钻柱托压效应的振动释放机理与特征

Fundamental theory on releasing high torque and drag of drill strings is an important theoretical projects in the oil drilling science field, and its breakthrough will promote modern drilling projects to reach the deeper, further goals at a faster speed. The new idea of using three-dimensional active mechanical excitation mode to release the high torque and drag effect is proposed. Firstly, the friction force and friction torque performance experiments are carried out by using the different excitation modes such as axial, circumferential, lateral and three-dimensional synthetic vibration, frequency and amplitude as well as the combination of the rod string with boreholes, finding out common characteristics among the experimental data. Some quantitative experimental equations about axial friction force and friction torque parameters are established. Next, theoretical results about the drill strings are corrected with experimental validation data in order to comprehensively analyze the characteristics of axial force, torque and spreading distance in the three-dimensional excitation experiments. Then, based on the evaluation parameters for describing the release effect, the mathematical models about spreading length and weight gained per meter are established with the relationship of operating parameters of the vibration sources. The intrinsic characteristics will be revealed about releasing high torque and drag effect by using mechanical vibration. This research will improve the preliminary studies by S. Hilling and M. Nagib, riching the basic theory of releasing the drilling string friction effect by mechanical vibrating methods.

钻柱托压效应是石油钻井科学领域中的重要基础理论课题，它的突破将推动现代钻井工程向更深、更远的目标快速钻进。本项目提出了利用3维主动机械激振方法释放托压效应的思想。（1）拟采用不同激振方式（轴向、周向、2维和3维振动等）、频率和振幅，对多组杆柱/井筒组合进行摩阻和扭矩性能的测试实验，聚类研究其共性，建立定量描述轴向摩擦力、周向摩擦扭矩等参数，与振动源工作参数之间的实验关系模型。（2）采用钻柱力学的理论计算结果与实验测试数据相验证的方法，全面分析3维激振条件下实验杆柱轴向力、扭矩、振动传播距离等物理量的变化规律。（3）以托压效应释放效果的评价参数为桥梁，构建有效传播长度、每米钻柱重量增量等参量与振动源工作参数之间的数学模型，揭示机械振动方法释放托压效应的内部规律。本项目是对S. Hilling和M. Nagib等人研究的深入，将促进振动释放钻柱托压基础理论的完善，有望获得国际领先的创新成果。

项目背景：托压效应是制约现代钻井工程向更深、更远的目标快速钻进的技术瓶径。本项目提出了一种利用主动机械激振方式释放托压效应的新思想。.主要研究内容：（1）3维激振形式下井下钻柱摩擦阻力变化特征的研究。（2）井下钻柱组合在3维激振状态下的动力学行为。（3）水平井岩屑的沉积特性及钻柱托压效应释放特性的数学建模。.重要结果：（1）相同钻压和钻柱转速条件下，井眼曲率半径、钻柱刚度和摩擦系数这3个参数对钻柱与井壁间摩擦阻力的影响最大；轴向摩擦阻力与水平段的长度呈线性关系；周向摩擦扭矩与钻柱外径尺寸呈3次幂关系。（2）功率相同的井下激振器，随着井斜角（β）增加，其减摩阻效率降低；宜按预计井斜角，划分为3种基本井型（β≤45°，45°-80°，80°-90°）分别进行钻柱的组配设计。（3）钻井岩屑的粒径分布主要与地层岩性、破岩工具和方法有关，呈现出3组典型分布规律。（4）岩屑颗粒呈现出不规则的片形和扁平状，其平均直径的概率计算值为0.91-9.27mm。（5）钻井岩屑颗粒属于可压缩度大、流动性能差、团聚性强、不规则性行为明显的特殊粉体。（6）主动激振频率为15-25Hz时，具有最佳的释放托压效果，可使井下钻柱轴向力的传递距离增加30-100%。.关键数据：（1）钻井岩屑颗粒沉积的第1临界井斜角为46.8°，第2临界井斜角为55.076°，与现场经验值吻合良好。（2）当井眼尺寸≤6”时，释放托压的推荐频率为25-26Hz；6”-121/4” 井眼时16-19Hz ；井眼≥121/4”时为12-15Hz。（3）本项目研制的三维水力激振源，在长庆钻井总公司2013年下井试验11井次，2014年下井使用10井次；平均井下工作寿命200小时以上；平均提高机械钻速30-41%，最高提速86.31- 100.96%。（4）有效地减轻了长水平段的托压现象，且不干扰MWD仪器工作，两年为长庆钻井总公司新增纯收入777.966万元。.科学意义：（1）探索出了一套利用主动机械激振源释放钻柱托压的新方法，成功应用21井次，验证了本项目原始创新的正确性。（2）获得了释放托压效应最佳激振频率为15-25Hz，揭示了主动激振源在钻柱中的传播特性，为深入研究奠定了理论基础。（3）获得了钻井岩屑颗粒直径的概率计算值及分布规律，相对Johnson P W (1991)最大颗粒直径的单参数方法，更具应用价值。