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钻具振动的三种基本形式pdf

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  维普资讯 第 14卷 第 3期 录 井 技 术 ·41 · · 工程录井 · 钻具振动的三种基本形式 韩学岩 武庆河 编译 马庆峰 孟邵彬 校 (中原油 田地质录井处) 摘 要 安全优化钻井是提高钻井时效和保护油气层的先决条件 ,而实现安全优化钻井必须 研究如何监测以及 消除或减轻钻井过程 中钻具振动方面的问题。该文 阐述 了钻具振动的三种形 式分别为扭转振动、轴 向振动和横 向振动;分析 了三种振动的成 因、特征 、危害、相互关系以及消除 和减轻的措施。有关这方面内容的阐述,对钻 、录井过程中更好地应用好 已开发 的钻具振动监测 系统 ,进而推动这一系统的进一步完善具有重要的指导意义。 关键词 钻具振动 成 因 特征 危害 措施 录井 监测 引 言 在机械系统中摩擦和振动被普遍认为是无效率的能源 ,摩擦与振动之间的关系完全取决 于所处的动态环境 ,而对两者控制需了解其起因。在钻井过程中,井下振动可导致钻具和钻头 过早摩损 ,甚至引起工程事故 ,这种看法现在已经被人们广泛接受,基于这一认识 ,人们认为某 些设备的损坏与不同类型的井下振动有关。 录井系统中的钻具振动监测如 DatalogStickSlip系统,展示 了振动总是以一定程度存在, 在复杂钻井状态中,振动造成的负面影响尤为严重 ,它是引起钻头和钻具故障的主要因素。一 旦出现振动并发生持续现象是很危险的。使用 PDC钻头时由转盘转速或钻压变化引起的井 下扭矩变化,会引起扭转振动和卡钻特征,钻具接触井底会引起钻具的初始轴向振动。 综合录井 以适当频率采集的数据和高分辩率的实时图形显示 ,提供钻具振动监测。钻具 振动主要有三种类型 ,分别为扭转振动 、轴向振动和横向振动。 二 、扭 转 振 动 1.扭转振动 当底部钻具旋转速度慢慢下降(或停止)和钻具的扭矩克服了阻止钻具旋转的摩擦阻力时 出现扭转振动。其地面特征是扭矩和转盘转速值的相对应变化 ,换句话说 ,高扭矩对应于低转 速,低扭矩对应于高转速 ,进而伴随底部钻具和钻头的交替加速与减速和具有弹性钻具的重复 扭转 。 这种振动在严重情况下会造成钻具和钻头的卡钻 ,使钻头和钻具完全处于停止旋转状态 , 直到地面驱动马达产生足够的力量 (扭矩)克服钻头和钻具的摩擦阻力为止。在地面观察到的 钻头情况是以巨大的加速度 自由旋转 ,而后 当能量消失时它的速度慢慢下降到正常观测值。 *韩学岩 硕士,高级工程师,1963年生,1988年毕业于成都地质学院地层古生物专业。现任地质录井处国外 录井项 目经理 。 通讯地址 :河南省濮 阳市。 电线 · 录 井 技 术 2003年 9月 在实验室用PDC钻头试验,钻头逆向旋转的明显表现形式与在一定扭矩作用下钻头遇到 损坏时的旋转相类似 ,这种情况表明在严重卡钻时,钻头在井底停止旋转 ,钻头和钻具偶尔会 出现逆向旋转 。出现这种情况的条件是转盘扭矩克服井壁的摩擦力,钻头与转盘同向旋转后, 反向旋转释放能量。 在钻具刚开始旋转时,一定程度的扭转振动是不可避免的,在钻具下放到井底的过程 中, 驱动系统产生的扭转波传播到钻头 ,随着钻头旋转速度的加快 ,扭转振动会在一定程度上受到 抑制 ,这取决于钻头冲击井底的时间,这种反应引起沿钻具传播的扭矩脉冲 ,一旦钻头接触井 底 ,钻头转速下降,更加严重的扭矩脉冲传送到地面,在地面会观测到转盘转速值下降。 2.问题 ①钻头损坏或过早疲劳故障;②钻速降低 ;③钻具的过早损伤和故障;④冲蚀 、扭断 ;⑤落 鱼起下钻和更换钻具 ;⑥成本增加 。 当使用PDC钻头时由于钻头可转动部件的减少会出现更严重的问题 ,因此更容易产生摩 擦阻力而出现卡钻现象。出现扭转振动时,钻头旋转速度会出现波动,最大旋转速度至少是地 面转盘转速的三倍或四倍 ,因此会很快引起钻头故障。钻头转速出现波动是振动造成的,波动 时最大转速持续的时间是最低转速持续时间的4倍。 已证明的事实是当高于一定转盘转速时扭转振动消失 ,对 PDC钻头来说 ,这个临界速度 正常范围是 150--220rpm,转盘转速高于此值 ,卡钻特征消失 ,说明PDC钻头在马达驱动条件 下无扭转振动和钻头冲击损害 ,此时钻头旋转速度 比转盘转速高。 钻头摩损和损伤将会使钻速明显下降,因而钻头切削地层非常困难,不均匀的钻头磨损也 会引起井下振动并使其加剧,用牙轮钻头钻进会使扭转振动引起卡钻的可能性上升,并加速轴 向振动趋势的形成。使用井下工具进行振动测量时,敏感部分如 MWD工具可能会被损坏或 者是由于卡钻底部钻具组合偶然倒转造成接头处松动 ,在振动振幅和频率很大时,此严重情况 下会出现钻具的冲蚀和断裂。 扭转振动所引起的问题如断裂其处理成本是巨大的,这不仅包括更换井下工具的费用 ,而 且还包括必需对落鱼进行打捞 ,打捞作业时可能造成对套管和地层的损害,打捞作业不成功 , 还需对部分井段填井。通过正确使用振动检测程序 (DatalogStickSlip)可有效消除上述 问题。 3.条件 ①可钻性差地层;②硬质研磨岩性 ;③大角度斜井。 扭转振动总是以一定程度出现在整个钻井过程,在可钻性差地层普遍存在 ,当研磨岩性坚 硬地层时,振动问题会加剧,更容易达到卡钻现象所要求的临界摩擦力。 大角度斜井同深井一样会出现振动 ,较长的钻具与BHA相 比更易弯曲,因为BHA扭转刚 性较差。钻具长度越长,扭转位移越大,越容易出现卡钻。 4.影响因素 ①钻头类型 (PDC);②井斜角 ;~BHA质量和稳定性 ;④钻井液润滑能力。 钻头类型在预测扭转振动方面是非常重要的因素 ,因此需要选择适 当的钻头 ,最容易引起 扭转振动的是 PDC钻头,因为它没有像牙轮和轴承那样可活动部分 ,因此很容易产生卡钻所 要求的临界值 。 井斜也会诱发振动,一般而言井斜角越大 ,振动越大 ,问题也越严重,而我们已提到垂直井 维普资讯 第 14卷 第 3期 韩学岩等 :钻具振动的三种基本形式 ·43 · 也会频繁出现振动造成卡钻 。 必须考虑钻具组合尺寸 ,因为这些因素与控制钻具的基本扭转模式有关 ,以一定频率出现 的钻柱 自然谐振,同地面观察的扭矩振荡相似,即钻具的扭转振动 ,扭转振动的振幅取决于井 下扭矩 的摩擦程度 ,即地层特性 以及地面驱动系统的类型,是顶驱还是转盘驱动 。 提高井下钻井液的润滑能力可以大大降低钻头摩擦接触面,降低卡钻的可能性并减小摩 擦。提高钻井液的润滑能力有助于将井底静 、动态摩擦力差值控制在较小范围,这部分内容在 钻井施工设计中必须考虑。 5.判断 ①高振幅的扭矩振荡伴随着高频率 (0.5~3.0Hz);②转盘转速的升降与扭矩相反 。 6.调整 . 一 旦出现扭转振动有两种方法进行调整:①提高转盘转速 ,地面的或井下的转盘转速 ;② 降低钻压而后降低钻速。 对于一定的初始条件而言,如岩性 、顶驱扭矩和钻头的摩擦阻力 ,自身的持续扭转振动都 可导致卡钻。影响扭转振动的两个最重要参数是钻头转速和钻具顶部的运动 ,即钻压和转盘 转速 。 钻头有一个临界转速 ,超过了这个临界转速,扭转振动会变小 ,当使用 PDC钻头时 ,临界 转速范围在 150~220rpm,在不使用井下马达或涡轮时,很难达到该值。提高转速直到扭转 振动消失 ,而转速的瞬间提高再回到原值是无效的,在致密岩性地层转速要逐渐提高,因为动 态粘滞力很大 。 提高钻具上部拉力 ,对降低动态钻压有明显的效果 ,同时对提高钻头的切削力也有效果 , 提高钻压 ,会降低钻头的切削能力 ,相当于使用钝刮刀钻头 ,会进一步提高了扭转振动的振幅, 因此减小钻压,可降低振动的振幅。 要降低钻具振动的振幅和频率,首先采用提高转盘转速。而降低钻压一般会造成钻速下 降,然而 ,提高转盘转速不会影响钻速 ,两种方式都同样有效,在严重条件下需要调整这两个参 数。一旦诱发粘卡 ,即使稍微提高钻速,也会导致周期粘卡状态的持续 ,进而由于储存能量的 释放引起滑动现象 ,产生非常大的钻头转速。通过钻具的急速运动 ,如在短时间内钻具的上升 和下降几乎不能消除钻具振动,因此不推荐此方法。 另一种方法是在转盘没有转动时,把钻头下降到井底后开始钻井作业 ,这种方法也不在推 荐之列,除非特别小心确保静态钻压低于临界值 ,否则 由于钻头转速低于临界值 ,几乎肯定会 诱发扭转振动或卡钻 。实际上 ,如果静态钻压能产生足够的摩擦力克服开始旋转时的扭矩 ,将 会出现 “卡钻”状态 ;而当扭矩克服了摩擦力产生滑动状态时,钻头会加速旋转 ,其旋转明显大 于地面所观测到的速度。 三 、轴 向振 动 1.轴 向振动 轴 向振动在钻井作业 中以两种形式出现 :①钻头接触井底时的垂直振动 ;②钻头在井底弹 跳 。 像扭转振动一样 ,轴向振动在整个钻井作业中都会存在 ,钻具的轴向振动是由钻头与井底 维普资讯 · 44 · 录 井 技 术 2003年 9月 地层的冲击而产生的,除非振幅被钻头弹跳或其它干扰而中断,否则最初振动振幅通常会减小 到基值 。 最初钻头弹跳是由它接触井底时过大的冲击速度而引起的,通过使钻头更平稳下降到井 底可大大降低振动的振幅。然而 ,岩性的变化 (钻头对地层的冲击力增加)同样会诱发轴向振 动 ;而严重的或不均匀的钻头磨损 以及扭转振动和横向振动出现又会加剧轴向振动的程度。 2.问题 ①钻头损坏或快速磨损 ,BHA故障;②钻速下降;③冲击产生其它的振动模式。 在哥伦 比亚某 口井 ,钻进到 100ft(30.48m)时 ,砾岩地层卵石导致轴向振动,看上去像钻 头弹跳,强烈 的振动使深度传感器 的安装接头发生松动,钻头弹跳使钻速从 100ft/h (30.48m /h)下降到 10ft/h(3.05m /h),钻达套管鞋后 ,钻头 、扩眼器和钻铤被损坏 ,这种情 况 已无法补偿 。 事实上在坚硬地层 ,扭转振动将引起轴向振动。在轴向振动中常伴随着卡钻 、钻压的突然 增大和钻头转速的快速增加。在扭转振动过程中,轴向振动的频率会加快 ,它取决于地层岩性 的硬度 ,地层越硬 ,钻头的轴向振动频率越高 ,通过钻具传送的冲击会产生相对应的高振幅轴 向振动能量。 3.条件 ①可钻性差的致密地层 ;②直井 ;③使用三牙轮钻头。 如前所述,一定程度的轴向振动是不可避免的和 自然的,然而在与扭转振动同样的复杂钻 井条件下,轴向振动就是个 问题了。 一 般来说 ,使用 PDC钻头在扭转振动过程中,钻头的切削力越大,在出现扭转卡钻情况 下 ,产生的轴向振动能量越大。这是因为滑钻状态下使钻头高速旋转提高切削力,诱发动态钻 压减小 ,将引起钻具过大的弹性变形 ,而在卡钻条件下,上述情况消失 ,只有再次出现滑钻状态 时才会出现。在软地层如固结较差的砂岩地层 ,这种情况较少见,但钻压的突变更易引起强烈 的轴向振动。当钻压增大时振动振幅和频率也增大 ,只有降低钻压 ,振动的强度才会下降,这 是我们推荐的唯一控制方法。一般在直井中更容易出现轴向振动,因为能量很容易沿钻具传 递 ,井壁的阻尼效应应低于斜井。使用三牙轮钻头 ,由于它与地层接触面较小,且钻头有活动 部件因此存在较小程度的振动是常见的,而使用 PIN2钻头很可能出现扭转振动。 4.影响因素 ①岩石的硬度 ;②钻头类型 (三牙轮钻头);③井斜角;④BHA长度 ;⑤钻井液粘度 。 对轴向振动而言 ,岩性是一项重要因素,前面已谈到碎屑岩地层能引起钻头弹跳 ,无论对 井下还是地面设备都会造成严重的损坏 ,在硬地层 ,产生扭转振动同时也会产生轴 向振动 ,在 软地层 ,由于提高钻压,更容易产生巨大的轴向振动。 就钻头类型而言 ,使用牙轮钻头 ,轴向振动加剧 ,而使用 PDC钻头不会根除轴 向振动 ,但 能降低轴向振动程度。关于井斜角,通过钻具与井壁接触程度可确定振动在井下的衰减量 ,振 动的能量被传送到井壁而不是传送到地面。转盘转速和钻压可控制扭转振动,而轴 向振动的 严重程度主要 由钻压控制。 5.判断 ①不稳定的钻压 ,振动的严重程度越大振幅越大;② 明显的地面振动和摆动;③当钻头弹 维普资讯 箜 !鲞 第三塑 韩学岩等:钻具振动的三种基本形式 ·45. 跳时 ,钻头以高频率接触井底 、跳离井底 ,随立管压力变化。 6.措施 ①缓慢而平滑下放钻头;②降低钻压调整转盘转速;③用 PDC钻头和减震器。 减小轴向振动 ,应尽可能地使钻头平稳接触井底 ,虽然产生轴向振动不可避免 ,然而平稳 接触井底会降低振动的振幅和快速释放能量。 在钻具振动中钻压是要调整的第一参数 ,其次考虑地层类型 ,在软地层中,例如砂岩,提高 钻压将提高轴向振动的振幅和频率 ,增大转盘转速虽然可降低扭转振动的影响,但同时会出现 轴向振动,特别在硬地层 ,更容易诱发轴向振动。 同牙轮钻头相比,使用 PDC钻头将诱发轴 向振动。使用减震器可有效减小振动 ,安装在 钻头后的减震器,在控制轴向振动方面是很成功的,它的功能像钻具的悬挂系统 ,将其安装在 BHA底部保护井下敏感仪器如 MWD工具。 四、横 向振 动 1.横 向振动 我们知道,在直井中,理论上讲钻具做轴对称运动,即沿一轴对称旋转。相反横向振动的 定义是钻头或钻具做非中心旋转 ,对井壁产生横向冲击。钻具旋转产生横向振动。 偏心运动的结果引起动态不平衡 ,产生扭转 、轴向和横向振动方式 ,三种振动每种程度都 比前一个严重。钻头沿非中心轴旋转 ,特别是使用 PDC钻头很普遍;BHA顺时针沿非中心轴 旋转,其轴中心线同钻具旋转的方向一致;当和井壁摩擦时,BHA逆时针旋转 ,引起轴 中心线 同钻具的旋转相反。 为了展示横向振动的机理 ,我们可简单地认为钻具作划圆式旋转,同时有必要了解典型钻 具的横纵向尺寸大小之比,钻具的横向振动类似于跳绳,但 由于井径的限制 ,振动程度不是我 们想象的那么严重。 引起横向振动的初期与扭转和轴向振动相比,一般需要较大负荷和应力 ,然而人们一般认 为扭转或轴向振动产生横向振动 ,横向振动比这两种方式的振动更具破坏性 ,事实上它的检测 较 困难 。 2.问题 ①降低钻速 ;②钻头过早磨损 ;③不均匀的钻具 、稳定器磨损;④BHA冲蚀,扭断;⑤井眼 扩大 、井壁不稳定 、套管损坏;⑥横向冲击诱发其它振动。 上述的大部分内容已通过其它振动形式讨论过。不均匀的钻具磨损是一种新概念 ,如前 所述损坏是应力造成的,在横向振动中振动的应力问题还是 比较明显的,钻具同井壁或套管之 间的磨损也是很危险的,与井壁高频率撞击对井下工具是非常有害的。 在上述条件下对井壁和套管影响也是很大的,井壁和套管与钻具部件相比抗冲击和抗磨 损能力较弱。由于撞击作用井眼扩大是个问题 ,在有夹层时,特别是在硬地层 、软地层交替井 段 ,情况会更严重。对井壁的不均匀损害,会导致井壁不稳定,甚至卡钻 、泥饼脱落会造成其它 方面的井控 问题 。 3.条件 @PDC钻头 ;②岩性交替变化地层 ;③直井。 维普资讯 · 46 · 录 井 技 术 20o3年 9月 PDC钻头的问题取决于切削方式 ,由于缺少可活动部件易造成偏离中心线作非轴 向对称 旋转运动 。 地层岩性的交替变化需要连续调整参数防止扭转和轴 向振动。在直井中,很容易造成轴 对称运动 ,因为向井壁每一边所施加的力是相等的,而在斜井 中,重力趋向施加于钻具的低侧 面 ,从而造成横 向振动的可能性较小。 4.影响因素 ①钻头类型;QBHA稳定与向心性;③地层岩性;④钻头剖面 。 在石油行业现在 已采用称之为 “抗旋转”的钻头 ,在易产生横向振动的地区广泛采用这种 钻头类型是有必要的。值得注意的是在硬地层 ,如果钻头旋转是造成 PDC钻头冲击损害的主 要原因,那么采用高转速将加剧破坏的程度 。但每一件事情都有其两面性 ,虽然提高转速会加 剧 PDC钻头冲击损坏程度 ,但更为常见的是提高 PDC钻头性能。采用高转速抑制过分 的旋 转振动和轴向振动可提高牙轮的研磨性延长其寿命。钻铤由于弹性差 ,它所表现 的横向振动 机率比加重钻具要小的多,在易出现横向振动区域 ,也有必要使用扶正器保持钻具沿中心线旋 转 ,特别是在直井中更应如此。 5.判断 ①很难检测横向振动 ,常常和其它振动类型一起 出现 ;②扭矩频繁变化 ,但扭矩变化频率 不如扭转振动有规律性 ;③扭转振动和轴向振动的结合以旋转形式表现出来。 横向振动表现为悬重的高频率变化和扭矩振荡,悬重的变化起源于轴向振动和钻具的弯 曲应力 ,而扭矩变化周期取决于钻具与井壁之间的摩擦 。 横 向振动同扭转振动相 比时间短、周期也短 ,如果遇到这种情况 ,一般为横 向振动 。实际 上 ,横 向振动 比扭转振动和轴 向振动更难检测和分析,因为扭转振动和轴 向振动两种方式有判 断参数 (分别为周期的扭矩振动和不稳定 的悬重值),不过使用 PDC钻头钻直井,当地层岩性 交替变化 ,BHA无扶正器 以及出现扭转和轴向振动条件下 ,我们有理 由认为存在横向振动。 6.调整 ①降低转盘转速改变钻压 ,提高 BHA顺时针旋转速度,降低 BHA反向旋转速度 ;②用抗 旋转钻头 ;QBHA整体稳定性与向心性。 为了消除横向振动,必须采取措施降低扭转与轴 向振动。如果一开始没有形成扭转和轴 向振动,则不可能出现横 向振动式旋转 。 五、综 述 不同的振动机理可能伴随并诱发其它振动模式,因而单独通过地面检测进行钻具振动分 析是很困难的,如果采用 MWD进行振动监测的设备,那么通过比较可验证振动检测数据。撞 击可诱发钻具振动 ,日常钻井作业 中应尽可能平稳均匀地改变钻井参数并保持参数相对稳定 , 采用稳定的钻压接触井底 。 本文编译 自Datalog公司的 地《面振动监测手册》中的第一部分内容。 (收稿 日期 2003—07—02 编辑 耿子友)