可伸缩式隔振器的研制与应用.pdf

钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY2023 年 5 月May 2023基金项目:国家自然科学基金联合项目“海相深层油气富集机理与关键工程技术基础研究”(编号:U19B6003)中国石化科技攻关课题“连续管钻井传测控一体化技术研究”(编号:P20024);中国石化科技攻关课题“减震稳扭旋冲钻井提速工具的研制”(编号:P17050-3)。作者简介:胡亮(1984-),副研究员,2015 年毕业于中国石油大学(北京)油气井工程专业,主要从事钻井工具研发工作。地址:(102200)北京市昌平区高教园南三街石化科技中心 5 号实验楼 405 室,电话:[phone],E-mail:HL9788 钻采机械可伸缩式隔振器的研制与应用胡 亮1,2,胡群爱1,2,王秀瑶3,王宏军3,杨顺辉1,2,李 燕1,2,谷 磊1,21 页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室2 中国石化石油工程技术研究院有限公司 3 中国石油吉林油田分公司松原采气厂 摘 要:为了减小钻井过程中因轴向振动造成的钻柱和钻头破坏,文章研制了一种可伸缩式隔振器。该工具使用时安装在钻柱中和点以上,通过自身的轴向伸缩机构将上部钻柱和下部钻头产生的轴向振动隔断吸收,避免共振问题,减小底部轴向振动对上部钻柱和顶驱的破坏,同时增加了整体钻柱柔性,改善了钻头受力情况,有效减少钻头崩齿现象。在实际使用中,可伸缩式隔振器的最优安装位置可根据钻柱中和点及轴向振动最大处计算结果来综合决定。现场应用表明,可伸缩式隔振器对顶驱能起到很好的隔振保护作用,振动声幅降低了 87%,同时出井钻头新度 95%以上,减少了钻头钻遇砾石层的崩齿破坏。可伸缩式隔振器可作为钻井一开的标配工具,降低一开钻井过程中的振动危害,保护顶驱,减少钻井安全事故。关键词:隔振;轴向伸缩;轴向振动;振动声幅;振动频谱DOI:10.3969/J.ISSN.1006-768X.2023.03.18引用格式:胡亮,胡群爱,王秀瑶,等.可伸缩式隔振器的研制与应用J.钻采工艺,2023,46(3):106-109HU Liang,HU Qunai,WANG Xiuyao,et al.Development and Application of Retractable Vibration IsolatorJ.Drilling and Production Technology,2023,46(3):106-109Development and Application of Retractable Vibration IsolatorHU Liang1,2,HU Qunai1,2,WANG Xiuyao3,WANG Hongjun3,YANG Shunhui1,2,LI Yan1,2,GU Lei1,21.State Key Laboratory of Shale Oil and Gas Enrichment Mechanisms and Effective Development,Beijing 100101,China;2.Sin-opec Research Institute of Petroleum Engineering,Beijing 100101,China;3.Songyuan Gas Production Plant of PetroChina Jilin Oil Field Branch,Songyuan,Jilin 138000,ChinaAbstract:In order to reduce the damage to the drill string and bit caused by longitudinal vibration during drill-ing,a retractable vibration isolator is developed.The tool is installed above the neutral point of the drill string,which can isolate and absorb the axial vibration generated by the upper drill string and lower bit through its own axial expansion mechanism to avoid resonance problems and reduce the damage to the upper drill string and top drive drilling system,and increase the flexibility of the drill string to improve force on bit and prevent the bit from chipped cutter.In practice,the optimal installation position of the tool is determined based on the calcula-tion results at the neutralization point of the drilling column and the maximum axial vibration.The field applica-tion showed that the vibration isolator has played a good role in vibration isolation and protection of the top drive drilling system,and the vibration amplitude has been reduced by 87%,while the newness of the drill bit is more than 95%,and the chipped cutter of the bit drilling in the gravel layer has been reduced.It is recommended that the vibration isolator should be used as a standard tool for first spud to protect the top drive drilling system and re-duce the drilling safety accidents caused by axial vibration.Key words:vibration isolation;axial expansion;longitudinal vibration;vibration amplitude;vibration spectrum601第 46 卷 第 3 期Vol.46 No.3钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY 0 引言 在钻井过程中,由于地层岩性、钻井参数和破岩工具等因素互相影响,极易造成钻柱轴向振动,影响钻柱和钻头的寿命,降低钻进速度1。同时,由于钻柱具有一定的刚度,它能将底部钻具的轴向振动向上传递,从而对上部钻柱甚至顶驱造成损坏2。特别是在一开钻进过程中,由于钻柱整体入井不深,井壁对其支撑不足,同时一开泥浆泵排量大,大扭矩螺杆的反作用力强等因素极易引起剧烈振动,并通过钻柱向上传递至钻台面及顶驱,造成钻台面振感明显,顶驱振动疲劳,严重时还会产生顶驱破坏落物等安全事故,威胁钻井安全。吕英民3通过有限元的方法建立了钻柱隔振力学模型,分析了隔振前后钻柱固有振动频率的变化,认为隔振后能有效避免共振现象,提高钻井效率,但未提及相关工具和应用案例;刘学领4介绍了一种可以改善钻头受力状况的悬浮器及其在大港油田二开过程中的应用,通过与未使用工具的邻井对比表明,单个钻头进尺和整体钻进速度有一定的提高,但未说明工具具体结构及安装使用要求,也未在一开钻进过程中应用。中石化石油工程技术研究院有限公司研制了一种可伸缩式隔振器5,通过工具自身的轴向伸缩机构隔断吸收钻井过程中的轴向振动,从而减小振动对钻柱和钻头的破坏。该工具已在华北、西北和胜利等油田区块成功应用,取得了良好的效果。1 隔振器结构与工作原理1.1 结构组成可伸缩式隔振器结构如图 1 所示,由上接头、挡 块、活塞轴、缸筒、滑动密封组成。上接头与上部钻柱相连,活塞轴与下部钻柱相连,活塞轴可在上接头和缸筒形成的腔体内轴向运动,挡块与缸筒上接头形成活塞轴运动下止点,缸筒下端面与活塞轴台阶形成活塞运动上止点,两止点距离即为隔振器自由伸缩行程,缸筒和活塞轴之间通过花键配合实现扭矩传递,并通过滑动密封实现工具内外压差密封。图 1 隔振器结构示意图1.2 工作原理隔振器上下止点之间形成一段自由伸缩行程,工具使用时要求安装于钻柱中和点以上位置,这样保证了其入井后自由行程处于拉开状态,当下部钻具发生轴向振动并向上传递至隔振器时,与下部钻具相连的活塞轴就会向上运动,使处于拉开状态的自由行程向上收缩,以此将下部钻具的轴向振动隔断吸收,使其不能传导到上部钻柱和顶驱;同时,打钻过程中由于井壁摩阻造成的上部钻柱扭转变形在突然释放时,与上部钻柱相连的上接头就会向下运动,处于拉开状态的自由行程向下收缩,以此将上部钻柱的扭转变形隔断吸收,不会向下影响到下部钻具和钻头。这样也使得隔振器所连接的上下部钻柱轴向振动各自独立,避免了上下部钻柱振动耦合而发生的共振问题,从而保护上部钻柱和顶驱,改善下部钻具和钻头的受力状态,提高钻头使用寿命。1.3 性能参数设计生产了两种型号的可伸缩式隔振器,可根据需要应用于不同井身结构,具体参数如表 1 所示。表 1 两种型号隔振器参数型号结构参数性能参数安全参数长度/mm外径/mm内通径/mm扣型伸缩距离/mm承压/MPa耐温/抗拉/N抗扭/(Nm)172 型2 1531725441041140030150220 00040 000127 型2 0051273631031135030150180 00025 0002 安装位置可伸缩式隔振器适用于直井或小斜度井段,且必须安装于钻具中和点之上,以钻柱轴向振动最大处为佳,可应用于酸碱钻井液环境,但不能含有铁矿粉。2.1 现场工况以中石化华北区块某井为例,井身结构为三开直井,设计井深 3 200 m,一开应用隔振器,具体井况为:一开地层特征:上部为新生界灰黄色黄土层,下701 钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY2023 年 5 月May 2023部为中生界志丹群含砾中砂岩夹棕褐色泥岩。一开钻具组合:311.2 mm PDC 钻头+203 mm1.25单弯螺杆+203 mm 无磁钻铤+306 mm 扶正器+165.1 mm 钻铤3+127 mm 加重钻杆33+127 mm 钻杆串。一开钻井参数:钻井液密度 1.03 g/cm3,钻压 68 kN,钻井液排量4050 L/s,转速4050 r/min+螺杆。2.2 安装位置设计首先计算一开钻柱中和点位置,确定工具安装范围,再计算一开钻柱轴向振动位移最大值位置,两者相结合确定工具最佳安装位置。中和点理论计算6:LN=Wqc(1-d/s)(1)式中:LN中和点距离钻头的距离,m;W施工钻压,kN;qc钻杆单位长度重力,kN/m;d钻井液密度,g/cm3;s钻柱钢材密度,g/cm3。根据华北某井现场工况,d=1.03 g/cm3、s=7.85 g/cm3、qc1.84 kN/m 和 W=80 kN,由式(1)计算得到:LN=48.9 m,即中和点落在距离钻头往上48.9 m 的地方,165.1 mm 钻铤上。2.3 轴向振动位移最大值计算根据华北某井一开钻具组合,建立其钻柱计算模型,通过计算获得一开钻柱各处轴向位移数值,如图 2所示。图 2 一开钻柱各处轴向振动位移从图 2 中可以看出,钻柱上轴向振动位移最大处在距钻头 100 m 左右位置。因此,结合计算所得的中和点范围及轴向振动最大位置,综合考虑现场施工便利性,现场工程师决定将可伸缩式隔振器安装在第一柱和第二柱加重钻杆之间(107 m)最为合适,能够保证最大限度地发挥隔振器作用。3 现场应用分析华北某井一开钻进前,参考邻井钻井情况,钻台面可见上部钻柱及顶驱振动非常剧烈,因此希望加入隔振器减轻此类振动对顶驱的疲劳破坏,改善钻头受力状况。现场人员在华北某井钻台同一位置录制了钻柱不同情况下的振动声音,分别为未安装隔振器和加入隔振器后这两种情况,并对声音进行了声幅和频谱分析,声幅分析如图 3 所示,频谱分析如图 4 所示。图 3 可伸缩式隔振器安装前后钻柱振动声幅分析图 4 可伸缩式隔振器安装前后钻柱振动频谱分析从图 3 中(a)和(b)对比可以看出,加入隔振器前后振动声幅峰值从-3 db 降到-12 db,降低了 87%,且整体更加平稳,波动幅度明显减缓;从图 4 中(a)和(b)对比可以看出,加入隔振器后振动频谱更加单一集中,随机高频振动明显减少。这些都表明加入隔振器后,钻柱振动明显降低,隔振器发挥了很好的隔振作用。可伸缩式隔振器出井如图 5 所示,整体结构完整,伸缩功能完好。同时,从一开录井中出井岩屑(图 6)可以看出,钻遇岩层含有一定的砾石,而从出井钻头来看,新度达到 95%以上(图 7),无崩齿,只有边缘齿略有自锐磨损,表明隔振器对钻头起到了一定的保护作用。801第 46 卷 第 3 期Vol.46 No.3钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY 图 5 隔振器出井图 6 一开出井岩屑含砾石图 7 一开出井钻头4 结论及建议(1)可伸缩式隔振器应用于钻井一开井段,能够有效降低因井壁支撑不足和大扭矩螺杆工作所引起的振动危害,从而保护顶驱和上部钻柱;同时提高钻柱整体柔性,降低上部钻柱扭转变形对钻头的影响,改善钻头受力状况。特别是在钻遇砾石夹层时,能够降低振动危害,一定程度地保护钻头,防止崩齿破坏。(2)实际使用中,可伸缩式隔振器最优安装位置可根据钻柱中和点及轴向振动最大处计算结果来综合决定。通过华北某井一开钻井应用表明,隔振器很好的发挥了对顶驱的隔振保护作用,振动声幅降低了87%,同时出井钻头新度 95%以上,减少了钻头钻遇砾石层的崩齿破坏。(3)可伸缩式隔振器结构简单可靠,隔振效果良好,建议作为钻井一开的标配工具,降低一开钻井过程中的振动危害,保护顶驱,减少钻井安全事故。参 考 文 献1王珍应,林建,施太和,等.钻柱轴向振动仿真与井底状态监测方法探讨J.石油机械,2001,29(6):43-45.WANG Zhenying,LIN Jian,SHI Taihe,et al.Computer simulation of drillstring axial vibration and online monitoring of bottom hole conditionJ.China Petroleum Machinery,2001,29(6):43-45.2马斐,施太和.实测钻柱振动特征分析J.天然气工业,1997,17(2):48-51.MA Fei,SHI Taihe.Characteristic analysis of practical drillstring vibrationJ.Natural Gas Industry,1997,17(2):48-51.3吕英民,蔡强康,帅健,等.钻柱隔振理论及钻井效率分析J.石油大学学报(自然科学版),1997,21(4):27-29.LV Yingmin,CAI Qiangkang,SHUAI Jian,et al.Theoreti-cal research of vibration insulation for drillstringJ.Journal of the University of Petroleum,China,1997,21(4):27-29.4刘学领,王福元,李星文.使用悬浮器提高钻井速度J.石油钻采工艺,1995,17(2):48.LIU Xueling,WANG Fuyuan,LI Xingwen.Improving drill-ing speed with suspendersJ.Oil Drilling&Production Technology,1995,17(2):48.5中国石油化工股份有限公司,中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院.减振器:CN201710180279.XP.2020-07-07.China Petroleum&Chemical Corporation,SINOPEC Re-search Institute of Petroleum Engineering.Absorber:CN201710180279.XP.2020-07-07.6陈庭根,管志川.钻井工程理论与技术M.东营:石油大学出版社,2000:86-88.CHEN Tinggen,GUAN Zhichuan.Drilling engineering theo-ry and technology M.Dongying:Petroleum University Publishing House,2000:86-88.(修改回稿日期 2023-03-17 编辑 郭睿)901