下部钻柱扭摆运动的力学特性实验研究.pdf

下部钻柱扭摆运动的力学特性实验研究易先中杨泽红马苏南陈 辉贺东旭乔少峰易 军(.长江大学 机械工程学院湖北 荆州.湖北省智能油气钻釆装备企校联合创新中心湖北 荆州.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司孤岛采油厂山东 东营.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司桩西采油厂山东 东营)摘 要:国内钻柱扭摆减阻技术尚不成熟缺乏钻柱扭摆减阻的理论研究和试验数据的支撑 为此利用相似参数搭建扭摆运动钻柱力学特性试验平台通过试验分析了地面扭矩传递范围、反扭矩作用范围以及扭摆作用对载荷传递的影响、扭摆角度对载荷传递的影响、扭摆速度对载荷传递的影响 试验平台测试结果表明适当增加扭摆角度和扭摆速度有利于钻压平稳保持工具面稳定关键词:钻柱 扭摆运动 试验 相似原理中图分类号:文献标识码:文章编号:():.:引言目前国外一些油服公司贝克休斯、威德福、斯伦贝谢、哈里伯顿等在美国能源部以及国际钻井协会的资金支持下基于扭矩控制原理以钻柱系统左右扭摆力学模型为基础开发出扭摆控制系统有效解决滑动钻井过程中存在的工具面快速定向和托压卡钻的问题 国内对滑动钻井技术中引入扭摆运动的研究还处于探索阶段相关理论基础和现场试验材料较少但是已经取得一些阶段性进展 易先中等提出钻柱扭摆滑动钻井技术的研究重点是分析钻柱扭摆运动和钻柱与井壁之间的相互作用规律 李智鹏等从减阻机理分析研究静摩擦转化成滑动摩擦的方法以及扭摆扭矩控制机理同时结合顶驱扭摆减阻控制系统在此基础上研发一种扭矩控制系统 武广媛等提出一种通过弯角马达控制办法实现工具面自动控制的钻井系统开展相关室内试验初步研制成功 徐文等开发出顶部驱动和井下动力钻具联合控制的滑动钻井导向控制技术 李乾、汪兴明等从摩阻扭矩计算模型出发考虑了扭摆减阻工艺实施流程、有限刚体假设和 摩擦模型的钻柱模型制定了扭摆减阻过程摩阻扭矩计算软件 为了完善钻柱扭摆三维力学模型谭天一考虑温度对摩阻扭矩计算的影响建立了考虑温度影响的扭摆减阻力学模型 白璟等结合钻柱与井壁间滑动摩擦的特点分析扭摆过程对上部钻柱系统和螺杆钻具反扭矩载荷传递的影响并且得出钻速较低时钻柱扭摆条件下钻压的传递更平稳的结论 虽然国内针对扭摆减阻技术取得一些阶段性进展但对滑动钻井作业中的扭摆减阻的影响因素缺乏理论知识扭摆效果参差不齐导致扭摆减阻不能在安全的前提下发挥最佳效果本文通过相似参数搭建扭摆运动钻柱力学特性试验平台研究了扭摆作用对载荷传递的影响、扭摆角度(、)对载荷传递的影响、扭摆速度(/、/、/)对载荷传递的影响为研究滑动钻井扭摆减阻技术提供参考 钻柱扭摆试验相似参数推导相似模拟试验前需要借助量纲分析法推导扭摆运动钻柱力学试验的相似参数将函数表达式无因次化得到各试验参数的等效数值 相似理论是试验平台搭建的重要组成部分在试验前进行相似参数的推导是搭建试验平台与现场应用对比的基础地面端采用伺服电机驱动钻柱与井筒采用空心圆筒忽略钻井液的影响下部通过伺服电机提供扭矩通过合理简化将物理原型按照比例缩小搭建扭摆作用下钻柱力学特性分析试验平台 改变变化参数(扭摆角度、扭摆速度)测试钻柱力学载荷传递的分布规律 扭摆运动下钻柱力学特性分析试验平台的相关物理量及因次如表 表 水平段钻柱相关物理量及因次钻柱物理量公式转换物理量因次钻柱弹性模量/钻柱材料密度/钻压 井壁摩阻 钻柱重力 钻速/极惯性矩 将表 中所含有的物理量写成一般函数关系式:()()式()中含有三个物理量因次、其中、作为基本量其因次表达式为:()量纲分析法通过、这三个基本量表示其他三个物理量、表达式如式()所示:()通过相似参数的推导如公式 所示建立现场实际工况与室内模拟实验之间的相似依据通过式()可以求得钻柱原型与实验模拟钻杆对应物理量之间的相似比例现场试验现场试验现场试验现场试验 现场试验 现场试验()式中:为钻柱原型与实验模拟钻柱的几何比为钻柱原型材料与实验模拟钻柱材料的弹性模量比为钻柱材料与实验模拟钻柱材料的密度比为钻柱原型与实验模拟钻柱的对应载荷之比为钻柱原型与实验模拟钻柱的转速比为钻柱原型与实验模拟钻柱的钻压比在现场试验过程中为了减小钻柱力学特性的误差对现场参数按照相似参数进行缩小以保证钻柱的力学特性不受影响 在试验过程中按照相似原理设计与现场相近似的物理模型通过传感器等记录仪器记录模型力学参数变化及其影响因素 通过量纲分析法相似理论推导出钻柱扭摆试验的相似参数现场参数与试验参数之间的相似比例如表 所示表 钻柱现场参数与试验参数参数现场参数试验参数相似比例./././钻柱扭摆试验装置设计地面扭摆钻柱力学特性试验平台是通过 变频器控制顶部电机正反旋转电机通过减阻机与转盘相连带动转盘运转转盘与下部钻柱系统相连接带动钻柱系统正反旋转 在钻柱系统旋转过程中井筒为钻柱系统提供支撑力同时下部电机提高反扭矩等效替代井下钻柱系统摩阻 井筒设置石英砂材料模拟钻井摩阻 下部电机通过蜗轮蜗杆试验装置为钻柱系统提供钻压如图 所示图中为钻柱扭摆试验主要装置及零部件省略部分传感器等测量装置图 钻柱扭转摆动的试验平台.整体试验台架钻柱扭摆整体试验台架整体采用钢结构通过 号钢焊接而成并配有安全扶梯 为了保证试验人员安全所有电机控制器、变压器、空气开关均放置在配电箱中 钻柱扭摆整体试验台架分成三部分:地面电机试验部分、底部电机试验部分、井筒固定试验部分 整体试验台架共计长 高.两组电机均使用 电源输入.钻柱井筒模拟系统钻柱井筒模拟系统中试验钻柱选用长度 直径 的低密度聚乙烯圆管试验井筒分成三段竖直段.、造斜段.、水平段.总长度为.试验井筒为透明有机玻璃管直径为 试验过程中钻柱放置在井筒内部长度和钻柱系统保持一致 井筒通过固定夹具固定在试验台架上井筒选择透明的有机玻璃圆管钻柱两端设置转动标记有助于观察试验过程中钻柱系统的运动情况和变化规律转盘扭矩控制系统可以控制电机的正反运转、扭矩和转速大小同时可以采集、显示、存储、输出信号如图 所示 参数输入模块可以控制电机正反旋转实现钻柱扭转摆动的周期性运转 电机控制模块负责交流通讯以及电机急停设置保证试验安全 输出界面包括两部分:扭矩和电流输出曲线工作频率、电机电流、电机扭矩和电机功率的实时显示 同时转盘扭矩控制系统还能控制地面端的旋转伺服电机控制钻杆的转动角度和转动速度正反旋转的圈数可根据需求任意调整不足一圈可用角度实现其功能 试验过程中电机控制转盘周期性运动然后带动地面钻柱系统往复扭转摆动反馈得到井底钻压和下部转角值BC图 转盘扭矩控制系统图 台架 控制系统 试验结果分析.滑动钻井过程载荷传递为了对比常规滑动钻进过程与扭摆钻进过程的钻压变化情况首先通过试验台架模拟常规滑动钻进过程在滑动钻进过程中整个钻柱向下滑动钻柱不旋转部分钻柱紧贴井壁摩阻较大钻压变化曲线如图 所示/T图 钻压变化曲线通过观察钻压变化曲线钻压随着时间变化呈现阶跃性变化现象钻压变化不平稳 试验结果表明常规滑动钻进过程中摩阻过大粘滑卡钻现象严重 钻压波动较大钻井过程不稳定 钻柱系统存在粘滑振动有较为明显的钻头粘滞现象钻井成本增高不利于钻井效率.扭摆角度对载荷传递的影响在滑动钻进过程中钻柱双向扭摆钻井可以起到降摩减阻作用提高钻井效率 但是扭摆钻井也会造成工具面的波动影响井眼轨迹 为了分析扭摆角度对载荷传递的影响对钻柱顶部施加扭转角度为、设定初始钻压为 钻压变化曲线如图 所示/TTTc cc图 不同扭转角度作用下钻压变化当地面扭摆角度为时钻压变化曲线呈现周期性跳动不能解决钻柱单元弹性力和摩擦力的耦合作用下出现的粘滑振动现象 当扭摆角度增加时钻压运转保持平稳波动较小有利于扭摆减阻过程中保持工具面的稳定 实验结果表明扭摆角度过小送钻过程不稳定不利于井底破岩钻进在扭摆过程中适当增加扭摆角度在减小摩阻的同时可以保持钻压稳定更有利于钻井效率.扭摆速度对载荷传递的影响扭摆速度同样是扭摆作用下载荷影响传递的因素为了研究不同扭摆速度对载荷传递的作用规律以及扭摆减阻的效果与数值分析结果相对比地面电机对上部钻柱系统施加三种不同扭摆速度(/、/、/)井底钻压变化曲线如图 所示 观察井底钻压变化曲线钻压的变化表示工具面的波动以及载荷传递情况钻压曲线平稳说明地面减阻效果较好在一定程度上抑制了粘滑现象工具面波动范围较小/TTTSNJOSNJOSNJO图 不同扭转速度作用下钻压变化设置滑动钻进过程中扭摆速度为/、/、/通过井底钻压变化曲线发现当扭转速度为/时钻压波动比较剧烈地面扭摆减阻效果差 当扭转速度为/时钻压在运转一段时间后保持平稳此时地面扭摆减阻效果较好工具面波动范围较小 当扭转速度为/时钻柱在井筒内转动比较剧烈甚至带动井下工具面的转动扭摆减阻效果差为了钻柱系统的使用应该避免这种情况发生 实验结果表明随着扭摆速度的增加钻压的变化变得更加平滑钻柱系统钻进过程更加稳定粘滑振动更少 适当增加钻柱扭摆速度可以起到扭摆减阻效果同时保持工具面稳定但是应该避免扭摆速度过大导致扭摆作用传递到井下波动工具面 结论)首先通过量纲分析法推导钻柱扭摆试验的相似参数通过相似参数搭建扭摆运动钻柱力学特性试验平台该试验平台包括四大系统:驱动系统、钻柱井筒模拟系统(井筒内径 长.钻柱外径 内径 长.)、数据测量系统、试验控制系统)为了研究钻柱扭转规律设计了试验测试流程通过试验分析了地面扭矩传递范围、反扭矩作用范围以及扭摆作用对载荷传递的影响、扭摆角度(、)对载荷传递的影响、扭摆速度(/、/、/)对载荷传递的影响 试验平台测试结果表明适当增加扭摆角度和扭摆速度有利于钻压平稳保持工具面稳定参考文献 .:/./.李智鹏易先中陶瑞东等.定向滑动钻进控制新方法研究.石油钻探技术():.易先中李智鹏周元华等.地面钻柱扭摆方法释放井下摩阻的研究进展.钻采工艺():.武广瑷何保生邓果.工具面动态控制钻井系统的室内研究.石油机械():.徐文刘新立马瑞等.基于顶部驱动的滑动钻井导向控制技术.石油机械():.李乾.滑动钻进中顶驱扭摆减阻控制技术.北京:中国石油大学.谭天一.长水平段水平井摩阻扭矩预测与顶驱扭摆减阻技术研究.北京:中国石油大学.白璟刘伟黄崇君.四川页岩气旋转导向钻井技术应用.钻采工艺():.基金项目:国家自然科学基金“地面旋转导向钻井新方法及其控制机理”()湖北省重点研发计划项目“智能钻井多维动力集成钻具研发及应用”()作者简介:易先中()男教授博士生导师现从事油气钻采机械及其智能化研究工作收稿日期: