氣體鉆水平井的鉆柱振動分析

摘 要

摘要：在水平井的鉆井過程中，鉆柱處于復(fù)雜的運(yùn)動狀態(tài)，振動是一種常見的現(xiàn)象，鉆柱的共振是臥發(fā)鉆柱失效的主要原因之一。氣體鉆井過程中鉆柱的動態(tài)響應(yīng)很大，容易失效。以氣體鉆水平
摘要：在水平井的鉆井過程中，鉆柱處于復(fù)雜的運(yùn)動狀態(tài)，振動是一種常見的現(xiàn)象，鉆柱的共振是臥發(fā)鉆柱失效的主要原因之一。氣體鉆井過程中鉆柱的動態(tài)響應(yīng)很大，容易失效。以氣體鉆水平井的鉆柱為研究對象，利用ANSYS軟件分析了鉆柱的軸向振動、橫向振動、扭轉(zhuǎn)振動及耦合振動，建立了鉆柱各種振動的模型；通過實例分析獲得了鉆柱振動的規(guī)律，得到了水平井鉆井過程中鉆柱各種共振頻率。該項研究為減少水平井鉆具受損、優(yōu)化鉆井參數(shù)、避免鉆柱共振提供了可靠的理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞：水平井；鉆柱振動；共振；鉆柱失效；氣體鉆井鉆井參數(shù)
0 引言
水平井技術(shù)始于1928年，已成為一項非常有前途的油氣田開發(fā)、提高采收率的重要技術(shù)。水平井技術(shù)主要應(yīng)用于以下幾種油氣藏：薄層油氣藏、天然裂縫油氣藏、存在氣錐和水錐的油氣藏等。水平井技術(shù)是一項非常有潛力、有優(yōu)勢的新技術(shù)，但其風(fēng)險也較大，雖然水平井成功的例子很多，但是失敗的例子也不少[1]。水平井失敗的原因很多，其中鉆柱的失效是引發(fā)鉆井失敗的主要原因之一，通過井下隨鉆測量儀可以測出，鉆柱的振動很容易引起鉆柱失效。
氣體鉆井技術(shù)與水平井鉆井技術(shù)的結(jié)合能減少儲層的污染，增大儲層的暴露面積，是開發(fā)低滲透油田的先進(jìn)技術(shù)?？諝忏@水平井的鉆探工程中鉆柱的動態(tài)行為會對井眼軌跡產(chǎn)生很大的影響[2]，尤其是鉆柱處于共振狀態(tài)時，鉆柱很容易在短時間內(nèi)受到破壞。水平井曲率較大，鉆具工作條件惡劣，隨著鉆柱長度和受到摩阻的增加，鉆柱的剛度相對降低，鉆柱表現(xiàn)為復(fù)雜的動態(tài)行為。由于鉆柱振動對鉆井工程有很大的影響，國內(nèi)外很多學(xué)者和鉆井工作者對鉆柱的振動均進(jìn)行了研究，但對直井鉆柱振動的研究很多，對空氣鉆水平井等復(fù)雜情況的鉆柱振動的研究非常少。這里，對遼河盆地的一口氣體鉆水平井進(jìn)行了分析，分析了鉆井工程中鉆柱的各種振動。
1 水平井鉆柱振動的基本特性和ANSYS分析方法
1.1 鉆柱自然振動分析的基本方程
ANSYS是大型通用的有限元(FEA)軟件，在各個科學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。模態(tài)分析，是確定結(jié)構(gòu)振動的一種技術(shù)，如確定結(jié)構(gòu)的自然振動頻率、振型、振型的參數(shù)，模態(tài)分析技術(shù)廣泛應(yīng)用于評價系統(tǒng)的動態(tài)特性。用模態(tài)分析的鉆柱系統(tǒng)的運(yùn)動方程如下：
 
式中：[M]為質(zhì)量矩陣，kg；[C]為阻尼系數(shù)矩陣；[K]為剛度矩陣，N/m；｛u｝、｛ü｝、｛ü｝分別是鉆柱的位移向量、速度向量、加速度向量，單位分別為m、m/s、m/s-2；｛F(t)｝為作用力向量，N。
在氣體鉆水平井的鉆探工程中，鉆柱與井壁接觸的摩阻力對鉆柱的振動有很大的影響，阻尼會導(dǎo)致振動系統(tǒng)能量的消耗和振動的衰減。氣體鉆井過程中，產(chǎn)生阻尼力的原因很多，但主要由接觸摩擦產(chǎn)生。氣體鉆井井眼中的鉆柱與井壁的摩阻系數(shù)比使用鉆井液時的摩阻系數(shù)大很多，分析時不能忽略。
假定鉆柱為自由振動狀態(tài)，式(1)可簡化為：
 
式(2)為鉆柱系統(tǒng)自由振動時的動力方程。
鉆井的不同過程有不同的鉆具組合，鉆具的各個部分的單元矩陣有所不同，可是鉆柱的各個部分連接起來作為一個整體，全部節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)列陣重新分布疊加后能得到整體的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣及阻尼矩陣[3]，獲得鉆柱系統(tǒng)的各種振動的固有頻率。
根據(jù)鉆井工程中的實際情況，建立鉆柱的模型，ANSYS軟件能夠?qū)⑺⒌你@柱模型體系離散為有限個不同的單元，并將整個系統(tǒng)的方程轉(zhuǎn)換成一組線性聯(lián)立方程，從而利用多種方法對其求解[4]。
1.2 用ANSYS分析的基本步驟
分析前的準(zhǔn)備：運(yùn)行主菜單中的Preferences中的Structural結(jié)構(gòu)分析；鉆柱的單元類型為PIPE59，井口鋼絲繩的單元類型為combine14；建立鉆柱與井壁的接觸單元；對井口鋼絲繩和不同尺寸的鉆柱定義其相應(yīng)的實常數(shù)。首先，建立鉆柱系統(tǒng)模型：按實際情況建立鉆柱體系；定義屬性；分網(wǎng)。然后，求解：選擇分析類型modal(模態(tài)分析)；確定求解階數(shù)；約束井口處節(jié)點(diǎn)，所有自由度位移為0，按求解方式選擇系統(tǒng)自由度，包括：軸向、橫向、扭轉(zhuǎn)及耦合自由度；然后求解，可獲得所分析的鉆柱振動的規(guī)律[4]。
2 實例分析
以遼河盆地一口較深的氣體鉆水平井為例。鉆井工程中地層特點(diǎn)為：上部地層疏松，可鉆性很好，目的層以上地層大多屬于膠結(jié)較差、十分疏松的地層；儲層巖性包括礫巖、礫狀砂巖、中砂巖、不等粒砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖及泥質(zhì)粉砂巖。這里以鉆井過程中不同的井段為例進(jìn)行鉆柱振動分析。
2.1 直井段鉆井過程中鉆柱系統(tǒng)的振動
鉆井井段為202～910m，鉆具為鐘擺鉆具，鉆具組合為Ø311.1mm3A+托盤接頭+Ø197mm無磁鉆鋌1根+Ø203.2mm鉆鋌1根+Ø311mm穩(wěn)定器+Ø203.2mm鉆鋌1根+Ø311mm穩(wěn)定器+Ø178mm鉆鋌9根+Ø127mm鉆桿。
鉆井參數(shù)：鉆頭尺寸為Ø311.1mm；鉆壓為50～80kN；轉(zhuǎn)速為70～110r/min；排量為65L/s。
對建模后的直井段鉆柱進(jìn)行分析、求解，所獲得的直井段鉆柱振動的固有頻率如表1所示。
表1 直井段鉆柱的軸向和扭轉(zhuǎn)振動頻率表     Hz

階數(shù)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
軸向
0.22
3.68
6.18
8.74
11.40
14.00
16.70
19.50
22.20
25.00
扭轉(zhuǎn)
2×10-5
1.56
3.16
4.81
6.51
8.23
9.96
11.70
13.50
15.20

從表1可以看出，隨著階數(shù)的增加，鉆柱的軸向和扭轉(zhuǎn)振動頻率逐漸增加。鉆柱的軸向振動很容易發(fā)生，有時會很強(qiáng)烈。對三牙輪鉆頭，當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為73.6r/min(1.23Hz)時，鉆柱處于軸向共振狀態(tài)，容易出現(xiàn)跳鉆、鉆柱接頭斷裂等現(xiàn)象，所以轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速要避開這個值。其他共振頻率對鉆井危險不大。從表1還可以看出，扭轉(zhuǎn)共振是不能忽視的一種現(xiàn)象，當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為93.6r/min(1.56Hz)時，鉆柱處于強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)共振狀態(tài)，鉆柱會像一個扭動的擺，鉆頭會強(qiáng)烈擺動，鉆柱在短時間內(nèi)出現(xiàn)斷裂、井壁塌陷以及井眼偏離預(yù)計軌跡等，其他頻率扭轉(zhuǎn)共振可能性很小。
通過分析計算可知，直井段鉆井過程中，鉆柱系統(tǒng)的橫向振動和耦合振動頻率很小，但單根或幾根鉆桿的橫向振動頻率對鉆井影響很大，不可忽視[5]。
2.2 水平井段鉆井過程中鉆柱的振動
水平井段鉆井過程中，鉆柱穿過很薄的油氣層，稍有失誤，便造成很大的影響，嚴(yán)重時會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，鉆柱振動的鉆井影響是不可忽視的。
鉆井井段為1347～1541.89m；鉆具為導(dǎo)向組合：Ø215mm鉆頭+Ø165mm 1°15′單彎殼體+Ø195mm無磁穩(wěn)定器+Ø159mm無磁鉆鋌1根+MWD保護(hù)座+Ø159mm無磁鉆鋌1根+Ø210mm球形穩(wěn)定座+Ø127mm鉆桿(21～60)根+Ø127mmh加重鉆桿15根+Ø165mm震擊器+Ø127mm加重鉆桿15根+Ø159mm鉆鋌9根+Ø127mm鉆桿。
鉆井參數(shù)：鉆頭尺寸為Ø215.9mm；鉆壓為50～120kN；轉(zhuǎn)速為70r/min；排量為28L/s。
表2 水平井段鉆柱的各種自然振動頻率表    Hz

階數(shù)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
軸向
0.004
0.021
0.068
0.201
0.468
0.878
1.460
2.281
3.387
252.000
橫向
0.004
0.021
0.065
0.185
0.405
0.704
1.114
1.687
2.464
3.426
扭轉(zhuǎn)
0.143
1.237
3.587
7.994
14.860
24.570
38.090
56.260
75.330
135.700
耦合
0.402
0.699
0.701
1.106
1.107
1.650
1.652
2.338
2.342
3.166

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，水平井段近井底鉆具組合很容易發(fā)生各種形式的強(qiáng)烈的振動。對于軸向振動，如果使用三牙輪鉆頭，1.129Hz(67.74r/min)的轉(zhuǎn)速很容易使鉆柱發(fā)生以3.387Hz軸向共振，如果其他類型的鉆頭，1.460Hz(87.6r/min)的轉(zhuǎn)速是應(yīng)避開的；對于橫向振動，1.114Hz(66.84r/min)的頻率下橫向共振很容易發(fā)生，此時最大的橫向位移發(fā)生在接近井底的鉆柱；對于扭轉(zhuǎn)振動，1.237Hz比鉆井70r/min轉(zhuǎn)速略高，但也比較接近；耦合振動也是很有可能發(fā)生的一種現(xiàn)象，但往往被研究人員所忽視，1.107Hz頻率比轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速略低。從上面的振動頻率的數(shù)據(jù)來看，在此鉆井井段轉(zhuǎn)速為70r/min是非常合理的。
3 結(jié)論與建議
通過利用ANSYS對氣體鉆水平井鉆井工程中鉆柱自然振動的分析，提供了分析復(fù)雜情況下鉆柱振動問題的有限元方法，并獲得了如下結(jié)論與建議：
1) 在氣體鉆水平井鉆井工程中，鉆柱的各種振動對鉆井的影響不可忽視，直井段鉆井中，軸向和扭轉(zhuǎn)振動對鉆井的影響較大，鉆柱整體橫向和耦合振動對鉆井的影響很小，但數(shù)量很少的鉆桿的橫向共振很容易發(fā)生。
2) 在水平井段鉆井過程中，鉆柱可能發(fā)生各種形式的強(qiáng)烈的振動，包括耦合振動。在鉆井中可以作出預(yù)判，合理選擇鉆井參數(shù)就可以避開水平井在鉆井過程中鉆柱的共振現(xiàn)象。
參考文獻(xiàn)
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(本文作者：韓春杰 閻鐵 大慶石油學(xué)院電子科學(xué)學(xué)院)