气体钻水平井的钻柱振动分析

摘 要

摘要：在水平井的钻井过程中，钻柱处于复杂的运动状态，振动是一种常见的现象，钻柱的共振是卧发钻柱失效的主要原因之一。气体钻井过程中钻柱的动态响应很大，容易失效。以气体钻水平
摘要：在水平井的钻井过程中，钻柱处于复杂的运动状态，振动是一种常见的现象，钻柱的共振是卧发钻柱失效的主要原因之一。气体钻井过程中钻柱的动态响应很大，容易失效。以气体钻水平井的钻柱为研究对象，利用ANSYS软件分析了钻柱的轴向振动、横向振动、扭转振动及耦合振动，建立了钻柱各种振动的模型；通过实例分析获得了钻柱振动的规律，得到了水平井钻井过程中钻柱各种共振频率。该项研究为减少水平井钻具受损、优化钻井参数、避免钻柱共振提供了可靠的理论依据。
关键词：水平井；钻柱振动；共振；钻柱失效；气体钻井钻井参数
0 引言
水平井技术始于1928年，已成为一项非常有前途的油气田开发、提高采收率的重要技术。水平井技术主要应用于以下几种油气藏：薄层油气藏、天然裂缝油气藏、存在气锥和水锥的油气藏等。水平井技术是一项非常有潜力、有优势的新技术，但其风险也较大，虽然水平井成功的例子很多，但是失败的例子也不少[1]。水平井失败的原因很多，其中钻柱的失效是引发钻井失败的主要原因之一，通过井下随钻测量仪可以测出，钻柱的振动很容易引起钻柱失效。
气体钻井技术与水平井钻井技术的结合能减少储层的污染，增大储层的暴露面积，是开发低渗透油田的先进技术。空气钻水平井的钻探工程中钻柱的动态行为会对井眼轨迹产生很大的影响[2]，尤其是钻柱处于共振状态时，钻柱很容易在短时间内受到破坏。水平井曲率较大，钻具工作条件恶劣，随着钻柱长度和受到摩阻的增加，钻柱的刚度相对降低，钻柱表现为复杂的动态行为。由于钻柱振动对钻井工程有很大的影响，国内外很多学者和钻井工作者对钻柱的振动均进行了研究，但对直井钻柱振动的研究很多，对空气钻水平井等复杂情况的钻柱振动的研究非常少。这里，对辽河盆地的一口气体钻水平井进行了分析，分析了钻井工程中钻柱的各种振动。
1 水平井钻柱振动的基本特性和ANSYS分析方法
1.1 钻柱自然振动分析的基本方程
ANSYS是大型通用的有限元(FEA)软件，在各个科学领域得到了广泛应用。模态分析，是确定结构振动的一种技术，如确定结构的自然振动频率、振型、振型的参数，模态分析技术广泛应用于评价系统的动态特性。用模态分析的钻柱系统的运动方程如下：
 
式中：[M]为质量矩阵，kg；[C]为阻尼系数矩阵；[K]为刚度矩阵，N/m；｛u｝、｛ü｝、｛ü｝分别是钻柱的位移向量、速度向量、加速度向量，单位分别为m、m/s、m/s-2；｛F(t)｝为作用力向量，N。
在气体钻水平井的钻探工程中，钻柱与井壁接触的摩阻力对钻柱的振动有很大的影响，阻尼会导致振动系统能量的消耗和振动的衰减。气体钻井过程中，产生阻尼力的原因很多，但主要由接触摩擦产生。气体钻井井眼中的钻柱与井壁的摩阻系数比使用钻井液时的摩阻系数大很多，分析时不能忽略。
假定钻柱为自由振动状态，式(1)可简化为：
 
式(2)为钻柱系统自由振动时的动力方程。
钻井的不同过程有不同的钻具组合，钻具的各个部分的单元矩阵有所不同，可是钻柱的各个部分连接起来作为一个整体，全部节点的坐标列阵重新分布叠加后能得到整体的质量矩阵、刚度矩阵及阻尼矩阵[3]，获得钻柱系统的各种振动的固有频率。
根据钻井工程中的实际情况，建立钻柱的模型，ANSYS软件能够将所建立的钻柱模型体系离散为有限个不同的单元，并将整个系统的方程转换成一组线性联立方程，从而利用多种方法对其求解[4]。
1.2 用ANSYS分析的基本步骤
分析前的准备：运行主菜单中的Preferences中的Structural结构分析；钻柱的单元类型为PIPE59，井口钢丝绳的单元类型为combine14；建立钻柱与井壁的接触单元；对井口钢丝绳和不同尺寸的钻柱定义其相应的实常数。首先，建立钻柱系统模型：按实际情况建立钻柱体系；定义属性；分网。然后，求解：选择分析类型modal(模态分析)；确定求解阶数；约束井口处节点，所有自由度位移为0，按求解方式选择系统自由度，包括：轴向、横向、扭转及耦合自由度；然后求解，可获得所分析的钻柱振动的规律[4]。
2 实例分析
以辽河盆地一口较深的气体钻水平井为例。钻井工程中地层特点为：上部地层疏松，可钻性很好，目的层以上地层大多属于胶结较差、十分疏松的地层；储层岩性包括砾岩、砾状砂岩、中砂岩、不等粒砂岩、细砂岩、粉砂岩及泥质粉砂岩。这里以钻井过程中不同的井段为例进行钻柱振动分析。
2.1 直井段钻井过程中钻柱系统的振动
钻井井段为202～910m，钻具为钟摆钻具，钻具组合为Ø311.1mm3A+托盘接头+Ø197mm无磁钻铤1根+Ø203.2mm钻铤1根+Ø311mm稳定器+Ø203.2mm钻铤1根+Ø311mm稳定器+Ø178mm钻铤9根+Ø127mm钻杆。
钻井参数：钻头尺寸为Ø311.1mm；钻压为50～80kN；转速为70～110r/min；排量为65L/s。
对建模后的直井段钻柱进行分析、求解，所获得的直井段钻柱振动的固有频率如表1所示。
表1 直井段钻柱的轴向和扭转振动频率表     Hz

阶数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
轴向
0.22
3.68
6.18
8.74
11.40
14.00
16.70
19.50
22.20
25.00
扭转
2×10-5
1.56
3.16
4.81
6.51
8.23
9.96
11.70
13.50
15.20

从表1可以看出，随着阶数的增加，钻柱的轴向和扭转振动频率逐渐增加。钻柱的轴向振动很容易发生，有时会很强烈。对三牙轮钻头，当转盘转速为73.6r/min(1.23Hz)时，钻柱处于轴向共振状态，容易出现跳钻、钻柱接头断裂等现象，所以转盘转速要避开这个值。其他共振频率对钻井危险不大。从表1还可以看出，扭转共振是不能忽视的一种现象，当转盘转速为93.6r/min(1.56Hz)时，钻柱处于强烈的扭转共振状态，钻柱会像一个扭动的摆，钻头会强烈摆动，钻柱在短时间内出现断裂、井壁塌陷以及井眼偏离预计轨迹等，其他频率扭转共振可能性很小。
通过分析计算可知，直井段钻井过程中，钻柱系统的横向振动和耦合振动频率很小，但单根或几根钻杆的横向振动频率对钻井影响很大，不可忽视[5]。
2.2 水平井段钻井过程中钻柱的振动
水平井段钻井过程中，钻柱穿过很薄的油气层，稍有失误，便造成很大的影响，严重时会带来巨大的经济损失，钻柱振动的钻井影响是不可忽视的。
钻井井段为1347～1541.89m；钻具为导向组合：Ø215mm钻头+Ø165mm 1°15′单弯壳体+Ø195mm无磁稳定器+Ø159mm无磁钻铤1根+MWD保护座+Ø159mm无磁钻铤1根+Ø210mm球形稳定座+Ø127mm钻杆(21～60)根+Ø127mmh加重钻杆15根+Ø165mm震击器+Ø127mm加重钻杆15根+Ø159mm钻铤9根+Ø127mm钻杆。
钻井参数：钻头尺寸为Ø215.9mm；钻压为50～120kN；转速为70r/min；排量为28L/s。
表2 水平井段钻柱的各种自然振动频率表    Hz

阶数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
轴向
0.004
0.021
0.068
0.201
0.468
0.878
1.460
2.281
3.387
252.000
横向
0.004
0.021
0.065
0.185
0.405
0.704
1.114
1.687
2.464
3.426
扭转
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

从表2中数据可以看出，水平井段近井底钻具组合很容易发生各种形式的强烈的振动。对于轴向振动，如果使用三牙轮钻头，1.129Hz(67.74r/min)的转速很容易使钻柱发生以3.387Hz轴向共振，如果其他类型的钻头，1.460Hz(87.6r/min)的转速是应避开的；对于横向振动，1.114Hz(66.84r/min)的频率下横向共振很容易发生，此时最大的横向位移发生在接近井底的钻柱；对于扭转振动，1.237Hz比钻井70r/min转速略高，但也比较接近；耦合振动也是很有可能发生的一种现象，但往往被研究人员所忽视，1.107Hz频率比转盘转速略低。从上面的振动频率的数据来看，在此钻井井段转速为70r/min是非常合理的。
3 结论与建议
通过利用ANSYS对气体钻水平井钻井工程中钻柱自然振动的分析，提供了分析复杂情况下钻柱振动问题的有限元方法，并获得了如下结论与建议：
1) 在气体钻水平井钻井工程中，钻柱的各种振动对钻井的影响不可忽视，直井段钻井中，轴向和扭转振动对钻井的影响较大，钻柱整体横向和耦合振动对钻井的影响很小，但数量很少的钻杆的横向共振很容易发生。
2) 在水平井段钻井过程中，钻柱可能发生各种形式的强烈的振动，包括耦合振动。在钻井中可以作出预判，合理选择钻井参数就可以避开水平井在钻井过程中钻柱的共振现象。
参考文献
[1] 王家宏.中国水平井应用实例分析[M].北京：石油工业出版社，2003.
[2] 邹海洋，狄勤丰，姚建林，等.气体钻井钻柱失效机理研究[J].石油钻探技术，2008，36(3)：55-58.
[3] 韩春杰，阎铁.大位移井钻柱振动规律研究与应用[J].天然气工业，2006，26(5)：72-74.
[4] 李卫民，杨红义，王宏祥，等.ANSYS工程结构实用案例分析[M].北京：化学工业出版社，2007.
[5] 韩春杰，阎铁，毕雪亮，等.深井钻柱振动规律的分析与应用[J].天然气工业，2005，25(9)：76-79.
 
(本文作者：韩春杰 阎铁 大庆石油学院电子科学学院)