PDC钻头钻硬地层时钻铤的 扭 转 共 振

PDC钻头钻硬地层时钻铤的 扭 转 共 振 PDC钻头钻硬地层时钻铤的扭转共振 赵新瑞 张福志 编译 姜敬华 审校 摘要 钻油气井所遇地层的不均质性，需要对钻头进行选择，使之能够完全钻穿所遇的最难对付的层段。开发研制锋利钻头的关键是应更好地掌握导致钻头损坏的机理。大量现场试验数据明， 在PDC钻头钻遇某段硬地层时，钻头会遭到迅速损坏。通过检查发现，这些钻头齿的损坏是由振动而导致的。许多论述振动的文献均阐明，牙轮钻头和钻柱的粘附滑移所引起的轴向振动或PDC钻头的回旋是影响钻头性能之焦点。 扭转共振是另外一种类型的振动，它同样严重制约着在钻硬地层时PDC钻头的性能。 本文研究了钻柱粘附/滑移的动力学特性。试验证明，使用PDC钻头时，钻柱扭转共振会引起大幅度的谐 振，这在用PDC钻头钻硬地层时更明显。由此可引起切削齿后向滑移，这正是切削齿破坏的直接原因。 钻柱动力学结构模型 从1994年以来，在阿莫柯卡图萨试验现场,一直使用着一套井底钻柱动力学传感器,并记录了大量振动数据。 来自传感器的数据，提供了更好地了解井底钻柱振动的方法。固定在传感器上的计量器能记录三个相互垂直方 向的加速度。 Z轴加速度记录沿钻柱轴线方向的纵向加速度，X和Y轴加速度记录沿钻柱轴线方向的纵向加速 度， PDC钻头的回旋 反回旋情形是由旋转钻头与岩石间的摩擦所引起的，在钻头和环绕井眼的钻柱底边产生一个与钻柱转动方向相 反的旋进。钻头的回旋是由自身所引起,是由离心力推动回旋钻头靠近井壁,使所钻井眼的形状发生变化。一旦 钻头的回旋产生，只要钻头不断旋转，那么回旋就会一直持续下去不会停止，或直到具有其它的因素干扰钻头 与岩石的作用。钻头在一个圆形井眼回旋，回旋钻头的中心就形成一个环形轨迹，钻头上其它所有的受力作用 点,将在非环形轨道上移动。翼状PDC钻头的回旋,通常是由井底形状给予钻头的作用而引发,而不是井壁。 钻头回旋特性 钻头回旋有以下特性: (1)侧向加速度频率与旋转速度成正比。 (2)X与Y轴加速度振幅近似相等。 (3)侧向加速度和地层作用力与旋转速度的平方成正比。 (4)高向心力是由再生回旋条件产生的。 粘附/滑移 钻柱通常表现为由钻杆和钻铤组件所构成的扭摆。钻柱的粘附与滑移，很容易被现场钻井操作者认为是因几秒 内扭矩的变化所引起，并常常伴随着转速的变化。在某种情况下，钻头还会发生全停，然后再加速转动，这实 际上是扭摆作用的结果。 钻柱损坏可归结于两类:即钻柱损坏和钻头损坏。钻柱损坏是由异常(飓风式)高扭矩引起，尤其是在扭矩的 最大值大大超过上扣扭矩时.当钻柱粘附/滑移时,瞬时钻头旋转速度比地面所观察的旋转速度要快得多，从而 引起回旋在短期内持续并加剧。这时所产生的异常的高侧向力就会损坏PDC钻头切削齿。当粘附/滑移被充分 地加剧，PDC钻头切削齿的损坏会相当厉害, 当偶然遇到某种特定的机会，钻头会完全被蹩停，然后钻头会 迅速达到一个很高的转速, 远远地超过平均转速, 出现一个短期的使钻头产生回旋的理想条件。类似这种情形 的间歇回旋在实验室可观察到。 钻柱的粘附/滑移缘于沿钻柱低边各处的摩擦。 在某种情况下，它是简单的井壁摩擦，有别于钻柱离开井底的 摆动。在其他情况下，摩擦产生于钻头面与钻头保径接触面。在钻硬地层时，PDC钻头的粘附/滑移比牙轮钻 头更加普遍。 由于相互的消极作用常常取决于钻头旋转速度和扭矩，因此对PDC钻头来讲，其作用将更加明 显而糟糕。当钻头的旋转速度增大，扭矩变小，将开始并持续反馈出粘附/滑移的扭转振动。钻柱的粘附/滑移 取决于转速和钻压范围，其范围取决于钻柱所处的井眼、地层、钻柱及钻头性能。通常来讲，提高转速和减小 钻压，可减轻钻柱的粘附/滑移。钻柱的粘附/滑移，也可在旋转过程中使用专门的控制器使之减缓，此控制器 可改变旋转驱动装置所产生的能量，以干扰使振动加大的反馈条件。 粘附/滑移特性 钻柱的粘附/滑移在地面观察就很容易得到证实。但来自井底钻柱动态传感器瞬间的粘附/滑移变化就难以凭 肉眼观察到。因其频率太低，传感器取样时间太短。钻柱的粘附/滑移特性，可通过以下情形来表现: (1)频率与转速几乎是相互独立的。 (2)时间段应大于一分钟。 (3)钻头的最大瞬间转速是平均转速的几倍。 (4)每次持续较短时间的钻头回旋，均会引起钻头的加速。 (5)扭矩的变化周期可在钻台观察到。 钻井试验数据 几年前设计出的不同尺寸和品牌，用于钻穿上部有限厚度硬地层的PDC钻头, 在卡图萨(Catoosa)进行了钻 井现场试验。在试验中,只有一只钻头完全钻穿了密西西比灰岩层段,而金刚石切削齿也未发生灾难性损坏，这 是非常罕见的。 被称作“墙堵”的很坚硬的一段岩石, 其所处深度近1376英尺，以前均会引起PDC切削齿的 严重损坏，通过对此层段无数次的试验，证明其强度为40000到50000PSI，可以确定， 即使使用抗回旋钻头 也会引起钻头损坏。 在这个地区使用PDC钻头，并配置钻柱动态传感器已钻成了19口井。它是通过反复校对 来自井底传感器的数据,来确定这些瞬间数据是否能提供研究有关PDC切削齿损坏的情况。其中有一口井，在 1254英尺井深对钻头进行检查，钻头几乎是新的，当钻到1404英尺井深时再检查钻头，就有几个切削齿受到 损坏。在钻遇夹层前, 转速一直保持恒定120转/分，然后提高转速以加快钻速。钻柱动态传感器的峰值和平 均值表明，在密西西比灰岩顶部侧向加速度有所增大，在所钻的20英尺井段一直持续很高的数值。 Y轴平均 加速度比X、Z轴的加速度高得多。而X、Y轴的加速度峰值也很高。当钻遇一个很薄的硬夹层时，传感器记录 出这点的加速度是一个很强的谐和加速度，其数值为20.5Hz。X、Z轴加速度均不是很大, 因此说，能量与Y 轴的加速度密切相关。同时,钻柱之上的另外两点类似振动也被记录下来,当转速从116提高到119转/分时， 振动频率没变化;但X和Y轴加速度的数量级是非常不同的。振动频率不取决于转速，振动与回旋无关。高振 动频率表明，不是由钻柱的粘附/滑移引起。 解释这些加速度变化最合逻辑的直接理由是钻柱的扭转共振。为 证实引起振动的间接原因,需要计算钻柱动态传感器所对应的不同旋转速度的变化,还应该对比测量方法。一套 用于计算钻柱加速度、速度、位移和侧向力的计算机程序已投入使用，用来确定现场试验中，不同钻具组合的扭转共振频率。其结论是高振幅谐和加速度是由钻柱的扭转共振引起的。 钻头回旋与钻柱的扭转共振的最大区别是，当扭转共振在钻头轴线附近产生时，钻头回旋主要沿钻头侧向传递。扭转共振、线性加速度是与旋转半径平方的关系而增大的。但运动是沿周向的，因钻柱动态传感器靠近运动中心，钻头外径的线性加速度将比传感器测得的值要高得多。 反向旋转 一旦确定了从钻柱动态传感器观察到的振动是由钻柱的共振引起,那么就极有可能引起切削齿向后滑移，就应 该试图估测振动的破坏性，并确定其特性。 切削齿向后运动取决于振幅、频率的加速度和平均的转动速度。 钻 柱动态传感器的振幅表明，8 1/2”钻头保径齿每转一圈就会向后运移1/4”的距离。向前旋转时的受力作用 于金刚石层，并使其保持最强的压力。 然而向后旋转时，金刚石层处于受拉状态，其承拉能力较弱。用特殊 齿制作的PDC钻头进行试验,来观察反向旋转时对切削齿破坏情况。在Carthge灰岩中钻领眼，钻头是反向旋 转的。先加1000磅的钻压，有一个齿受到损坏;继续进行试验，钻压加至10000磅，却再没有齿受到损坏。 对坚硬砂岩又做了另一套试验，在试验中使切削齿损坏的钻压值是1000磅和3000磅。 总之，大面积的剥落 发生在与地层的接触点附近，这就应选择优质的切削齿， 并使这些齿在金刚石和碳化钨接触面间是非层状的， 以便减小应力，使得切削齿更加坚固牢靠。 结 论 1(在钻井使用PDC钻头时，钻柱扭转共振会引起大幅度的谐振。 2(当PDC钻头钻进硬地层时，钻柱的共振是很容易观察到的，而钻软地层时则不会发生共振。 3(钻头的设计似乎不影响钻柱共振的发生。 4(由钻柱的共振所引发的振幅加速度是随转速增大而增大。 5(钻柱的共振与滑移在有限已知数据中，表现出是相互独立的。 6(在卡图萨(Catoosa)钻井中，切削齿的损坏是与钻头的反转密不可分的。