鉆柱振動與沖擊抑制技術研究現狀（上）

在鉆井高難區域，大位移水平井、多分支水平井及側鉆水平井等特殊軌跡井得到了大量的應用。尤其在頁巖油氣鉆井中，必須采用水平井鉆井、旋轉導向等技術才能獲得工業開采量，而在這些復雜鉆井工藝和技術中用到的設備與地層動態接觸過程中必然產生各種振動與沖擊問題。

嚴重的鉆柱振動及沖擊對鉆鋌、隨鉆測井系統（LWD）、隨鉆測量系統（MWD）、隨鉆壓力溫度測量系統（PTWD）及鉆頭等昂貴鉆井設備帶來的危害尤為突出。據統計，每年因鉆柱振動和沖擊造成的非作業時間（NPT）占總NPT的25%，嚴重制約自動化鉆井的發展。因此，研究鈷柱振動與沖擊抑制技術十分有必要。

表現形式及評價方法

表現形式

鉆柱作為整個系統，其長細比大，剛度很小，易發生變形。將鉆柱振動和沖擊歸為3種基本形式：軸向（縱向）振動和沖擊、橫向振動和沖擊、周向（扭轉）振動，其中黏滑、渦動及沖擊是重點研究對象。鉆柱橫向沖擊不但對鉆柱自身傷害大，而且對井筒質量造成嚴重傷害。深水鉆井過程中立管與海水相互作用會產生渦激振動，渦激振動是一種特殊橫振，對立管產生很大傷害作用。3種基本形式發生的典型環境亦不同?？v振環境：堅硬地層、垂直井及牙輪鉆頭；扭振環境：堅硬地層、定向井及PDC鉆頭；橫振環境：交互地層，垂直井及水平井。

評價技術

控制鉆柱振動和沖擊前，首先要明確振動和沖擊形式、振動水平與井下工具動力失效的關系，即振動和沖擊的評價技術，評價技術主要解決鉆柱動力失效問題，失效表現在兩方面，—是激振頻率接近鉆柱固有頻率時發生共振，響應峰值接近或超過設備安全值使設備破壞。二是長期振動或反復沖擊使設備疲勞損壞。據統計，在所有失效井中，氣體鉆井占50%，鉆井液占16%。

評價技術是通過長期理論研究和測量技術形成的。鉆柱振動和沖擊評價技術有兩類，一類是根據斷裂力學和損傷力學建立鉆柱失效模型，預測鉆柱壽命。第一類評價方法預測的結果與實際相差很大。石油圈原創www.h29736.cn

第二類評價方法是實際測量法。即將實測振動和沖擊數據與觀察到的失效現象對比分析，歸納出動力失效范圍和經驗模型。測量裝置有多種安裝方式，按安裝位置分為井口、鉆柱及鉆頭，或者同時安裝多個傳感器（速度或加速度傳感器）。數據獲取方式主要為實時傳輸或存儲放大方法。

存儲放大法記錄頻率達650Hz，采樣頻率高至2000Hz，并且存儲數據量較大。傳輸方式可實時獲得井下數據，明確井下情況，但信號傳輸慢，時間延遲嚴重，存儲量較小。APS、BakerHughes、Halliburton及Schlumberger根據測量加速度值的均方根及經驗閥值制定了振動和沖擊評價標準。該標準建立在大量的實測數據基礎上，作業區準確度高，但適用范圍小。

系統研究振動和沖擊水平的評價技術的資料較少，幾大油服公司根據大量現場經驗確定公司作業區塊的標準。目前石油行業還沒有制定通用的振動和評價標準可供現場統一參考。

控制技術研究?

隨著井深增加和特殊工藝技術廣泛應用，鉆柱振動與沖擊帶來的動力失效越來越嚴重，目前已形成多種控制措施。按照其控制原理和控制工程領域知識將鉆柱振動和沖擊的控制方法分為被動控制、主動控制和半主動控制。石油圈原創www.h29736.cn

被動控制

鉆柱振動和沖擊的被動控制是指沒有任何外部能量供給控制系統，而是利用現有系統所形成的勢能供給控制力。早期采用的振動控制技術多屬被動控制技術，其措施有如下幾方面。

（1）防止諧振

防止鉆柱諧振是鉆柱被動控制中最早和最常用的方法。主要是建立數學模型，求解固有頻率，進行模態和諧振分析。從鉆具組合和激振源角度控制振動，要求出固有頻率，通過優選鉆井參數和改變鉆柱結構避開共振頻率。

Akinniranye G等對鉆壓、轉速和振動的關系進行系統研究和應用，并總結出重要關系，為控制鉆柱振動提供了基礎。

實踐表明，鉆柱振動時，在一定范圍內，通過監測系統調節優化鉆壓轉速等參數可找到合適的“鉆井甜點”防止鉆柱發生諧振降低振幅，但是鉆井參數只解決了振源激振頻率與固有頻率問題，如果過分調節參數，會影響鉆進效率。通過數學模型求出鉆柱固有特性，包括固有頻率和振型，該方法比較通用，但理論模型比較簡化，很難得到準確固有特性，不能完全消除振動和沖擊影響。

通過優化設計鉆具組合改變鉆柱固有頻率是另一方案。常用方法為調節穩定器數量及間距。新型BHA有兩點改進：去除動力鉆具中近鉆頭穩定器；將滾輪劃眼器由鉆鋌移到加重鉆桿。據RasGas和ExxonMobil統計分析：新型BHA能很好地控制鉆柱橫振和黏滑，平均效率和總進尺分別提高36%和15%。當鉆柱在超深井和氣體鉆井，鉆柱難控制，致使該法受到很大限制，需從新型工具入手。

（2）改變能量的分布

改變能量分布是從鉆柱系統邊界條件入手，通過在鉆柱上連接優化鉆頭、劃眼器及穩定器改變能量輸人和分布，鉆頭主要改變了軸向輸人力大小和形式，穩定器和劃眼器則改變了鉆柱側向接觸，包括鉆柱與井壁之間的距離及接觸力。首先從使用抗振鉆頭減小振源輸入能量入手。

ExxonMobil、Schlumberger等公司聯合研制了耐高溫抗振PDC鉆頭。其特點是：（1）優選6刀翼和16mm切削齒；（2）每個刀翼上采用主齒和副齒結構；（3）采用錐形結構。因該結構可抵抗地層摩擦力，同時可防止井眼產生嚴重狗腿度，減輕黏滑，這個摩擦力是鉆柱劇烈振動和失穩主因。

Baker Hughes針對傳統牙輪鉆頭鉆速（ROP）低；大尺寸PDC鉆頭和牙輪鉆頭扭矩和鉆壓??；在交互地層，扭矩大幅波動引起鉆具過早失效等問題研制了復合鉆頭，分為兩牙輪兩刀翼和三牙輪三刀翼兩種。試驗表明：該鉆頭在頁巖、塑脆性巖石中工作效率是牙輪鉆頭2?4倍，在墨西哥灣深水堅硬鹽結地層鉆速達到17m/h，淺層沉積巖段達37m/h；復合鉆頭有牙輪鉆頭滾動切削齒的穩定動力特性，與PDC鉆頭相比，扭振降低50%，黏滑和渦動大幅降低。該鉆頭研究工作在國內剛剛起步，其關鍵技術在鉆頭優化和適應性評價方法的建立。Schwefe T等研發一種抑制黏滑的鉆頭，主要控制切削齒深度（depth-of-cut，DOC），降低扭轉力。

第二種手段是在劃眼作業中采用可解耦的膨脹或變徑劃眼器。BakerHughes和Schlumberger研制一種同心可膨脹劃眼器。其原理是劃眼器膨脹開并緊緊地支撐到井壁上，鉆柱只產生很小彎矩，起到減振作用。常安裝在劃眼器以上9m左右。

實踐表明，在井斜角小于30°時，鉆井效率提高35%。井斜角小于20°時，鉆柱渦動和橫振降低26%。與雙心鉆頭配合使用抑振效果更好。其特點：（1）劃眼器上每個刀翼有兩排切削齒，目的是加固和耐磨，延長壽命。（2）采用欠尺寸保護塊，鉆進劃眼過程，中下部切削齒快速研磨井壁，使井壁光滑狗腿角減小緩解振動。（3）可更換保護塊和穩定塊，避免因“焊接熱效應”造成應力集中。在該方面，中國有比較成熟的技術。

第三種手段是鉆柱上安裝穩定器。National Oilwell Varco（NOV）針對連續油管作業和堅硬地層的劇烈黏滑和向渦，研制一種V型穩定器。該工具由兩片穩定翼組成V型非軸對稱結構，核心原理是鉆柱轉動產生向心力，當振動傳播到該穩定器時，干擾振動模態傳播。同時V型穩定器能誘發鉆柱前渦動（FSW），首次利用渦動提高鉆速。應用表明FSW發生率超過70%，鉆速提髙50%，黏滑降低75%。加之穩定器采用一體化設計，可防止井下工具脫落。

同心可膨脹穩定器是同心可膨脹劃眼器的改進，與可膨脹劃眼器相似，主要區別是穩定器將劃眼器側向切削齒替換成側向穩定塊，并且穩定塊上部有少量切削齒，穩定塊有雙斜面呈輻射狀分布，尖銳邊緣提高鉆井效率。NOV研制了一種近鉆頭穩定器。具有4個螺旋穩定翼，分為全封閉式和半封閉式。全封閉式結構可穩定鉆頭橫振，提高信號信噪比。半封閉式有助于巖屑排除和水力參數優化?？砂惭b回壓閥和振動記錄短節，現場鉆速提高20%。在國內現有參考資料中未見到上述穩定器，但結構并不復雜，應用效果較好，該技術應重點關注和深人研究。

第四種是深水鉆井中海水段鉆柱的被動控制。通過改變結構物表面形狀，或增加裝置改變結構物周圍的繞流場，影響旋渦形成、發展和脫落過程。被動控制方法可分3類：第一類是干擾卷吸層相互作用的近尾流穩定器，如飄帶、整流罩等；第二類是影響分離線或分離剪切層的表面突起，如軸向條板、翼片、半球面等；第三類是影響卷吸層的裹覆，如管套、絲網等；目前成功研制和應用較多的是螺旋條紋抑制和整流罩。改變能量分布手段經濟有效，簡單易行，但是設備的引人會增加鉆柱摩扭，制約鉆柱下人和高效鉆進，所以通過安防減振器吸收和釋放能量降低鉆柱位移和加速度響應幅度值，保護重要設備和維持鉆柱平穩工作是另一種有效方法。

（3）安裝減振器平衡或消耗振動能量

安裝減振器是被動控制中最有效的措施。Clayer F指出鉆柱振動峰值的高度和尖銳度主要取決于井壁及泥漿引起的阻尼。軸向減振器在工程中廣泛采用。

常用兩種，一種是彈簧式減振器，其核心組件為碟形彈簧。最佳壓縮行程為最大壓縮行程的10%?75%。核心原理是當鉆壓過大時，彈賛壓縮產生機械摩擦力將鉆壓吸收，當鉆壓過小時彈簧伸長釋放能量給鉆頭，整個過程鉆頭始終較平穩地與地層接觸。其安裝位置有兩處，一是靠近鉆頭，吸收近鉆頭處劇烈振動，延長鉆頭壽命；二是直接安在MWD和LWD下面，保護昂貴設備。其特點：接頭本體強度大，可耐231℃高溫，工作時間300h。降低井下沖擊載荷和BHA上的循環載荷。應用范圍廣，適用于定向鉆堅硬地層、水平鉆井、側鉆開窗、鉆穿套管鞋、井下劃眼擴眼及連續油管作業。

另一種是液壓減振器，其原理是通過改變液壓油的體積實現減振。Tomax針對深部堅硬和交互地層，井下鉆頭黏滑研制一種周向減振器，即防失速工具（Antistalltool，AST）。其核心原理是通過高強度扭轉彈簧將周向扭轉力轉換成周向彈簧壓縮能，進而降低扭振，平衡鉆頭切削深度，降低成本。AST安裝位置，一是盡量靠近鉆頭；二是滿足旋轉導向鉆井系統和傳感器測量需求，常安裝在MWD和劃眼器上方。據統計，Statoil公司在挪威海域應用該設備的進尺和鉆速分別提高15%和40%；BP在阿塞拜疆應用該工具將劇烈振動時間降低46%。

中國的軸向減振器技術較為成熟，但是在扭轉減振器方面研究較少，隨著井深增加，扭振成為研究重點，應加強這方面設備和技術的研究。

雖然該種被動控制效果最顯著，簡單、經濟，主要是考慮系統內部的能量分布，甚至消耗能量，但井下減振器參數范圍小，控制能力固定。鉆柱運動復雜，振動和沖擊劇烈變化，所以迫使工程師和科研工作者建立控制范圍大，參數靈活調節的主動控制方法。

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