石油定向井振動減阻工具安放位置優化設計與應用

米飛

（中國石油大慶鉆探工程公司，吉林松原 138000）

在石油領域開展定向鉆井過程中，鉆柱沿著軸向不可避免地會產生摩擦阻力。如果阻力過大，可能導致鉆柱出現屈曲、拖壓等問題，對鉆進過程造成不良影響，還會對鉆井效率產生影響，增加施工成本。為避免出現以上問題，可以在鉆柱上安裝軸向振動減阻工具，振動裝置可以產生低幅、低頻的軸向振動，驅動鉆柱發生振動，避免鉆柱工作時產生靜態摩擦和扭轉振動，可以有效解決拖壓問題。振動減阻工具的安放位置會對其振動效果產生非常明顯的影響，如何確定減阻工具的安放位置，需要綜合考慮多方面因素進行確定。本文對定向井振動減阻工具的安放位置進行了優化設計研究，并將其部署到工程實踐中，取得了良好的效果。

1 振動減阻工具主要結構

1.1 主要結構

研究的振動減阻工具是一種水力振蕩器，具體型號為SLZDQ172，圖1所示為振動減阻工具的整體結構示意圖，整體的外形直徑和長度分別為172 mm和5.5 m，總量為600 kg。由圖可知，水力振動裝置主要由三部分構成，分別為振蕩短節、動力短節和盤閥短節。動力短節由一個1:2的液壓馬達構成，盤閥短節由上下盤閥構成，其中上盤閥可以在外界的驅動下作旋轉運動，下盤閥固定不動。振蕩短節主要由蝶簧、密封組件、活塞、花鍵心軸、防掉短節等部分構成。

圖1 振動減阻工具整體結構

1.2 工作原理

液壓馬達工作時可以將液壓能進行轉換，隨之成為旋轉機械能，驅動盤閥短節中的上盤閥作旋轉運動，下盤閥固定不動。兩個盤閥由于一個固定，一個作旋轉運動，因此兩個盤閥會作周期性的重合和錯開。當兩個盤法完全重合時，液體流經盤閥時的面積最大，壓力降最小。相反，若兩個盤閥完全錯開時，液體流經盤閥時的面積最小，壓力降最大。液體的壓力變化會傳遞到振蕩短節中，短節中的碟簧不斷地存儲然后釋放能量，使整個裝置產生周期性的振動。

2 振動減阻工具安放位置優化設計

2.1 安放位置對有效振動長度的影響

將鉆柱假設為單一鉆桿，使用材料的彈性模量和密度分別為210 GPa和7850 kg/m3，鉆柱的內徑和外徑尺寸分別為108.6 mm和127 mm，井眼直徑為215.9 mm。將管柱的長度設置為1000 m，接觸面剛度、沖擊頻率、鉆進液密度分別為1.68×105 N/m、10 Hz、1200 kg/m3。利用MATLAB軟件計算振動減阻工具安裝在不同位置時的有效振動長度，結果圖2所示。

圖2 振動減阻工具安裝位置對有效長度的影響

由圖可知，安裝位置靠近鉆頭部位時，有效振動長度幾乎可以忽略不計，此時的減阻效率幾乎為0。出現這種情況的原因在于當減阻工具與鉆頭比較靠近時，工具的振動效果會受到鉆頭的制約，無法達到理想效果，工具向下傳遞的能量會被鉆頭消耗。當振動減阻工具與鉆頭位置逐漸拉長時，有效振動長度隨之不斷增加，意味著減阻效率隨之增加。但當安裝位置增加到一定程度后，有效振動長度基本保持穩定，不再繼續增加。

2.2. SLZDQ172型安防位置確定

以上分析了振動減阻工具安裝位置對有效振動長度的影響規律，以下詳細分析SLZDQ172水力振蕩器的安放位置。該水力振蕩器正常工作時的頻率及沖擊力大小依次為15 Hz和50 kN，根據鉆桿的實際情況，利用MATLAB軟件建立模型研究了井斜角在30°～90°范圍，管柱直徑尺寸分別為114.3 mm、127 mm、139.7 mm時的有效振動長度和減阻量。計算時相關參數取值與上文相同。

圖3所示為不同工況時的有效振動長度和減阻量。圖（a）顯示的是井斜角對有效振動長度的影響規律，可見隨著井斜角的不斷增加，有效振動長度隨之不斷降低，且管柱直徑不同時有效振動長度的演變規律呈現出一定的差異，當直徑為139.7 m時，降低幅度最大。對比圖中三條曲線可以發現，在相同井斜角的情況下，管柱直徑越大，有效振動長度越低。圖（b）顯示的是井斜角對減阻量的影響規律，可以看出隨著井斜角的不斷增加，減阻量隨之不斷增加，且當管柱直徑不同時，增加的幅度差異相對較小。對比三條曲線可以發現，當管柱直徑為114.3 mm、139.7 mm時，相同井斜角情況下，對應的減阻量差異較小，而當管柱直徑為127 mm減阻量比另外兩種情況較小。上圖明確了SLZDQ172水力振蕩器在不同工況條件下的有效振動長度和減阻量，實際應用時可以根據該結果合理確定有效振動長度，進而確定振動減阻工具的安放位置。

圖3 不同工況時的有效振動長度和減阻量

3 定向井振動減阻工具的實踐應用分析

3.1 工程概述

以下以某石油定向鉆井過程為例進行分析，確定SLZDQ172水力振蕩器的安放位置。該定向井的深度和斜角分別為2600 m和59°，設計的工作排量和泵壓依次為28 L/min和14 MPa。圖4所示為定向井的井身結構，圖中顯示了不同位置井眼、套管以及水泥封固段的尺寸。根據排量28 L/min和管柱尺寸127 mm，結合圖3（a）可以確定在使用振動減阻工具的情況下，對應的有效振動長度為98 m，基于此可確定有效振動范圍為49 m，即將振動減阻工具安裝在與鉆頭相距49 m范圍以內時才是有效的。結合圖3（b）可知在此工況條件下的理論減阻量是13.5 kN。

圖4 定向井的井身結構

3.2 應用效果分析

根據理論分析結果，將振動減阻工具安裝在與鉆頭相距48 m的位置，在使用振動減阻工具的情況下開始對定向井進行處理。將泵壓設置為10 MPa，鉆進至深度1800 m，然后將泵壓設置為12 MPa，循環排量設置為28 L/min，轉盤轉動速度設置為35 r/m，按正常速度鉆進，直到深度為2600 m。整個過程對相關數據進行準確記錄。

將結果與同井同層位的鉆井數據進行對比。結果發現，未使用振動減阻工具前，鉆進時鉆壓大約在30～50 kN范圍內，機械轉速分別為7.05 m/hr，而使用工具以后，鉆進時鉆壓大約在40～60 kN范圍，機械轉速增加到了11 m/hr?？梢娡ㄟ^使用振動減阻工具可以在一定程度上增加鉆進時的鉆壓，增加量為10 kN左右，機械轉速的提升幅度達到了56%，達到了預期效果。定向井鉆井效率的提升意味著能在一定程度上縮短施工周期，降低施工成本，初步估計，振動減阻工具的成功實踐應用，每口定向井可以節省100萬元左右，經濟效益顯著。

4 結論

以定向井鉆進中使用的SLZDQ172型水力振蕩器為例，分析了工具安放位置對鉆進過程的影響情況，所得結論主要有：水力振蕩器整體上由三大部分構成，即振蕩短節、動力短節和盤閥短節，工作時可以驅動鉆柱沿軸向發生振動，提升鉆進效率；分析振動減阻工具安放位置對有效振動長度的影響規律，發現隨著工具與鉆頭距離的逐漸增大，有效振動長度隨之不斷增加，然后保持穩定；將SLZDQ172水力振蕩器應用到工程實踐中，根據實際參數確定安裝位置距離鉆頭48 m，通過數據對比發現取得了良好的效果，機械轉速提升了56%，每口定向井可以節省100萬元左右。