水平井PDC钻头黏滑振动规律试验研究.pdf
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1、钻井技术与装备水平井 PDC 钻头黏滑振动规律试验研究龙 伟1 况雨春1 何璟彬2 林 伟3 韩一维1 张 涛1 朱光辉4(1.西南石油大学机电工程学院 2.川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司3.西南石油大学工程学院 4.海洋石油工程股份有限公司)龙伟,况雨春,何璟彬,等.水平井 PDC 钻头黏滑振动规律试验研究 J.石油机械,2023,51(9):18-25.Long Wei,Kuang Yuchun,He Jingbin,et al.Test on stick-slip vibration of PDC bit in horizontal wells J.China Petroleum M
2、achinery,2023,51(9):18-25.摘要:黏滑振动会造成 PDC 钻头损伤和井下仪器失效,试验是研究水平井钻柱系统黏滑振动的常用手段。设计了一种微型 PDC 钻头,基于水平井试验台架进行破岩试验,分析了钻进砂岩和灰岩时钻头端黏滑振动的影响规律。试验结果显示:在相同的进尺和转速下,钻进灰岩时所需的钻压和扭矩比钻进砂岩时所需的钻压和扭矩大约 5 倍;在 0.36 m/h 的进尺和 15 r/min 的转速下,钻进灰岩的黏滑振动强度和黏滑振动倍率是钻进砂岩的 5 倍,随着转速提高到 39 r/min,钻进灰岩的黏滑振动强度和黏滑振动倍率是钻进砂岩的3 倍;当转速在30 r/min,随
3、着钻速从0.05 mm/s增加到 0.25 mm/s,钻进灰岩的黏滑振动强度增加到了原来的 7 倍,黏滑振动倍率增加到原来的约 9 倍,钻进砂岩的黏滑振动强度增加到了原来的约 2 倍,黏滑振动倍率增加到原来的约 1.5 倍。试验结果帮助了解钻进不同岩石时的黏滑振动现象,可为今后钻进不同岩石时减轻黏滑振动对井下工具的损伤提供依据。关键词:水平井;PDC 微钻头;黏滑振动;砂岩;灰岩;台架试验中图分类号:TE21 文献标识码:A DOI:10.16082/ki.issn.1001-4578.2023.09.003Test on Stick-Slip Vibration of PDC Bit in
4、Horizontal WellsLong Wei1 Kuang Yuchun1 He Jingbin2 Lin Wei3 Han Yiwei1 Zhang Tao1 Zhu Guanghui4(1.School of Mechanical Engineering,Southwest Petroleum University;2.Changqing Drilling Company,CNPC Chuanqing Drill-ing Engineering Company Limited;3.School of Engineering,Southwest Petroleum University;
5、4.Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.)Abstract:Stick-slip vibration can lead to PDC bit damage and downhole instrument failure,while testing is a method commonly used to study the stick-slip vibration of drill string system in horizontal wells.In the paper,a micro PDC bit was designed to conduct rock
6、breaking tests on a horizontal well test bench,and the stick-slip vibra-tion influence law at the bit during drilling sandstone and limestone was analyzed.The test results show that at the same footage and rotational speed,the WOB and torque required for drilling limestone are approximately 5 times
7、higher than those required for drilling sandstone;at a footage of 0.36 m/h and a rotational speed of 15 r/min,the stick-slip vibration intensity and stick-slip vibration rate of drilling limestone are 5 times higher than those of drilling sandstone;as the rotational speed increases to 39 r/min,the s
8、tick-slip vibration intensity and stick-slip vibration rate of drilling limestone are 3 times higher than those of drilling sandstone;when the rotational speed is 30 r/min,81 石 油 机 械CHINA PETROLEUM MACHINERY2023 年 第 51 卷 第 9 期基金项目:国家自然科学基金联合基金项目“深层页岩动态破碎机理及个性化 PDC 钻头研制”(U19A2097-1);四川省区域创新合作项目“高性能复合
9、钻头关键技术研究及新产品开发”(2021YFQ0041);南充市-西南石油大学市校科技战略合作项目“基于机器视觉的PDC 齿磨损评价及布齿优化研究”(SXQHJH058)、智能钻头自感知系统关键技术研究(SXHZ022);西南石油大学自然科学“启航计划”项目“基于钻具系统一体化方法的钻柱-钻头系统动力学模型及试验研究”(2022QHZ027)。as the ROP increases from 0.05 mm/s to 0.25 mm/s,the stick-slip vibration intensity of drilling limestone increa-ses to 7 times
10、 the original,the stick-slip vibration rate increases to about 9 times the original,the stick-slip vibra-tion intensity of drilling sandstone increases to about 2 times the original,and the stick-slip vibration rate increases to about 1.5 times the original.The test results help to understand the ph
11、enomenon of stick-slip vibration when drilling different rocks,providing a foundation for reducing the damage of stick-slip vibration to downhole tools when drilling different rocks in the future.Keywords:horizontal well;micro PDC bit;stick-slip vibration;limestone;sandstone;bench test0 引 言水平井技术作为提高
12、油气产量、解决老井产能和采收率低的主要手段,近年来在国内外诸多大型油田中被广泛应用1-4。在水平井钻进中,水平段钻柱与井壁之间的摩擦力以及钻头和岩石的互作用使得钻柱系统的横向、轴向和扭转振动十分剧烈。黏滑振动作为扭转振动的极端情况,使得钻头端的瞬时转速峰值会超过设定转速,最大瞬时转速可达到设定转速的 10 倍5,钻头和岩石会发生严重的冲击,易造成 PDC 齿崩坏,随钻测量仪器信号丢失等后果,严重影响水平井的钻井效率6-7。因此有必要对黏滑振动现象进行研究以减轻黏滑振动对井下工具的损伤。国内外学者对关于钻柱系统的黏滑振动研究已有数十年,黏滑振动研究方法主要有试验研究8-9、现场实测10和理论研究
13、11-13等。M.KAPITANIAK 等14-17学者基于相似理论搭建了试验台架,并研究了钻压、转速、岩石特性对钻柱黏滑振动的影响,试验台架虽然满足了试验装置尺寸与实际钻柱尺寸的相似原则,但钻杆的弹性模量和泊松比较小,轴向或扭转刚度过小而无法开展破岩试验。且钻柱与井壁的接触也未被充分考虑,齿岩互作用被考虑的较少,而钻头和岩石互作用是下部的边界条件,对黏滑振动影响较大,是产生黏滑振动的重要因素。因此选择适当的钻柱材料和几何尺寸、井筒直径、轴向压力等参数,使试验过程中钻柱系统的振动规律和破岩机理与真实钻井过程物理相似,以及设计真实的 PDC 钻头参与破岩试验很有必要。本文基于物理现象相似的水平井
14、台架,使用细长杆与多段套筒的接触,充分模拟钻柱与井壁的接触,设计了微型 PDC 钻头并参与破岩试验,模拟钻头与岩石的互作用,研究钻进砂岩和灰岩时对钻头黏滑振动的影响。研究结果有助于减轻黏滑振动对水平井井下作业工具的损害。1 水平井试验台架以及试验方案1.1 水平井试验台架水平井试验台架主要包括动力系统、钻柱系统、钻头破岩系统、数据采集系统和辅助系统等 5大系统,如图 1 所示。图 1 水平井试验台架示意图Fig.1 Schematic diagram for test bench of horizontal well 动力系统主要为系统提供钻头轴向进给和扭矩,分别通过变频电动机与液压系统完成。
15、钻柱系统由钻柱、钻柱两端的镀镍支撑杆、分段套管组成。钻头破岩系统包括试验台架顶端的微钻头以及912023 年 第 51 卷 第 9 期龙 伟,等:水平井 PDC 钻头黏滑振动规律试验研究 岩石夹持装置。辅助系统包括槽钢基座、钢制固定板、法兰直线轴承搭建的滑轨。数据采集系统包括数据采集电脑终端、轴力扭矩传感器、位移传感器、转速传感器、加速度传感器。该试验装置可以较为全面地模拟水平井钻进过程中,钻头类型、转速、进尺、钻杆刚度等因素对钻头黏滑振动的影响。图 2 为数据采集系统硬件框图。图 2 数据采集系统硬件框图Fig.2 Block diagram for hardware of data acq
16、uisition system1.2 微型 PDC 钻头设计在室内水平井试验研究过程中,国内外学者大多采用等效摩擦模型模拟钻头与岩石之间的相互作用力,但等效摩擦模型只考虑了扭转方向的作用力,未考虑在钻进过程中轴向力对钻进的影响,因此等效摩擦模型不能较真实地模拟钻头在耦合振动下的运动规律。为更加准确地反映钻头与岩石的相互作用和钻头端的黏滑振动效果,设计了真实的 PDC 钻头参与破岩。由于试验过程中所使用的钻杆轴向和扭转刚度较小,所以需根据钻进过程中的实际钻压和扭矩设计一款微型钻头,用于反映破岩过程中钻头与岩石的相互作用。微钻头的刀翼采用直线型,刀翼和基体分别设计加工,最终采用焊接的方式将其组合。
17、试验所用的 3 颗微钻头中,钻头半径 R 为 35 mm,PDC 复合片直径为 8.2 mm,刀翼总数 M 为 3 个,相邻翼间角为 120。根据 PDC 钻头切削齿受力公式可得:Far=Fncos1Faz=Fnsin1Frr=Fctan2(1)式中:Fn为切削齿所受总力,N;Far和 Fc分别为切削齿所受轴向力和切向力,N;Faz为钻头径向力,N;Frr为切向力在径向的分力,N;1和 2分别为切削齿的法向角和侧倾角,()。将切削齿的切向力和径向力分别向 X 方向和 Y方向分解,分别求这 2 个方向上的合力,最后可以得到钻头所受的总侧向力 Fs,如下式:Fx=ni=1Fnsin-Frr+Far
18、()coscFy=ni=1Fncos-Frr+Far()sincFs=F2x+F2y(2)式中:c为周向位置角,()。根据侧向力平衡布齿理论18选了一组 PDC 钻头布齿参数,其具体参数如表 1 所示。其中 Z 为相对基准点高度,表明钻头为平冠底。微钻头布齿图与实物图如图 3 所示。表 1 钻头布齿参数Table 1 Cutter arrangement parameters of bit刀翼号齿号R/mmZ/mm方位角/()法向角/()侧倾角/()后倾角/()齿长度/mm114.64.10001552110.04.1120001553114.04.1240001551218.04.10001
19、552222.04.1120001553227.04.1240001551330.94.10001552330.94.1120001553330.94.124000155图 3 微钻头布齿图和实物图Fig.3 Cutter arrangement and photo of micro bit1.3 试验方案及评价指标1.3.1 试验方案2022 年 9 月,项目组在西南石油大学钻头研究所展开试验。试验所用压力机为西南石油大学微机控制电液伺服万能试验机,编号为 SHT4605,最02 石 油 机 械2023 年 第 51 卷 第 9 期大加载压力为 600 kN,最低加载速度为 0.05 mm/
20、min。岩石参数如表 2 所示。表 2 试验岩石参数Table 2 Test rock parameters岩石类型抗压强度/MPa抗拉强度/MPa弹性模量/GPa泊松比密度/(gmm-3)砂岩29.953.022.210.300.002 3灰岩30.554.133.870.320.002 6 试验可通过改变岩石种类、主轴电动机转速和液压缸进给速度;研究岩石特性、转速、钻速对黏滑振动的影响。调节电动机转速和钻速,测量不同工况下钻头的转速、钻压、轴向加速度、横向加速度等数据,计算出黏滑振动强度和黏滑振动倍率,分析试验变量对黏滑振动的影响,试验参数设定如表 3 和表 4 所示。表 3 为固定钻速为
21、 0.36 m/h时,分别对砂岩和灰岩施加 1539 r/min 的转速。表 4 为固定转速为 30 r/min 时,分别对砂岩和灰岩施加 0.050.25 mm/s 的钻速。表 3 试验参数 1Table 3 Test parameters 1岩石钻速/(mh-1)转速/(rmin-1)砂岩/灰岩0.36150.36180.36210.36240.36270.36300.36330.36360.3639表 4 试验参数 2Table 4 Test parameters 2岩石钻速/(mms-1)转速/(rmin-1)砂岩/灰岩0.05300.10300.15300.20300.25301.3
22、.2 钻头黏滑振动的量化评价(1)钻头黏滑振动强度。为了评价钻头在钻进过程中的黏滑振动强度,定义了钻头黏滑振动强度值,即当钻头在稳定钻进过程中,其钻头转速幅值与 2 倍均值之比。黏滑振动19的强度级值用 ISSV(Stick-slip vibration intensity,黏滑振动强度)来表示:ISSV=Rmax-Rmin2Ravg(3)其中:Rmax为稳定区间测得的最大转速,r/min;Rmin为稳定区间测得的最小转速,r/min;Ravg为稳定区间测得的转速平均值,r/min。(2)钻头黏滑振动倍率。钻头在发生黏滑振动时,钻头端的瞬时转速峰值会超过转盘转速的数倍之多,为了定量描述钻头在发
23、生黏滑振动时其最大转速与转盘转速的比值,定义 TSSV(Stick slip vi-bration times,黏滑振动倍率)为钻头的黏滑振动倍率。TSSV=RmaxRavg(4)其中:Rmax为稳定区间测得的最大转速,r/min;Ravg为稳定区间测得的转速平均值,r/min。2 钻进不同岩石对黏滑振动的影响当电动机转速为 15 r/min,进尺为 1.26 m/h时,钻进砂岩的钻头端钻压、扭矩、速度如图 4图 6 所示。图 4 钻头端钻压Fig.4 Weight on bit end图 5 钻头端扭矩Fig.5 Torque on bit end由图 4 可知:在 013 s 过程中,未开
24、启电动机和液压缸,钻压和扭矩的值均在 0 附近波动;13 s 时,开启电动机和液压缸,由于钻杆与井壁套筒之间的摩擦力,钻压和扭矩均大于 0;38 s 时,钻122023 年 第 51 卷 第 9 期龙 伟,等:水平井 PDC 钻头黏滑振动规律试验研究 头与岩石开始接触,此时钻压逐渐增大;49 s 时,钻头与岩石发生完全接触,此时钻压趋于稳定,其数值围绕稳定值上下波动,将稳定值定义为钻压均值。图 6 转速图Fig.6 Rotational speed同理,将扭矩和转速的稳定值定义为扭矩和转速均值,将稳定钻进区间中转速的最大值定义为转速最大值,将稳定钻进区间中转速最小值定义为转速最小值。由图 4图
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