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水力振荡器性能影响因素研究
吴志勇1,2, 李军2, 倪红坚3, 任凯2, 胡耀方2, 付盼2     
1. 中国石油集团钻井工程技术研究院;
2. 中国石油大学(北京);
3. 中国石油大学(华东)
摘要: 水力振荡器通过产生轴向振动带动钻具产生轴向蠕动,可在一定程度解决滑动钻进过程中的托压问题。为了探讨水力振荡器性能的影响因素,建立了带有水力振荡器的钻柱轴向能量传递数学模型,通过数值模拟分析了水力振荡器的激振力、振动频率及安放位置对减阻效果的影响。分析结果表明:水力振荡器的激振力对减阻效果的表现十分显著,并且水力振荡器的激振力越大,减阻效果越明显,因而在条件允许的情况下,尽可能地选取激振力较大的水力振荡器配合钻进;在同一条件下,水力振荡器的安放位置对钻压的变化较为显著,减阻效果也有差异。所得结论可为合理选择水力振荡器提供参考。
关键词: 水力振荡器     滑动钻进     振动频率     激振力     安放位置     托压    
Research on the Influencing Factors of Performance of Hydraulic Oscillator
Wu Zhiyong1,2, Li Jun2, Ni Hongjian3, Ren Kai2, Hu Yaofang2, Fu Pan2     
1. CNPC Drilling Research Institute;
2. China University of Petroleum(Beijing);
3. China University of Petroleum(Huadong)
Abstract: The hydraulic oscillator drives the drilling tool to generate axial peristalsis by generating axial vibration, thus addressing the problems of weight stacking during sliding drilling. The mathematical model for axial energy transfer of drill string with hydraulic oscillator was established. The influence of exciting force, vibration frequency and placement of the hydraulic oscillator on drag reduction was analyzed by numerical simulation. The analysis results show that the exciting force of the hydraulic oscillator has a significant effect on the drag reduction performance. The larger the exciting force of the hydraulic oscillator is, the more obvious the drag reduction effect is. Therefore, in the permitted conditions, the hydraulic oscillator with larger exciting force is preferable. The position of hydraulic oscillator has significant influence on the weight-on-bit. The drag reducing effect of the hydraulic oscillator position is different from that of exciting force. The conclusion provides a reference for hydraulic oscillator selection.
Key words: hydraulic oscillator    sliding drilling    vibration frequency    exciting force    placement position    weight stacking    

0 引言

复杂结构井在滑动钻进过程中托压现象严重,钻头无法获得真实有效的钻压,导致滑动钻进机械钻速低,严重影响了钻井效率[1]。为此,国内外研制了水力振荡器,该工具通过产生轴向振动带动钻具产生轴向蠕动,将滑动钻进过程中的静摩擦力转化为动摩擦力,从而大幅降低摩阻,在一定程度上解决了托压问题[2-4]。刘华洁等[5]研究了水力振荡器压降与流量的关系,但并未研究振荡频率与激振力之间的关系。罗朝东等[6]研究了阀盘参数对水力振荡器性能的影响,但并未研究安放位置对水力振荡器性能的影响。由于水力振荡器的激振力、频率及安放位置等因素不同,工具所起到的作用差别很大。笔者建立了带有水力振荡器的钻柱轴向能量传递数学模型,通过数值模拟分析了水力振荡器的激振力、频率、安放位置对减阻效果的影响,总结了水力振荡器现场应用时应考虑的影响因素准则,所得结论可为合理选择水力振荡器提供参考。

1 水力振荡器结构与工作原理

国民油井公司生产的水力振荡器可以有效地使钻柱与井壁之间的摩擦力状态由静摩擦力向动摩擦力转化[7]。水力振荡器主要由振荡短节、盘阀短节和动力短节组成。其基本原理为:当钻杆内的钻井液通过阀门时,阀门内的定阀片和动阀片相对运动,产生周期性的脉冲波作用在弹簧短节上,弹簧短节不断地压缩其内的弹簧而形成振动,从而形成周期性的压力,给予钻柱周期性的激振力,达到减小摩擦阻力,延长每次送钻长度的目的。

2 建立分析模型

水力振荡器作用下的钻柱可以看作一个阻尼受迫振动系统,工具产生的振动能量沿钻柱传播,在井壁摩擦阻尼和钻井液阻尼的作用下,振动能量逐渐消耗。为研究轴向激振作用下的减阻效果,首先要建立阻尼受迫振动理论模型[8-10]。建模时做如下假设:①钻柱与井壁均匀接触,钻柱中心与井眼中心一致,忽略井眼间隙;②摩擦力完全是库伦摩擦力,不考虑钻柱吃入井壁和卡钻等机械阻力;③只考虑钻柱轴向动力效应;④忽略钻柱截面上的剪力和弯矩[11]。基于上述假设,笔者建立了钻柱轴向能量传递模型。

在上述假设下取钻柱微元,建立沿钻柱长度的随体自然坐标系,分别是钻柱切线方向、主法线方向和副法线方向。钻柱微元受力图如图 1所示。图中各符号含义为:T是钻柱轴向力,N;F是井壁与钻柱之间的接触力,分布在平面,N;f是钻柱微元与井壁之间的摩擦力,N;c是单位长度上钻井液阻尼系数,(N·s)/m;u是钻柱轴向位移,m;t是时间,s;ρs是钻柱线浮重。

图 1 钻柱微元受力图 Fig.1 Force diagram of drill string element

只考虑钻柱轴向的动力效应,分别建立钻柱在轴向的动力学方程和另外2个方向的平衡方程。在方向的方程为:

(1)

方向的方程为:

(2)

方向的方程为:

(3)

式中:αkαkφkb分别为平均井斜角、井斜角变化率、井斜方位角变化率和井眼曲率,s为钻柱微元弧长,A为钻柱微元截面积,FnFb分别为钻柱与井壁之间的接触正压力在主法线和副法线方向的分量,满足下列关系。

(4)

摩擦力f采用库伦摩擦力计算模型,可以根据钻柱与井壁之间相对运动速度的不同选取不同的摩擦因数。摩擦力的计算式为:

(5)

根据材料力学拉杆应力应变公式有:

(6)

式中:E为钻柱的弹性模量,GPa。

由式(1)~式(6)可以得到完整的钻柱轴向振动控制微分方程,如式(7)所示:

(7)

通过理论建模过程可以看出,在建立动力学方程时将所取的钻柱微段看作刚体,为研究方便,笔者将工具看作是钻柱上的一点,如图 2所示。在分析包含工具的钻柱段时,忽略微元段两端轴向力和摩擦力,则根据牛顿第二定律有:

图 2 包含水力振荡器的钻柱微元段 Fig.2 Drill string element containing a hydraulic oscillator

(8)

式中:Fexcma分别为水力振荡器产生的激振力幅值、钻柱微元段的质量和加速度。

如果微元段取值过小,即m过小,则会产生不符合实际的加速度,因此在处理包含微元段的钻柱单元时应考虑振动工具的结构以及与相邻钻柱的连接方式等实际因素,合理确定空间步长h的大小。另外,还可以通过现场测量的方法获得合理的h值。国民油井公司通过在其水力振荡器上、下安装加速度计测量得到的结论是:在正确使用水力振荡器的前提下,水力振荡器产生的最大加速度不会超过重力加速度值的3倍[12]

3 水力振荡器性能影响因素分析 3.1 激振力的影响[11-12]

在激振力因素影响分析中,选用涪陵区块一水平井井眼轨迹进行模拟。井段井深4 230 m,设计钻杆为三级钻杆,钻杆弹性模量200 GPa, 第1段钻杆(靠近钻头钻杆)长L1=1 750 m, 外径D1=127.0 mm, 内径d1=108.6 mm, 单位线重力q1=284.78 N/m; 第2段钻杆长L2=510 m, 外径D2=127.0 mm, 内径d2=76.2 mm, 单位线重力q2=372.40 N/m;第3段钻杆(靠近井口钻杆)长L3=1 970 m, 外径D3=127.0 mm, 内径d3=108.6 mm, 单位线重力q3=284.78 N/m。

分析中钢材密度为7 850 kg/m3,钻井液密度为1 500 kg/m3, 钻井液阻尼系数取10,钻杆在套管段和裸眼段的静摩擦因数为0.25,动摩擦因数为0.21,初始钻压为50 kN,在钻柱3 000 m处施加一余弦变化的激振力,激振力幅值分别取1、5、10、15、20、25及30 kN。模型采用位移边界,通过MATLAB编程计算,得出钻柱位移及钻压变化曲线,结果如图 3图 4所示。

图 3 不同激振力下钻柱位移变化曲线 Fig.3 Displacements of drill string under different exciting forces

图 4 不同激振力下钻压变化曲线 Fig.4 Weight-on-bit changes under different exciting forces

图 3可知,随着激振力幅值从1 kN增加到30 kN,整个钻柱的最大位移也在不断增大。由图 4可知,钻压随着时间的变化在不断增大,而且激振力幅值从1 kN增加到30 kN的过程中,钻压的增加值也在不断增大。最初阶段,当激振力幅值为1 kN时,因为冲击力太小,不能引起钻柱有效振动,所以钻压和钻柱位移几乎没有变化,随着激振力不断增大,冲击效果明显,钻压和钻柱位移变化明显,并且在激振器附近钻柱振动最为明显。

定义无因次减阻效率J, J表示管柱振动时摩阻比静止时摩阻降低的百分比。计算式为:

(9)

式中:F0为初始静摩擦力,F为振动后总摩擦力。

各激振力作用下的减阻效率如表 1所示。

表 1 不同激振力下的减阻效率 Table 1 Drag reduction efficiency under different exciting forces
激振力/kN 1 5 10 15 20 25 30
减阻效率/% 0.21 3.87 25.32 28.30 31.31 35.23 38.26

表 1可以看出,在其他条件不变的情况下,随着激振力幅值的不断增大,意味着输入钻柱的机械能量增多,各点的动力响应越明显,产生的有效振动长度越长,减阻效率越大。

3.2 振动频率的影响

在振动频率因素影响分析中,选用涪陵区块一水平井井眼轨迹进行模拟。该水平井段井深3 470 m,设计钻杆为三级钻杆,钻杆弹性模量200 GPa, 第1段钻杆(靠近钻头钻杆)长L1=1 150 m, 外径D1=139.7 mm, 内径d1=121.4 mm, 单位线重力q1=319.71 N/m; 第2段钻杆长L2=2 280 m, 外径D2=127.0 mm, 内径d2=108.6 mm, 单位线重力q2=284.78 N/m; 第3段钻杆(靠近井口钻杆)长L3=40 m, 处径D3=127.0 mm, 内径d3=108.6 mm, 单位线重力q3=284.78 N/m。

分析中钢材密度为7 850 kg/m3,钻井液密度为1 160 kg/m3, 钻井液阻尼系数取10,钻杆在套管段和裸眼段的静摩擦因数为0.25,动摩擦因数为0.21,初始钻压为30 kN。在钻柱3 000 m处施加激振力,振动频率分别取5、10、20、50、100和150 Hz。模型采用应力边界,通过MATLAB编程计算,得出钻柱位移变化以及钻压变化曲线,结果如图 5图 6所示。

图 5 不同频率下钻柱位移变化曲线 Fig.5 Displacements of drill string under different frequencies

图 6 不同频率下钻压变化曲线 Fig.6 Weight-on-bit changes under different frequencies

分析可知,给钻柱加装水力振荡器后,钻柱的钻压变化明显,在水力振荡器频率由5 Hz变化到50 Hz的过程中,井口处钻柱最大位移从0.072 m变化到0.078 m, 钻压最大值由74.75 kN变化到76.02 kN, 变化非常小;当频率达到高频率(100和150 Hz)时,钻压与位移的变化依旧不大。由此可知,频率对水力振荡器性能的影响并不明显。

3.3 安放位置的影响

在安放位置因素影响分析中,选用三维井眼段涪陵井段的井眼轨迹进行模拟。涪陵段井深4 230 m,设计钻杆为三级钻杆,钻杆的弹性模量200 GPa, 第1段钻杆(靠近钻头钻杆)长L1=1 750 m, 外径D1=127.0 mm, 内径d1=108.6 mm, 单位线重力q1=261.96 N/m; 第2段钻杆长L2=510 m, 外径D2=127.0 mm, 内径d2=76.2 mm, 单位线重力q2=623.70 N/m; 第3段钻杆(靠近井口钻杆)长L3=1 970 m, 处径D3=127.0 mm, 内径d3=108.6 mm, 单位线重力q3=261.96 N/m。

分析中钢材密度为7 850 kg/m3,钻井液密度为1 500 kg/m3, 钻井液阻尼系数取10,钻杆在套管段和裸眼段的静摩擦因数为0.25,动摩擦因数为0.21,初始钻压为50 kN,所施加的激振力幅值10 kN, 激振频率20 Hz。将水力振荡器分别放在钻柱2 700、3 000、3 300、3 600、3 900及4 200 m处。模型采用位移边界(钻柱两端固定),通过MATLAB编程计算,得出水力振荡器安放在不同位置下钻压的变化曲线,结果如图 7所示。

图 7 振荡器在不同安放位置下的钻压变化曲线 Fig.7 Weight-on-bit changes at different oscillator positions

图 7可知,当振荡器安放在钻柱3 000 m处时,随着时间变化,振荡器不断给钻柱施加激振力。由于钻柱与井壁间的摩阻较大,钻柱在受到激振力之后,产生黏滑振动,钻压呈阶梯性增大,直到达到最大钻压。振荡器离钻头的距离越近,振荡器通过钻柱传给钻头的力越大,钻压的波动越明显,例如振荡器安放在钻柱4 200 m处时的钻压变化。

在其他条件不变的情况下,只改变振荡器安放在钻柱上的位置,钻压的变化也会不同,并且振荡器离钻头越近,钻压的变化越明显,因此安放位置对钻压的影响较大。

4 结论

(1) 水力振荡器的激振力对减阻效果的表现十分显著,并且水力振荡器的激振力越大,减阻效果越明显,因而在条件允许的情况下,应尽可能地选取激振力较大的水力振荡器配合钻进。

(2) 在一定的低频率范围内,水力振荡器对钻柱减阻效果的改变并不明显,当水力振荡器达到较高频率时,其对钻柱减阻效果有一定的影响,但不是很明显,因此水力振荡器的频率不是主要的考虑因素。

(3) 在同一条件下,水力振荡器的安放位置对钻压的变化较为显著,减阻效果也有差异,在选择水力振荡器安放位置时,要考虑钻柱长度和井眼轨迹等实际因素,选取合理的安放位置, 使水力振荡器既能达到较好的减阻效果,同时又能不影响其他井下工具正常工作。

(4) 为了能够在钻井过程中更好地降低摩阻,提高钻井效率,在条件允许的情况下,应选择激振力较大的水力振荡器,并结合井眼轨迹选择合理的安放位置。

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文章信息

吴志勇, 李军, 倪红坚, 任凯, 胡耀方, 付盼
Wu Zhiyong, Li Jun, Ni Hongjian, Ren Kai, Hu Yaofang, Fu Pan
水力振荡器性能影响因素研究
Research on the Influencing Factors of Performance of Hydraulic Oscillator
石油机械, 2018, 46(3): 7-11
China Petroleum Machinery, 2018, 46(3): 7-11.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2018.03.002

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收稿日期: 2017-10-16

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