工參數(shù)

濾波穩(wěn)定器鉆井與旋導(dǎo)鉆進(jìn)施工參數(shù)如表2所示。

5.2.4" " 地質(zhì)情況

地層：沙三段；巖性：深灰色泥巖、淺灰色粉砂巖、灰色泥質(zhì)粉砂巖、淺灰色含礫細(xì)砂巖。

5.2.5" " 應(yīng)用效果分析

1）采用濾波穩(wěn)定器后平均機械鉆速2.70 m/h，較旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)的平均機械鉆速（2.20 m/h）快22.73%，見表3。

2）鉆具組合中加入濾波穩(wěn)定器后有效保護(hù)了鉆頭，減少強振動對PDC鉆頭復(fù)合片的沖擊，有效傳遞鉆壓，鉆頭磨損程度減少20%（見表4），如圖4、圖5所示。

3）加入濾波穩(wěn)定器的鉆具組合鉆進(jìn)過程因憋泵、憋扭現(xiàn)象導(dǎo)致活動鉆具次數(shù)由111.76次/100 m降至38.9次/100 m，即每100 m活動次數(shù)降低287.3%（見表5），如圖6、圖7所示。

4）鉆具中使用濾波穩(wěn)定器，扭矩波動幅度低，MWD儀器工作及信號傳輸穩(wěn)定；旋導(dǎo)鉆具組合中未使用濾波穩(wěn)定器，鉆進(jìn)過程中Stickslip值（黏滑系數(shù)）為3～351，如圖8所示，黏滑現(xiàn)象嚴(yán)重，儀器存在信號不穩(wěn)定、解碼困難的現(xiàn)象。

5.2.6" " 小結(jié)

鉆具組合中加入濾波穩(wěn)定器后，鉆壓扭矩有效連續(xù)傳遞，減少了由于鉆柱彎曲引起的鉆柱振動，定向井儀器信號連續(xù)、穩(wěn)定；濾波穩(wěn)定器有效降低鉆柱黏滑效應(yīng)、提高機械鉆速和延長鉆頭壽命，與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)相比，扭矩減小25%、活動鉆具頻率降低287.3%、機械鉆速提高22.73%、鉆頭磨損減少20%。

6" " 結(jié)論

1）濾波穩(wěn)定器可減少由于鉆具振動引起的潛在風(fēng)險，實現(xiàn)儀器信號穩(wěn)定傳輸；實現(xiàn)鉆壓和扭矩的有效傳遞，降低因憋泵、憋扭現(xiàn)象導(dǎo)致的活動鉆具次數(shù)，提高鉆井時效。

2）建議在深井、超深井根據(jù)地層情況合理應(yīng)用濾波穩(wěn)定器。

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作者簡介：

鄧小東（1986—），男，四川岳池人，工程師，2008年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油工程專業(yè)，目前主要從事鉆井工作。

Email：dengxd.cpoe@cnpc.com.cn

編輯：王" " 巍