气体钻井钻具减振器的研制及现场试验.pdf

第 4 O卷 第 4期 2 O 1 2年 7月 石 油 钻 探4 * - 术 PETR I EUM DRI LLI NG TECHNI QUES Vo i ． 4 0 No ． 4 J u 1 ．， 2 O 1 2 钻采机械 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 0 8 9 0 ． 2 0 1 2 ． 0 4 ． 0 2 4 气体钻 井钻 具减 振器 的研 制及现场试验 王希勇 ，蒋祖军 ，练章华 1 ． 中国石化西南 油气分公 司工程技术研究 院， 四川德 阳 6 1 8 0 0 0 ； 2 ． 油气藏地质及开发 国家重点实验室 西南石油大学 ， 四川成都 6 1 05 0 0 摘要 为有效缓解气体钻井钻具频繁振动带来的钻具疲劳损坏， 根据可压缩性硅油体积变形减振为主， 硅油 流过 阻尼缝 隙的阻尼减振为辅 的研制思路 ， 研制 出了适 用于气体钻 井的 KP L 2 2 9型减振 器 。对加入 KP L 2 2 9型减 振器钻具组合的有限元分析表明， 加入 KP L 2 2 9型减振器后 ， 钻具受到相同轴向冲击力作用的应力水平降低。现 场试验表明， 在气体钻井时， 与来应用 KP L 2 2 9型减振器的井相比， 扭矩不但得到降低 ， 而且波动幅度很 小； 钻时由 5 --4 0 mi n ／ m降至 5 ～9 r n i n ／ m； 单只钻头的进尺得到提高， 其磨损程度降低。由有限元分析及现场试验结果可知， 气体钻井时应用 K P L 2 2 9 型减振器， 不但可以降低振动对钻具的损伤， 延长钻具的使用寿命， 而且可以增强气体钻 井的提速 效果。KP L 2 2 9型减振 器为预 防气体钻井时 因振动造 成的钻 具失效或 断裂提供 了一种 新的解 决途 径， 同 时可以利 用振 动能量辅助破 岩 。 关键词 气体钻井 钻具减振器 钻具事故 中图分类号 T E 9 2 1 。 。 ． 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 2 0 4 0 1 1 9 0 4 De v e l o p me nt a n d Fi e l d Te s t o f S ho c k Ab s o r be r i n Ga s Dr i l l i n g To o l Wa n g X i y o n g ， J i a n g Z u j u n ， L i a n Z h a n g h u a 2 1 ． En g i n e e r i n g T e c h n o l o g y I n s i t i t u t e o f S o u t h we s t Br a n c h， S i n o p e c ， De y a n g， S i c h u a n ， 6 1 8 0 0 0 ， C h i n a ； 2 ． S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Oi l a n d G a s G e o l o g y a n d E x p l o r a t i o n， S o u t h we s t Pe t r o l e u m U n i v e r s i t y， Ch e n g d u， Si c h u a n， 6 1 0 5 0 0， C i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o e f f e c t i v e l y a l l e v i a t e f a t i g u e d a ma g e c a u s e d b y f r e q u e n t v i b r a t i o n i n g a s d r i l l i n g， KPL2 2 9 t y p e Dr i l l i n g To o l Ab s o r b e r DTA h a s b e e n d e v e l o p e d a c c o r d i n g t o t h e c o mp r e s s i b l e a n d d a mp i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f s i l i c o n e o i l ． Th e s t r e s s l e v e l c a u s e d b y d r i l l i n g t o o l s h o c k h a s b e e n r e d u c e d wi t h t h e u s e o f KPL2 2 9 t y p e DTA t h r o u g h f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s ． Th e f i e l d t e s t u s i n g KPL 2 2 9 t y p e DTA h a s s h o wn t h a t b o t h t o r q u e a n d s h o c k a mp l i t u d e a r e r e d u c e d ． Th e d r i l l i n g t i me h a s s h o r t e n e d f r o m 5 - 4 0 mi n ／ m t o 5 - 9 mi n ／ m ， t h e f o o t a g e o f s i n g l e b i t i s i mp r o v e d ， t h e b i t i s n o t wo r n s e r i o u s l y ． Th e r e s u l t s o f f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s a n d f i e l d t e s t s h o w t h a t u s i n g KPL2 2 9 t y p e DTA c a n n o t o n l y r e d u c e t h e s h o c k d a ma g e o f d r i l l s t e m， b u t a l s o i mp r o v e t h e r a t e o f p e n e t r a t i o n i n g a s d r i l l i n g， a n d i mp r o v e t h e s e r v i c e l i f e o f d r i l l i n g t o o l s ．Us i n g KPL2 2 9 t y p e DTA p r o v i d e s a n e w s o l u t i o n f o r t h e p r e v e n t i o n o f t o o l f a i l u r e c a u s e d b y s h o c k i n g a s d r i l l i n g ． At t h e s a me t i me ， t h e e n e r g y o f v i b r a t i o n c a n b e u s e d t o b r e a k r o c k ． Ke y wo r d s g a s d r i l l i n g； d r i l l i n g t o o l a b s o r b e r ； d r i l l i n g t o o l f a i l u r e 元坝地区陆相地层厚达 5 0 0 0 m， 上部地层井 眼尺寸大、 钻速慢制 约 了该地 区的勘探开发 进程。 由于气体钻井技术 能够 提高钻井速度 ， 该技术成为 了该地区上部陆相地层 提高钻井速度 的有效技术。 但与常规钻井相比， 气体钻井 由于没有钻井液的黏 滞阻尼对钻具的缓 冲， 钻具纵 向和周 向振动 比较严 重 ， 钻具承受的交变应力和扭矩变化较大 ， 容易造成 收稿 日期 2 0 1 卜O 8 一 l 1 ； 改 回日期 2 0 1 2 - 0 4 2 6 。 作者简介 王希 勇 1 9 7 4 一 ， 男， 四川绵 阳人 ， 1 9 9 8年 毕业 于西 南石油学院石油工程专业， 2 0 0 5年获西南石油大 学油气储 运工程 专 业博士学位 ， 高级工程师 ， 主要从事钻井技术研究和科研管理工作。 联系方式 0 8 3 8 2 5 5 0 3 8 5 ， wx y o n g l 3 l 1 6 3 ． C O II 1 。 基金项 目 国家科技重大专项“ 低渗 油气田高效开发钻 井技术 ” 课 题 5 “ 低渗气藏复杂地层 高效钻井关键技术” 编号 2 0 1 1 Z X 0 5 0 2 2 0 0 5 部 分研 究成 果。 石 油 钻 探 技 术 钻具断裂失效E ， 导致后续施工复杂化 ， 甚至原井 眼报废的情况也时有发生[ 8 。 。 。 。国内外在常规钻井 过程中常用的减振器多为液压式减振器和弹簧式减 振器， 而液压式和弹簧式减振器主要是减少纵 向振 动 ， 不能减少周向振动 。虽然双 向液压减振器具有 同时减缓或消除钻柱纵向和周 向振动的双重作用， 但该类减振器存在使用寿命较短及制造成本高等缺 点[ 1 。为此 ， 研 制 出 了一 种 适 用 于 气 体 钻 井 的 KP L 2 2 9型减振器。 1 K P L 2 2 9型减振器的结构及特点 1 ． 1 基本结构 针对 常规减振器减振方式单一的缺陷 ， 提出了 以可压缩性硅油体积弹性变形减振为主、 硅 油流过 阻尼缝隙的阻尼减振为辅 的研制思路 ， 并研制 出了 KP L 2 2 9 型气体钻井减振器 。 KP L 2 2 9型气体钻井减振器 主要 由花键 心轴、 限位螺母、 上密封接头、 花键外筒、 下油缸外筒、 下部 心轴和下接头组成 见图 1 ， 花键心轴和下部 心轴 组成其内部运动部分 ， 上密封接头、 花键外筒 、 下油 缸外筒和下接头组成其外部运动部分。 1 ． 2 工作原 理 在气体钻井中， 当钻柱振动使减振器受压时 ， 来 自地层与钻头的冲击载荷传递到下接头 ， 下接头推 动下油缸外筒 、 花键外筒 和上密封接头整个外壳 向 上运动。在此过程中， 外壳 与心轴之间的液压油缸 1 2 3 4 5 6 7 图 1 KP L 2 2 9型钻具减振器结构 Fi g ．1 S t r u c t u r a l s ke t c h o f KPL22 9 t yp e DTA 1 ．花键心轴； 2 ．限位螺母 ； 3 ．上密封接头 ； 4 ． 花键外筒 ； 5 ．下油缸外筒 ； 6 ．下部心轴 ； 7 ．下接 头 腔体容积变小 ， 二 甲基硅油受到压缩而发生 弹性变 形 以达到弹性减振 的目的。由心轴分割而成 的上下 两个腔室之间由于压缩， 二 甲基硅油将流经 内外花 键之间形成的阻尼流道 ， 由于流道狭长 ， 此时的阻尼 流也会起到减振作用 。当钻柱振动使减 振器拉伸 时 ， 储存在硅油 中的弹性能得到释放 ， 能量通过下接 头传递给钻头 ， 起辅助破岩作用。 1 ． 3 技术特点 1 结构简单 ， 容易制造 ， 可拆分 ， 易于维护。 2 花键心轴与上接头间设计有限位螺母 ， 起限 位和防止上接头与工具外壳直接碰撞 的作用 ； 若限 位螺母损坏 ， 也可轻易更换 。 3 内外花键配合处设计有阻尼流道， 二甲基硅油 由于压缩流经狭长阻尼流道时， 起吸能和减振作用。 4 将心轴设计成花键心轴和下部心轴 2部分 ， 缩短了各 自的长度 ， 使花键和心轴易于加工 ， 并且起 防止外壳掉落的作用 。 1 ． 4 主要参数 长度 3 8 3 5 ． 0 mm， 外径 2 2 9 ． 0 mm， 水 眼直径 7 6 ． 2 mm， 行程 1 2 0 ． 0 mm， 注油体积 1 8 L ， 注油类 型 2 0 1 甲基硅油 ， 推荐钻压 6 0 41 2 0 k N。 2 KP L 2 2 9 型减振器有限元分析 为了验证 KP L 2 2 9型减振器的减振效果 ， 对有 、 无减振器的下部钻具组合进行 了有限元分析 。有 K P L 2 2 9型减振器钻具组合的有限元模型如图 2所 示。设定减振器的弹性 刚度 ， 在下部稳定器施加随 时间变化的轴向冲击力 如 图 3所示 ， 在有 限元模 型的基础上去掉减振器， 对 比分析有 、 无减振器情况 下的钻柱受力 ， 结果见 图 4 。 稳 定 器 2 稳 定 器 1 图 2 K P L 2 2 9 型减振 器效果分析有限元模型 Fi g ． 2 Fi ni t e e l e me nt mo de l f o r a na l y z i ng t he e f f e c t o f KPL2 29 t y peDTA 第 4 0卷第4期 王希勇等． 气体钻井钻具减振器的研制及现场试验 J 2 图 3 气体钻 井钻具组合轴 向冲 击作 用力 Fi g ． 3 Ax i a l i m p a c t f o r c e c a u s e d b y g a s - d r i l l i ng BHA a 有减振器 b 无减振器 图 4 下部钻铤在有无减振器情 况下的应 力分布 Fi g ． 4 St r e s s di s t r i b ut i o n o f dr i l l c ol l a r wi t h o r wi t h ou t DTA 从图 4可以看出， 有减振器时， 钻柱在受相同轴 向冲击力作用下 的应力水平较低。这表 明， 减振器 能减小钻具所受交变应力 的变化 幅度 ， 从而 降低钻 具失效的概率， 有利于钻具在气体钻井 中长期安全 服役 。 减振器在轴 向冲击力作用下 ， 筒 内二甲基硅油 吸收冲击力被压缩 ， 花键心轴与外筒产生相对位移 ， 其位移大小即行程如 图 5所示 。从 图 5可见 ， 钻具 减振器在 2 5 0 k N冲击力作用下的行程为7 5 mm， 在 设计最大行程范围内， 随着冲击力变化而变化 。 图 5 钻具减振器 行程随时间的变化 曲线 Fi g ． 5 St r o ke V S ．t im e c u r v e ofDTA 3 现场试验 3 ． 1 试 验概 况 在元坝地 区 YL 3 0 1 H 井 ≠ 4 0 6 ． 4 mm井段进行 了 KP L 2 2 9型减 振 器 的 现 场 试 验 ， 试 验 井 段 为 3 0 2 ． O O ～2 0 0 0 ． 9 6 i n ， 进尺 1 6 9 8 ． 9 6 m， 减振器在井 下无故 障工作 时间达 到了 2 3 2 h ， 纯钻时 间 1 6 0 h ， 平均机械钻速达到 1 O ． 9 3 m／ h 。 钻具组合 4 0 6 ． 4 mm钻头 KP L 2 2 9型减振 器 2 7 9 ． 4 mm 浮 阀 2 7 9 ． 4 mm 单 流 阀 j 5 2 7 9 ． 4 mm钻铤 3 根 2 4 1 ． 3 mm钻铤 3根 2 4 1 ． 3 mm钻铤 2根4 - 4 , 2 2 8 ． 6 mm钻铤 6根 , 2 0 3 ． 2 mm无磁钻铤 1 根 声 2 0 3 ． 2 mm钻铤 5 根声 1 7 7 ． 8 mm钻铤 6根旁通阀 1 2 7 ． 0 mm S 1 3 5 斜坡钻杆 下旋塞 单流 阀4 - 1 5 2 ． 4 mm六 棱方钻杆上旋塞 。 3 ． 2扭矩 分析 图 6所示为 YL 3 0 1 H 井试验 井段与邻井 YB 5 井和 YB 1 2 1 H 井相 同井段的扭矩 曲线 。 图 6 Y L 3 0 1 H 井与 Y B 5井 、 Y B 1 2 1 H井的扭矩 曲线 Fi g ．6 To r q ue c u r v e o f W e l l YL301 H， YB5。 a nd YB1 21 H YL 3 0 1 H井试验井段与邻井 Y B 5井和 Y B 1 2 1 H 井相同井段 的钻井参数相 同， 钻具组合 除 YL 3 0 1 H 井加了减振器外 ， 其余钻具相 同。从图 6可看出， 与 未应用减振器 的邻井 YB 1 2 1 H 井和 YB 5井 相 比， YL 3 0 1 H井扭矩平稳 ， 基本维持在 4 k N I T I 左右 ， 而邻井 YB 1 2 1 H井和 YB 5井的扭矩 波动幅度较大 Ⅵ 井最大瞬时扭矩达到 1 8 k Nm 。由此可见 ， 采用 KP L 2 2 9型减振器后 ， 钻具振动得到有效缓解。 3 ． 3 钻时分析 图 7 为 YL 3 0 1 H井试验井段与邻井 YB 5井和 YB 1 2 1 H井相 同井段的钻时曲线。 掰 燃Ⅲ 劝lt ●l ■ I 戮拼 功 lt■l■I 舯 ∞ 如 柏 ∞ 加 0 m g 目＼ 上 } l 2 2 石 油 钻 探 技 术 2 0 1 2年 7月 50 4O I 3 0 迥 鲁2 0 烬 1 0 O 2 6 0 7 6 0 1 2 6 0 1 7 6 0 2 2 6 0 井深 ／ m 图 7 Y L 3 0 1 H井、 Y B 5井和 Y B 1 2 1 H井的钻 时曲线 Fi g ． 7 Dr i l l i ng t i me c ur v e o f W e l l YL301 H，YB5，a n d YB1 21 H 从图 7可以看出， YL 3 0 1 H 井试验井段钻时较 为均衡 ， 保持在 5 ～9 mi n ／ m， 而 YB 5井和 YB I 2 1 H 井在 7 5 0 I i 1 以浅井段钻时变化较大 ， 在 5 ～4 O m i n ／ m 变化 ， YB I 2 1 H 井在井深 1 3 0 0 r n以深钻时变化也 较为明显 ， YL 3 0 1 H井钻进最为平稳 。 应用 KP L 2 2 9型减振器保证钻头受力均匀， 可 以 通 过钻 后 钻 头 评 价 验 证 减振 器 的应 用 效 果 YL 3 0 1 H井 采用 S T5 1 7 G K 型三牙轮钻头， 单只钻 头进尺达 l 6 9 8 ． 9 6 r n ， 创 当时该地区相 同井眼单只 钻头进尺最 高纪 录， 钻头 出井牙齿磨 损 1 ／ 3 ， 无断 齿 ， 轴承基本完好 ， 新度为 8 0 ； YB 5井采用相同型 号的三牙轮钻头单只钻头进尺仅 7 0 2 I T I ， 钻头出井 其外 径未 磨 小 ， 牙齿 磨损 2 ／ 3 ， 轴 承无松 动 ， 新度 7 0 ； Y B 1 2 1 H井 4 4 4 ． 5 1T I 1 T I 井眼单只钻头最大进 尺 1 I 1 2 ． 9 0 m， 钻头出井外径未磨小 ， 牙齿磨损 2 ／ 3 ， 轴承无松动 ， 新度 6 5 9 ／ 6 。根据 以上分析 ， 在气体钻 井过程 中使用减振器后 ， 钻头新度保持最高 ， 其保护 钻头效果尤为明显。 3 ． 4 探伤分析 KP L 2 2 9型减振器 经超声 波整体 探伤检测 ， 未 发现超标伤波 ， 检测合格 ， 合格级别为 I 级 ， 可以继 续使用。此外 ， YL 3 0 1 H井应用钻具减振器后 ， 井斜 角也得到了较好的控制 ， 3 0 0 1 5 0 0 r n井段井斜角 在 1 。 以内。 4 结论及建议 1 K P L 2 2 9型减振器能够实现弹性储能和阻 尼耗能双重减振功能 ， 在减缓钻具振动的同时还能 实现辅助破岩。 2 KP L 2 2 9型减 振器减 振 幅度 大， 刚度范 围 大， 结构简单， 装配方便， 适用于气体钻井， 也适用于 常规钻井 。 3 KP L 2 2 9型减振器能减缓井下钻具振动， 延长 气体钻井状态下钻具的使用寿命， 推广应用前景良好。 4 目前 K P L 2 2 9型减振器尺寸单一 ， 需进一步 加大研制力度 ， 以尽快形成与气 体钻井井眼尺寸配 套 的系列减振器。 参考文献 Re f e r e nc e s E l i 徐进 ， 蒋祖军 ， 练章华 ， 等． 气体钻 井钻柱失效 统计及其 失效原 因分析 _ J ] ． 钻采工艺 ， 2 0 1 0 ， 3 3 4 1 3 1 4 ． Xu J i n ， J i a n g Z u j u n ， L i a n Z h a n g h u a ， e t a 1 ． S t a t i s t i c a n d c a u s e s a n a l y s i s o f d r i l l s t r in g f a i l u r e i n g a s d r i l l i n g [ J ] ． D r i l l i n g P r o d uc t io nTe c h n o l o g y， 2 0 1 0， 3 3 4 1 3 1 4 ． [ 2 ] 朱化蜀 ， 余瑞青 ， 廖忠会 ， 等． 气体钻井井斜 有 限元 岩石应力分 析E J ] ． 天然气工业， 2 0 0 9 ， 2 9 5 7 2 7 4 ． Z hu H u a s h u， Yu Ru i q i n g， Li a o Zh o n g h u i ， e t a 1 ． Fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s o n r o c k s t r e s s s t a t u s d u r i n g g a s d r i l l i n g d e v ia t i o n [ J ] ． Na t u r a l Ga s I n d u s t r y， 2 0 0 9， 2 9 5 7 2 7 4 ． [ 3 ] L i Z i f e n g ， Gu o B o y u n ． An a l y s i s o f l o n g i t u d i n a l v i b r a t i o n o f d r i l l s t r i n g i n a i r a n d g a s d r i l l i n g [ R ] ． S P E 1 0 7 6 9 7 ， 2 0 0 7 ． [ 4 ] 祝效华， 童华 ， 刘广川． 气体钻井钻具断裂机理分析口] ． 石油矿 场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 1 5 - 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