文摘

粘滑振动降低了钻井机械钻速,使比特的早期磨损,并威胁井下工具的安全。因此,有必要研究抑制粘滑振动的方法,以实现高效、安全钻井。实地测试表明,井下的使用轴向撞击者有助于减轻粘滑振动,提高钻井效率。然而,有许多缺陷的研究轴向冲击载荷如何影响PDC钻头粘滑振动。本文基于两个自由度spring-mass-damper模型和相似理论,一个实验室的实验装置抑制粘滑振动的PDC钻头轴向冲击载荷下已经被开发出来,并进行了系统的实验研究。结果表明,通过减少轴向冲击力可以抑制粘滑振动的振幅钻压和扭矩波动和增加转矩的主要频率。冲击力的振幅影响最优的选择后倾角角度。频率的影响是负相关与转速的波动幅度。当频率的影响大于100赫兹,转速的波动幅度将不会减少。

1。介绍

钻井投资占主要部分的石油和天然气开发的成本。安全、高效钻井可以极大地降低成本,提高油田的经济效益。粘滑振动可能导致钻井工具的早期损伤,低渗透(ROP),和高非生产性时间。特别是,当使用PDC钻头钻硬地层,粘滑振动变得更加强烈(1]。有助于消除粘滑振动提高罗普和减少地下安全隐患。因此,粘滑振动及其抑制方法研究的一个重要的话题在钻井行业(2]。

旋转钻探过程中,不连续的破碎岩石的一个主要原因导致井下的粘滑振动。因此,减少钻的粘滑振动的关键是岩石破碎过程中抑制振动的一些3,4]。为了更好地理解并最终消除粘滑振动,许多钻井服务提供商开发了井下振动测量仪器,评价系统和减振钻井工具。钻井装配设计,恒转矩工具,reactive-torque-free,提出了轴向冲击钻井技术,使钻头移动更稳定和不断降低岩石,从而减少钻头的粘度和脱开的现象5,6]。

这些技术有效地减少了钻头粘滑振动和证明了相当数量的现场测试。特别是,轴向撞击者有明显影响粘滑振动的抑制PDC比特,这充分验证荷载的影响中发挥着关键作用在抑制粘滑运动和其他有害振动的一些7]。

粘滑振动的研究中,一些研究人员简化了一点,钻铤、钻杆成扭摆模型中,假设的边界作为数值摩擦边界,和应用(额外的力量减少粘滑振动8,9]。然而,其他研究人员认为,切削齿岩石破碎行为是粘滑运动的原因。因此,通过建立一个刀/岩石接触模型,可以研究粘滑运动及其缓解方法。如文献所示(10),数值模拟方法表明,扭转冲击力可以减少切削和岩石破坏的时候,从而减少粘着滑动的可能性。

一些研究人员试图通过实验研究粘滑振动的规律。但是一些他们建造的设备没有考虑轴向的灵活性(11- - - - - -13),和一些没有真正复制PDC钻头钻井的过程(14- - - - - -19]。为了更好地理解减轻粘着滑动的机理和特性由轴向的影响,本文利用相似理论和两个自由度模型开发实验室实验仪器和质-弹研究粘滑运动缓解由轴向冲击和等参数位后倾角角度如何影响振动抑制的影响。

2。试验模型设计

2.1。钻系统的数学模型

岩石破坏过程中PDC钻头,PDC刀具轴向和扭转运动。扭转和轴向运动的耦合发生在切割的牙齿。因此,旋转钻井系统的仿真设备应考虑轴向和扭转动力学。在本文中,两个自由度(自由度)模型和相似理论是用来设计质-弹实验参数(20.- - - - - -23]。

钻柱系统的简化模型如图1。扭转刚度的钻杆简化扭力弹簧K_T,轴向刚度的钻杆简化为一个压缩/拉簧K_一个。钻井液的旋转阻尼简化为一个线性阻尼C_T的轴向阻尼,而钻井液被忽略。底部钻具组合(BHA)简化到僵硬的转盘的惯性我_b和大量的米_b。顶部驱动转速、旋转位移,扭矩和轴向位移是由Ω₀,Φ₀,T₀,U₀,分别。转速、旋转位移、扭矩和轴向位移的钻头和底部钻具组合是用Ω,Φ,T,U,分别。钻压和扭矩轴组件W和扭转组件T_b分别的钻头切削力。

系统轴向动态如下: 和扭转动力学表示为

之间的交互,形成由切削力和摩擦力,产生反作用力W_b和反应性的转矩T_b分别在轴向和扭转方向。因此,我们有 在哪里T_c和T_f代表剪切和摩擦扭矩和组件W_c和W_f指钻压的剪切和摩擦组件。

2.2。确定模型的尺度参数

在本节中,量纲分析规模用于推导出模型参数。方程(1)和(2)采用MLT维度系统,及其维度提出了矩阵表1和2,分别。从表1维矩阵的秩的轴向动态是3,这表明有三个独立变量在方程(六个物理量1)。因此,3(6−3 = 3)相似性标准存在。

至于表2维矩阵的秩的等式(2)是两个,这意味着只有七个物理量之间的两个变量是独立的。此外,考虑到无量纲参数Φ4(7−2−1 = 4)相似性标准是必需的。数学模型已经被提出以来,类比的方法可用于积分推导相似的标准。

类比的方法,根据积分方程(4)和(5)可以通过使用二项方程(1在方程()和第三任期2)将各自的方程的其他条款:

物理量的比率是用来替换相应的衍生品,和七个不变量:

定义,C_Mb,C_U,C_卡,C_半,C_Ib,C_CT,C_Φ,C_KT,C_Ω0,C_T,C_t代表比例相应的物理量,我们可以得出这样的结论:相似性的标准模型和实际情况C_Mb=C_卡C_t²,C_U=C_半C_t,=C_卡C_U,C_Ib=C_KtC_t²,C_CT=C_KTC_t,C_Φ=C_Ω0C_t,C_结核病=C_KTC_Φ。此外,假设C_t= 1,C_Φ= 1,我们可以简化相似准则C_Mb=C_卡,C_U=C_半,C_W=C_卡C_U,C_Ib=C_CT=C_KT=C_结核病,C_Ω0= 1。C_结核病/C_W=C_一个是模型的几何比例,即钻井进尺的比例模型的实际钻井进尺C_U,Ca代表的比例模型的直径钻头的实际。

表3表明,钻头直径一个= 0.108 m,在本文中定义的钻头半径等于0.028米。因此,C_U=C_一个= 0.028/0.108 = 0.26。在这篇文章中,米_b= 2000公斤,C_卡=C_Mb= 2000/11000 = 0.18;因此,C_W=C_卡C_U= 0.0468,C_Ib=C_CT=C_KT=C_结核病=C_WC_一个= 0.012。模型规模参数如表所示3。

2.3。实验仪器

实验室模型的示意图如图2。驱动电动机驱动扭力杆弹簧旋转,和扭力杆传递扭矩通过扭矩传动机构转动惯量盘最后钻头。扭转弹簧的扭转弹性模拟钻,旋转盘的转动惯量模拟底部钻具组合,和质量块模拟钻柱的质量。钻驱动电机模拟转盘,速度可通过变频器调整。速度调节范围是0∼500转每分钟(RPM)。撞击器的伺服电机驱动转子旋转,产生冲击力,可通过变频器调整,冲击力是通过传动轴传递给钻头。伺服电机驱动器上下电梯模拟钩的兴衰,和弹簧模拟钻柱的轴向弹性。下部的电梯是通过阀瓣与集中质量块的春天,梁,柱,集中质量块模拟钻柱的质量。永磁直流电机连接到结束的扭力弹簧来模拟钻柱旋转阻尼。扭转固有频率ω_t= 0.97赫兹,轴向固有频率= 6.5赫兹。

3所示。实验结果和讨论

3.1。扭转振动机理的分析

在本节中,普通条件下钻井试验(无轴向的影响)进行证明仪器可以复制粘滑振动,研究粘滑振动的特性。转速、钻压和扭矩随钻测量图所示3。钻压和扭矩的平均值是4.7 kN - 130 N m,分别和扭矩对钻压的比例是27.7 N m / kN。为方便描述,时间分为三个阶段根据转速波动的振幅:稳定的时期(0 - 5 S),过渡时期(6-13年代),14 - 19 (S)和粘滑运动时期。三个阶段转速波动的振幅是24 RPM, 62 RPM,分别和120 RPM。钻压波动的振幅为0.78 kN, 0.86 kN,和0.99 kN,分别和转矩波动的振幅是93 N, 96 N, 124 N,分别。

的频谱分析转速、钻压和扭矩图所示4。稳定时间:主要旋转速度是0.48赫兹的频率和二阶频率是0.97赫兹;钻压的主要频率接近二阶和三阶频率的振幅。转矩的主要频率和二阶频率是0.488赫兹和0.244赫兹,而且没有明显的峰值在固有频率附近ω_t的扭矩。过渡期:旋转速度的主要频率,一些压力和扭矩ω_t和二阶频率的振幅(0.488赫兹)的钻压谱接近主要的频率。粘滑运动时期:每个光谱的主要频率ω_t,频率的振幅显著不同的二阶频率。转矩的主要频率接近的自然频率ω_t系统的共鸣,最终导致粘滑振动。

光谱分析表明,主要的粘滑振动的频率是一阶扭转固有频率的叔丁基羟基茴香醚和无关bit-rock互动,从实地测量获得的结论是一致的。Bit-rock交互产生扭矩的不同频率,但只有一阶共振可以兴奋。

3.2。机制,减轻粘着滑动轴的影响

在本节中,抑制的实验研究进行了轴向扭转振动的影响,结果如图所示5。在这个实验中,冲击力是5 kN的振幅和频率为200赫兹。影响条件下,平均钻压4.28 kN,平均扭矩85牛米。转速,扭矩,和钻压波动幅度是36 RPM, 70牛米,分别和7.9 kN。

相比之下,图3轴向冲击下,钻压的波动率增加了597%,但平均钻压和平均转矩下降了8.9%和35%,分别和转速和扭矩的波动振幅下降了70%和44%,分别。

光谱分析转速、钻压和扭矩图所示6。的主要频率转速、钻压和扭矩是0.97赫兹,200 Hz,分别和2.44赫兹。转矩的主要频率远远大于系统的固有频率ω_t,共振不可能发生,所以旋转速度是相对稳定的。

3.3。后倾角的影响角度和频率的影响

PDC齿的后倾角角度对钻的扭转稳定性有重要影响。冲击载荷的影响振幅和PDC后倾角角度旋转速度图所示7。PDC齿的后倾角角度决定了钻头的切削力特征,同样影响着钻的扭转稳定性。影响振幅不变,钻波动减弱然后增加随着后倾角角度的增加,和有一个最佳的后倾角角度与最弱的波动。当冲击力是零,PDC后倾角角度的最低转速波动振幅是17°。当冲击力的振幅增加从1000 N, 5000 N,最佳的后倾角角度逐渐减少到12°。当后倾角角度大于5°,转速的波动减少冲击力增加。与后倾角角度的增加,振幅降低的影响。当后倾角角度大于15°,力的影响甚至会导致转速波动更严重。

频率影响转速的影响如图8,当后倾角角度和影响振幅保持不变。PDC钻头的后倾角角度是10°,和振幅是5 KN的影响。当频率低于100赫兹的影响,转速的波动频率减少线性增加的影响。当频率的影响大于100赫兹,转速波动是恒定在24 RPM。

4所示。结论

基于2自由度钻动态和相似理论,本文设计并建造了一个实验装置研究粘滑运动缓解由轴向的影响。本文的主要发现如下:(1)在常规钻井,转矩的主要频率与系统的扭转固有频率一致的稳定和过渡的时期,生成相应的共振,转速的波动逐渐增加。(2)影响条件下,平均钻压、平均转矩,转矩波动明显减少。(3)冲击力使转矩的主要频率远高于钻的一阶固有频率,从而消除共振和抑制粘着滑动。(4)当冲击力的振幅和频率不变,有后倾角角度最弱的波动。(5)当频率低于60 Hz的影响,影响频率越高,转速波动就会越弱。影响频率超过100赫兹时,转速波动振幅保持不变。

数据可用性

原始数据(实验测量)可按照客户要求定制相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

勇王设计实验,写论文。Jiaxue律和虹桥谢一些建议实验装置的设计。Hongjian倪,保罗涂,Ruihe王为本文提供了有用的建议。Xueying王和亨张进行这些实验。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金(批准号51704323)和科技中国石油天然气集团公司的主要项目(批准号zd2019 - 183 - 005)。