液力加壓器對鉆壓波動的阻尼模型研究

聶 俊,孫展利,孫 偉,張 猛

(1.長江大學 石油工程學院,武漢434010;2.中石化華北石油工程有限公司 井下作業分公司,鄭州450042)

液力加壓器對鉆壓波動的阻尼模型研究

聶 俊1,孫展利1,孫 偉1,張 猛2

(1.長江大學 石油工程學院,武漢434010;2.中石化華北石油工程有限公司 井下作業分公司,鄭州450042)

鉆壓波動一直是鉆井中的大問題,液力加壓器的使用在一定程度上緩解了鉆壓的波動,但是存在局限性。為了提高液力加壓器的使用效果,建立了阻尼模型,利用“微元分析法”和“牛頓運動定律”解釋了液力加壓器如何減小鉆壓波動。由“阻尼周期”概念可知阻尼孔不應過大或過小。應用軟件模擬液力加壓器的阻尼特性,得出液力加壓器可以阻尼掉每一個來自井底的沖擊,獲得穩定可控的鉆壓。對液力加壓器在油田的使用具有指導作用。

液力加壓器;鉆頭;波動壓力;阻尼;模型

鉆鋌加鉆壓存在鉆壓波動的問題,液力加壓器加鉆壓也存在鉆壓的波動問題。因為在鉆井過程中井底切削面不是一個平面[1],當鉆頭單雙齒不均勻接觸地層,導致井底不均勻的切削,井底就會給鉆頭交變的反作用力,這個反作用力就會使得下部的鉆具振動,從而造成鉆壓的波動。采用液力加壓器,鉆壓的波動就小多了,這完全是由液力加壓器的結構特點所決定的[2]。本文著重研究液力加壓器如何減小鉆壓的波動。

1 鉆壓波動簡介

1.1 產生原因

液力加壓器的下部為伸縮桿(此處為花鍵軸)與液壓缸筒的連接結構,連接的介質為鉆井液,整個裝置可以看作一個柔性的連接結構,其結構原理如圖1所示。

帶液力加壓器的鉆具在鉆進的過程中,當鉆頭切削齒接觸到井底凸起部分時,此時反作用力變大,伸縮桿會向上運動;隨著鉆頭的旋轉,當鉆頭的切削齒接觸到井底凹進部分時,此時反作用力又會突然減小,伸縮桿會向下運動。這種伸縮桿的上下運動就會直接導致鉆頭鉆壓不斷的減小與增加,就形成了鉆壓的波動。

圖1 液力加壓器的結構原理

1.2 減小鉆壓波動的原理

液力加壓器的“液壓缸—伸縮桿”結構使得鉆柱里的鉆井液猶如一段液體“減振彈簧”,這段“減振彈簧”長度隨著井深的增加而變長,當伸縮桿向上運動,使得“減振彈簧”內的的鉆井液受壓,此時伸縮桿向上運動的動能就轉成了鉆井液的壓能,也就是使得鉆井液的壓力變大成為高壓鉆井液,然后從鉆頭的噴嘴噴出。當伸縮桿由原來的升高位置返回,由于缸筒下部的阻尼孔的阻流作用,低壓腔里的鉆井液不能迅速從阻尼孔排到環空,減小了伸縮桿返回的速度。這兩者共同作用使得不斷變化沖擊力不會直接傳給鉆頭和鉆柱,而是由液力加壓器轉換與吸收,因此不會出現像鉆鋌加壓時鉆壓突然變為零或者鉆壓突然又大到使得鉆柱彎曲的情況,液力加壓器的減振使得鉆壓的波動大幅減小。

2 理論分析

2.1 阻尼模型的建立

為了更加具體地分析液力加壓器是如何減小鉆壓波動的,可以從液力加壓器下部鉆具的運動受力狀態來進行更加詳細的分析,可以將液力加壓器當作一個粘性阻尼器,把液力加壓器伸縮桿以下的部分的質量作為底部鉆具組合的質量,鉆頭是不斷在上下移動的,為了精確表述鉆頭的動態特性,引入位移函數u(x,t),此函數是位移關于時間與截面位置的一個二元函數,表示在時間t時刻坐標為x的截面處的位移,模型結構(如圖2)運用微元分析法截取模型的一個微元段d x,并對微元段進行受力分析:

在鉆頭處建立坐標系原點,向上的方向為x方向,圖中P(t)為高壓鉆井液對加壓器活塞的泵壓函數,S(t)為地層對鉆頭的反作用力函數,N(x,t)為在截面x處的軸向力。鉆頭截面處的坐標為x=0,現場試驗分析得到鉆頭縱向振動頻率是鉆頭轉速的3倍,現場取心也表明,硬地層井底形狀呈三葉瓣形狀。

圖2 液力加壓器的阻尼模型

2.2 阻尼計算

為了將液力加壓器的阻尼特性以及下部鉆具其他部分的阻尼特性更好的表示,引入一個綜合阻尼系數,阻尼力與阻尼系數之間關系為

式中:v為鉆頭縱向振動瞬時速度,m/s;ci為綜合阻尼系數,kg/s。

對下部鉆具進行簡單的受力分析[3],運用牛頓運動定律可以得到:

式中:mbha為底部鉆具組合的質量,kg;F(t)為地層對鉆頭的反作用力,N;WOB0為加在鉆頭上的靜態鉆壓,N;a為鉆頭處的加速度,m/s2。

加在鉆頭上的靜態鉆壓實際上是理論鉆壓。地層對鉆頭的反作用力處于不斷的變化之中,正是由于地層反作用力的不斷變化才造成了鉆壓的波動;阻尼力包括液力加壓器的密封機構所產生的阻尼力和鉆井液“減振彈簧”在整個鉆具內和鉆頭噴嘴處所產生的阻尼力。根據作用力與反作用力的關系,地層對鉆頭的反作用力與鉆頭施加給地層的瞬時鉆壓大小相同方向相反,同時由位移與加速度及速度的導數關系,得到:

式中:WOB(t)為鉆頭施加給地層的瞬時鉆壓,N。

式(6)給出了瞬時鉆壓隨時間的變化規律,為直觀了解井底鉆壓的實際情況,用趨勢圖能描述瞬時鉆壓隨時間的變化關系。式(6)中的位移函數u(x,t)可以簡化求得;靜態鉆壓WOB0可以按照帶液力加壓器理論鉆壓常規計算的方式求得[4];底部鉆具組合的質量mbha也是在入井前就知道的。使用液力加壓器的時候整個鉆柱里的泥漿隨著鉆頭的縱向振動不斷的壓縮與伸張,可以將其看作特殊的“減振彈簧”,即這部分泥漿柱實際上都可以作為阻尼元件,鉆井液的阻尼系數值大約為鋼材的1 000倍,液力加壓器在鉆進過程中,由于鉆井液對鉆頭強烈的阻尼作用,當地層對鉆頭有比較大的向上反作用力時,鉆頭瞬時會有個“停滯”的狀態,可近似認為鉆頭的縱向瞬時振動速度v=0,瞬時振動加速度a=0,此時由式(6)計算出的瞬時鉆壓已經非常接近理論鉆壓了。當地層特性、井底溫度、泥漿性能等外部條件相同時,對于鉆鋌加鉆壓,由于其剛性加鉆壓,即可以將整個剛性鉆柱當做鉆鋌加鉆壓時的阻尼原件,其阻尼系數是非常小的,對鉆頭振動的阻尼效果基本上可以忽略,當地層對鉆頭有比較大的向上反作用力時,鉆頭的瞬時振動的頻率是鉆頭轉速的3倍,即此時鉆頭的縱向瞬時振動速度和加速度是非常大的,那么由式(6)計算出的瞬時鉆壓值就會比理論鉆壓大很多或者小很多,鉆壓波動程度也會遠大于使用液力加壓器時的鉆壓波動程度,即使用液力加壓器能夠減小鉆壓的波動,獲得穩定可控的鉆壓。

2.3 阻尼效果的影響因素

液力加壓器對鉆壓波動的減小程度是由其結構決定的,具體來說是由缸筒下部的阻尼孔大小決定的,其大小要保證鉆井液能順利地從缸筒里面流到環空,以及鉆井液能從環空順利地進入缸筒的低壓腔,這樣液力加壓器才能起到作用。底部鉆具組合的質量與綜合粘滯阻尼的大小將直接影響到液力加壓器對鉆壓波動的阻尼效果,因此在這里可以由這兩者得到一個比例系數,可以將其稱作“阻尼周期”,對應計算式如下:

式中:T為阻尼周期,s。

可以從這個值來衡量液力加壓器底部鉆具組合鉆壓波動的程度,當鉆具綜合粘滯阻尼系數固定時,底部鉆具質量越小,阻尼周期值就越小,液力加壓器對鉆壓波動的抑制能力就弱,鉆壓的波動就反而越大,為了降低鉆壓的波動,應該在工藝允許的范圍內適當增加下部鉆具的質量。同樣液力加壓器的綜合阻尼系數的大小也將對鉆壓的波動有決定性影響,這個阻尼系數太大或者太小都不利于鉆壓保持穩定。

2.4 阻尼特性的模擬

根據上面的理論分析可以編寫軟件,來模擬帶液力加壓器鉆具組合工作時的鉆頭加速度、速度、位移的波動隨阻尼周期的變化趨勢,如圖3。

圖3 阻尼模擬曲線

可以看出井底的反作用力都能有效地被液力加壓器阻尼掉,速度、加速度、位移都向零趨近,這就證明了液力加壓器能明顯地減小鉆壓的波動作用,使鉆頭及下部鉆柱更加穩定的鉆進,得到更加穩定的鉆壓。

3 結論

1) 理論計算表明,相比鉆鋌加鉆壓的波動,液力加壓器的鉆壓波動可以忽略。

2) 提出“阻尼周期”的概念,可以評價液力加壓器的阻尼效果。

3) 軟件模擬結果證明,液力加壓器能阻尼每一個沖擊力,提供穩定可靠的鉆壓。

4) 應進一步研究液力加壓器,使其在現場能達到預期的效果,并推廣到海上鉆井當中。

[1] 趙國珍,龔偉安.鉆井力學基礎[M].北京:石油工業出版社,1988.

[2] 唐玉渤,秦利明,趙希江.長伸縮距液力加壓器的研制[J].石油礦場機械,2010,39(3):85-86.

[3] 馬澤永,姜東哲,楚合川,等.液力加壓器使用中的相關問題探討[J].石油礦場機械,2010,39(6):79-81.

[4] 劉清友,單代偉,王國榮.微小井眼水力加壓器結構設計及鉆壓計算[J].石油學報,2009,30(2):304-307.

Study of Damping Model about Hydraulic Thruster to Fluctuation of Weight-On Bit

NIE Jun,SUN Zhan-li,SUN Wei,ZHANG Meng
(1.College of Petroleum Engineering,Yangtze University,Wuhan 434010,China;2.Downhole Service Company,Sinopec Huabei Petroleum Engineering Co.,Ltd.,Zhengzhou 450042,China)

fluctuation of weight-on bit has been a big problem,hydraulic thruster can relief it in certain extant,but it exist some limitations.damping model was established and“element analysis method”and“Newton’s laws of motion”were used to explain how the hydraulic thrust reduced fluctuation of weight-on-bit for improving the effect of hydraulic thruster,damping hole shouldn’t be too large or too small though the concept of periodic of damping.Simulation of the damping characteristic showed that hydraulic thruster could damp each shock and get stable and controllable weight-on bit.It could guide the using of hydraulic thruster in oil field.

hydraulic thruster;bit;fluctuation pressure;damping;modell

TE921.202

A

1001-3482(2014)02-0079-03

2013-09-10

聶 俊(1988-),男,湖北荊州人,碩士研究生,主要從事石油機械裝備研究開發工作,E-mail:niejunwsh@126.com。