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、底部鉆具結構及鉆井參數等因素均會對鉆頭粘滑振動產生較大的影響[1-3]，在鉆頭設計中加入切削深度控制器（DOCC）、提高鉆柱的扭轉剛度并優化鉆壓、轉速等參數，有利于抑制鉆柱粘滑振動；然而關于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 鉆頭切削結構的攻擊性對粘滑振動的影響，哈里伯頓公司利用研發的智能PDC鉆頭采集了現場實鉆的鉆頭振動數據并進行深入分析，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 鉆頭是實現利用鉆頭直接獲取井下工程信息的鉆頭技術，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、振動和轉速等數據，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；數據采集頻率為1000Hz；最大作業溫度為130°C；最大作業壓力20kps；存儲芯片可記錄150h的數據。

圖1 智能PDC鉆頭示意圖

智能PDC 鉆頭研制出來后，在全球范圍內開展了56 井次的現場應用，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、振動和轉速等數據，用于鉆后每個井段粘滑特性的詳細分析。為研究切削結構攻擊性對粘滑振動的影響，現場所用的智能PDC 鉆頭均設計了臺階式保徑塊，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振動之間的耦合產生的，其特征主要為：①粘滯階段鉆頭轉速為零；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生粘滑振動。

表1 鉆壓和鉆頭扭矩計算結果（機械鉆速=15.24m/h）

此外，從現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，而小鉆壓不易導致BHA 橫向變形或屈曲，從而減輕了BHA 與井壁的接觸，當因此產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巖石——巖石抗壓強度，MPa；

RPM——轉速，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，從智能鉆頭的轉速測量結果看，由于鉆頭A發生了切削引起的粘滑，而鉆頭B沒有發生粘滑，表明可以使用DE平均值來確定鉆頭切削結構的攻擊性是否足以抑制PDC 鉆頭粘滑振動的發生。

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系，對智能鉆頭測得的44 次井下數據進行了分析，結果表明，有30次未發生粘滑，而其他14次則發生了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系。從圖中可以看出，當DE值大于45%時，PDC 鉆頭沒有發生因切削引起的粘滑振動，也就是說，如果設計的PDC鉆頭DE值大于45%，那么鉆井過程中將不會發生粘滑問題。因此，為了抑制切削引起的粘滑振動，建議PDC 鉆頭的DE值應至少為45%。

圖3 PDC鉆頭DE值與粘滑振動的關系

2.4 PDC鉆頭結構設計

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。

經統計，在現場實測的未發生粘滑振動的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鉆頭的切削結構（主切削齒和備用切削齒）設計應在有限的切削深度內盡可能增強攻擊性，并且當超過該切削深度后，可以考慮增加DOCC設計，以便更有效抑制鉆頭粘滑振動。

3 結論建議

（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 鉆頭切削結構應設計為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、鉆具結構及鉆井參數等因素的綜合優化研究，進一步提升井下粘滑振動的控制效果，從而實現提高鉆井效率、并縮短鉆井周期的目的。