文摘
在延伸钻井,旋转钻柱的扭矩太大在水平部分,从而导致钻柱的失败。径向振动对摩擦的影响和转矩的旋转钻柱还不清楚。在这个工作,首先,径向振动对摩擦的影响原理和转矩的旋转钻柱在水平段分析。然后,关节和一个椭圆外缘部分的设计,可产生低振幅振动钻柱旋转由于与井筒的交互。可以通过改变调整径向振动特性的主要小半径比椭圆。自主研发的实验设备是为了测试工具的性能和降低摩擦和转矩。钻柱扭矩与不同的普及率,旋转速度,和比率的主要半径小的半径椭圆系统研究。实验结果表明,转矩波动的平均和最大振幅首先减少到最小值,然后增加增加的比率。比达到1.065时,平均和最大转矩波动的振幅明显降低;因此,联合比率为1.065可以有效降低摩擦扭矩。 The average torque reduces when the penetration rate and rotation speed decrease. At rotation speeds of 45 and 60 r/min, the maximum amplitude of torque fluctuation increases first and then decreases with an increase in penetration rate, and it reaches a maximum value at a penetration rate of 22.5 m/h. The fundamental frequency of torque fluctuation is almost linearly related to rotation speed, which is irrelevant to the penetration rate and the ratio of major to minor radius of the ellipse.
1。介绍
延伸井已被广泛应用于非常规油气储层的勘探。水平段在钻井过程中,钻柱位于底部的井壁的重力,以及摩擦引起的钻柱与井壁之间的相互作用是巨大的,因为长水平段延伸井。很难钻柱传输扭矩,和大扭矩导致钻柱的失败。因此,良好的摩擦和转矩的控制钻井作业的成功是至关重要的(1,2]。工程实践表明,有三个有效措施来减少摩擦和钻柱的扭矩:(1)改善井筒环境(3),(2)使用机械工具(4- - - - - -10),和(3)优化工程参数如井底总成、钻井液性能,并进行短途旅行,通过监测或预测摩擦系数在不同的深度11- - - - - -14]。最有效的方法是使用机械工具。
许多研究把重点放在了减少摩擦和振动钻柱的扭矩;然而,他们中的大多数集中在轴向振动(7,8,15- - - - - -22),只有少数研究径向振动对摩擦的影响和转矩的旋转钻柱的报告。欧阳et al。9)开发了一个涡轮双向振动减阻工具,应用偏心环旋转导致径向振动和水锤效应,使轴向振动。这个工具可以控制激振力通过改变偏心质量。李(10)开发了一种径向振动减少扭力工具由钻井液。现场试验表明,该工具可以提高钻头钻井重量转移。Zhang et al。23]分析了振幅和频率的激振力的影响之间的平面摩擦副的摩擦系数和岩石的钢格板的实验。任(24)报道,钻杆摩擦减少关节和一个椭圆的外缘部分可以生成低振幅振动钻柱旋转。然而,径向振动对摩擦的影响和转矩的旋转钻柱还不清楚。
在这部作品中,径向振动对摩擦的影响原理和转矩的旋转钻柱进行了分析。同时,旋转钻探的瞬时扭矩测量不同的实验条件,包括主要半径小的半径的比值联合椭圆部分( ),普及率,和旋转速度,主要对径向振动特性的影响。实验结果支持了理论分析,为指导研究减少摩擦和转矩的旋转钻柱径向振动。
2。理论分析
在钻井过程中,钻柱扭矩是由粘性力引起的钻井液和钻柱和井筒之间的滑动摩擦14]: 在哪里钻柱的扭矩,是摩擦扭矩,的粘性力产生的转矩是钻井液。
因此,通过降低摩擦扭矩 ,钻柱的扭矩可以有效的减少: 在哪里外部钻柱的半径和吗的切向分量是钻柱和井筒之间的滑动摩擦: 在哪里是钻柱和井筒之间的接触力滑动系数的切向分量。
因为关节之间的交互的椭圆截面外缘和井筒墙,它生成低烈度迫使径向振动钻柱旋转,振动频率是与钻柱的旋转速度有关。钻柱与井眼之间的接触力是一个瞬时力,从而改变随着时间的推移,和与径向振动特征。当钻柱井筒墙, 。与此同时,变化与 ,从而进一步影响 。因此,可以受到径向振动的影响。因为它是难以衡量 ,转矩是衡量自主研发的实验装置,其目的是测试工具的性能和降低摩擦和转矩。从实验结果的分析,径向振动对摩擦力矩的影响旋转钻柱的详细研究。
3所示。实验装置、方法和条件
3.1。实验设备
图1显示了实验装置测试工具的性能和减少摩擦和转矩25]。设备主要由基地内杆旋转部分,外缸垂直运动部分,控制和数据采集系统,和其他元素。这个设备可以模拟旋转钻柱的运动关节在井筒,普及率和转速可以控制。
(一)
(b)
内杆旋转部分由主电机、联轴器、内杆(钻柱),以及测试工具。内杆测试工具可以旋转的外缸由主电机驱动的。外缸垂直运动部分是由外筒(井筒)及其支持,升降台,进给电动机,滑台。外缸经过线性平移运动的滑台的进给电动机驱动。此外,外缸的高度可以改变通过调整升降台,以满足不同的测试工具的需求,防止电机锁定转子。主运动和进给电动机都是由电脑控制的,主电机调整转速和进给电动机调整普及率。扭矩传感器测量实时转矩和将数据传输到电脑。
图2显示了钻杆摩擦减少关节的结构;联合椭圆截面是一个关键参数控制径向振动,并给出不同的联合模型的部分参数表1。钻杆摩擦减少关节命名为1617,1619年1618联合,共同根据小半径和大半径的值。
3.2。实验方法
(1)的测试工具与其他元素组装inner-rod旋转部分,应远离外缸。同时,滑块应该呆在滑台的一端。(2)外缸的底部均匀地覆盖着沙子。(3)内杆的转速是由主电机调整。(4)外缸的高度调整升降台和固定的测试工具联系外缸。(5)水平速度(即。,penetration rate) of the outer cylinder is adjusted, and data collection is carried out.(6)实验结束后,关闭电源,外缸是降低和清洁。
后来,测量结果进行快速傅里叶变换(FFT)和时域信号转换为频域信号;因此,获得转矩的振幅谱。最后,转矩的变化规律进行了分析。
3.3。实验条件
实验装置是一个槽的外缸压克力管、55毫米的内径和壁厚2毫米。扭矩传感器是应变仪式扭矩传感器,清廉N的额定负载。m和F.S.总误差为±0.5%滑台是一个自动的滑台,中风的1000毫米和0.02∼0.03毫米的定位精度。
4所示。实验结果和分析
电动机的瞬时输出转矩变化周期性围绕一个特定的平均值,这是由于其机械结构和转子转动惯量的输出。因此,定期测量转矩波动。图3显示了torque-time曲线的旋转速度30 r / min和普及率18 m / h。转矩波动有一定的周期性,当使用不同的关节转矩波动幅度不同。与此同时,调优联合可以改变径向振动的特点,进一步影响扭矩波动幅度。
的线性趋势torque-time可以去趋势函数得到的。图4显示了torque-time曲线的线性趋势时,旋转速度是30 r / min,普及率18 m / h。扭矩是最小主电机空转时(没有安装一个内部杆和测试工具)。较常见的关节,torque-time曲线与钻杆摩擦减少关节增长速度,这可以归因于沙子堆积。在实验期间,外缸上覆盖着沙子的底部均匀地模拟真实的井筒条件。然而,没有钻井液的循环。因此,当钻杆摩擦减少关节外缸水平移动,少量的沙粒逐渐积累前端的关节,和砂桩的形成导致的增加扭矩。因此,钻井液应该有一个强大的承载能力在使用钻杆摩擦减少关节。
4.1。的影响在转矩
学习的效果扭矩在不同渗透率和旋转速度,使用关节力矩与不同(1、1.0625、1.125和1.1875)下测量渗透率18 m / h, 22.5 m / h, 27 m / h。实验进行了保持普及率和旋转速度为常数,和采用的旋转速度是30 r / min, 45 r / min, 60 r / min。
与旋转速度30、45岁和60 18 r / min和普及率,22.5,27 m / h,之间的关系和平均转矩得到,如图5。平均转矩的增加先降低,然后增加在三个不同的旋转速度。平均转矩下降最的增加的旋转速度下30 r / min,如图5(一个),减少了至少60 r / min的旋转速度,如图5 (c)。当是1.0625,平均转矩达到最小,这显然是低于常见的关节。在那之后,进一步增加 ,平均转矩逐渐增加。当达到1.1875,平均转矩甚至高于常见的关节。
(一)
(b)
(c)
时域信号转换为频域信号通过FFT的实验结果,振幅谱的扭矩。振幅谱的扭矩与不同的关节和主电机空转,转速时30 r / min,普及率18 m / h,显示在图中6。对应的最大转矩波动振幅频率是基频。的最大转矩波动振幅不同,使用不同的关节,而基本频率是一样的和等于基频时,主电机空转。它可以得出结论,转矩波动的基本频率无关 。因此,通过调优 ,钻柱径向振动的振幅可以改变不影响钻柱径向振动的频率。暴力钻柱的振动使严重事故,如钻柱失效和钻孔直径增大(26];因此,有必要减少振动振幅,也就是说,减少转矩波动的最大振幅。
图7显示的最大振幅的曲线与不同的转矩 。的增加 ,转矩波动的最大振幅降低,然后增加。可以清楚地看到,最大转矩波动幅度低于时常见的关节达到1.0625。的进一步增加 ,最大振幅的变化往往是温柔。当超过1.125,最大振幅迅速增加。
(一)
(b)
(c)
结果表明,平均和最大转矩波动幅度可以通过改变的影响使用1617年和1618年,可以明显减少关节。结果,1617年和1618年的关节可以有效降低摩擦扭矩实验条件下的钻柱。其中,1617联合(= 1.0625)展示最好的减少摩擦转矩特性的最小平均值扭矩。
4.2。渗透率对扭矩的影响
基于上述分析,1617年和1618年关节摩擦扭矩减少属性选择分析渗透率的影响钻柱的扭矩。1617 (1.0625)和1618年(1.125)关节,转矩与不同渗透率(Vp22.5 = 18日,27日,36 m / h)测量的旋转速度下30岁,45岁和60 r / min。改变规则的平均和最大转矩波动幅度与渗透率数据所示8和9。
如图8,平均转矩和普及率的增加逐渐增加。当使用1617年的联合,普及率平均转矩的影响更明显的比,当使用1618年的联合。
与1617年和1618年的关节,最大转矩波动振幅的变化规律与普及率在同一转速类似,如图9。与渗透率最大振幅的变化是密切相关的旋转速度。30 r / min,转速时的最大扭矩波动振幅逐渐增加随着渗透率的增加。45的转速和60 r / min,最大转矩波动幅度先增加,然后随着渗透率的增加减少,和最大振幅达到最大值的普及率22.5 m / h。因此,普及率应该尽可能远从22.5 m / h在钻井过程中。
如图101617年,振幅谱的扭矩使用共同的普及率得到18日22.5,27 m / h。转矩波动的基本频率在不同渗透率是0.4482赫兹。转矩波动的最大振幅不同渗透率不同,但基本频率是相同的。它可以得出结论,转矩波动的基本频率与钻柱的普及率。因此,通过改变普及率,钻柱径向振动的振幅可以改变不影响钻柱径向振动的频率。
4.3。转速对扭矩的影响
1617 (1.0625)和1618年(1.125)关节,转矩与不同的旋转速度(Vr= 30、45、60和90 r / min)测定渗透率下18日22.5,27 m / h。改变规则的平均和最大转矩与转速波动幅度数据所示11和12。
随着转速的增加,平均转矩逐渐增加,如图11。平均转速转矩的影响更明显在使用1617年的联合与1618年相比联合。
如图12,与1617年和1618年的关节转矩波动的最大振幅的变化规律与旋转速度相同的旋转速度是相似的。18普及率为22.5 m / h,有很大区别的最大振幅30和45 r /分钟的速度旋转,而最大振幅之间的差异在45到90转/分的转速是很小的。普及率的27 m / h,旋转速度几乎没有影响的最大振幅。
图13显示转矩波动的基本频率的旋转速度30岁,45岁,60岁,90,120,180 r / min。基本频率增加几乎与旋转速度的增加比例。这一现象与上面的理论分析是一致的。
5。结论
(1)因为关节之间的交互与椭圆截面外缘和井筒墙,低烈度迫使径向振动钻柱旋转,生成的影响径向振动摩擦转矩的旋转钻柱详细研究。(2)平均转矩和转矩波动的最大振幅的增加先降低,然后增加大半径小半径的比值联合椭圆的部分。比为1.0625时,共同表现出最好的摩擦扭矩减少属性的最小转矩的平均值。(3)随着转速的增加,平均扭矩逐渐增加。的普及率27 m / h,旋转速度有一个小影响的最大转矩波动振幅。在旋转45 - 60 r /分钟的速度,最大振幅之间的区别非常小的普及率,和最大转矩波动幅度先增加,然后随着渗透率的增加减少,和它的普及率达到最大值22.5 m / h。因此,普及率应该尽可能远从22.5 m / h在钻井过程中。(4)转矩波动的基本频率几乎是线性相关的旋转速度,这是无关紧要的普及率和大半径的比值小的半径。(5)在钻井期间,少量砂粒容易逐渐积累的前端钻杆摩擦减少关节,和砂桩的形成导致增加扭矩。因此,钻井液应该有一个强大的承载能力在使用钻杆摩擦减少关节。
数据可用性
没有数据被用来支持本研究。
附加分
在本文使用国际标准单位。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究得到了国家自然科学基金(批准号51974277和51974277)。