摘 要：定向井和水平井鉆進經(jīng)常采用滑動鉆進方式。地面間歇向井內(nèi)送入鉆桿是如何轉(zhuǎn)化成井下鉆柱對鉆頭的推進的?如何減小鉆柱與井壁的滑動摩擦力給鉆壓帶來的誤差?現(xiàn)有的滑動鉆進送鉆技術(shù)各有什么優(yōu)缺點?這些都是業(yè)界關(guān)心的問題。為此，把鉆具送到井底并加上鉆壓，暫停地面送鉆操作的工況作為研究區(qū)間，分析了井底的鉆柱彈性、水力振蕩器和液力推進器3種送鉆原理。闡述了帶井下動力的鉆具組合、帶水力振蕩器的鉆具組合和帶液力推進器的鉆具組合的滑動送鉆技術(shù)，給出了地面鉆進參數(shù)與井底鉆進參數(shù)的關(guān)系。進而比較了3種送鉆技術(shù)的特點：帶井下動力的鉆具組合在井底是依靠鉆柱的彈性推動鉆頭前進；帶水力振蕩器的鉆具組合依靠其產(chǎn)生的水力振動來降低鉆柱與井壁間的滑動摩擦力，改善鉆壓傳遞效率；帶液力推進器的鉆具組合在其工作鉆壓區(qū)間，依靠活塞推動鉆頭前進。結(jié)論認(rèn)為，帶液力推進器的鉆具組合滑動送鉆技術(shù)最優(yōu)，鉆壓可調(diào)、平穩(wěn)，液力推進器可串聯(lián)使用，鉆進時可以活動上部鉆柱。
關(guān)鍵詞：滑動 鉆進 鉆壓 托壓 蛙動 水力振蕩器 液力推進器 水力加壓器
Bit feed principles and technologies in slide-drilling directional wells
Abstract：Slide drilling is frequently applied to directional and horizontal wells．How does the action of intermittently running drill pipes transform into the bit advancement via downhole drill string?How to reduce the error caused by sliding friction between the drill string and wellbore?What are the merits and demerits of the existing slide drilling bit feed technology?In order to answer these questions，an analysis was made under the following working condition：running into the bottomhole assembly(BHA)，applying weight on bit(WOB)，and suspending the ground bit feed，under which three bit feed principles were analyzed respectively：the downhole drill string elasticity，hydraulic oscillator，and hydraulic thruster．On this basis，the slide drilling technologies of BHA were introduced respectively with downhole motor，hydraulic oscillator and hydraulic thruster，and the relationship was explained between ground drilling and bottomhole drilling.Furthermore,these three bit feed technologies were compared,and the following characteristics were discovered:BHA with downhole motor feeds the bit by utilizing the drill string elasticity;BHA with hydraulic oscillator reduces the sliding friction between the drill string and wellbore by creating hydraulic vibration,thus improving the transfer efficiency of WOB;BHA with hydraulic thruster feeds the bit with piston,and the WOB is within its working range.Based on the analysis,the optimal slide drilling technology is the combination of BHA and hydraulic thruster since it has adjustable and stable WOB,the hydraulic thruster can be used in series,and moreover,a short trip can be made to the upper drill string during drilling.
Keywords：slide drilling,WOB,backing pressure,frog move,hydraulic oscillator,hydraulic thruster,hydraulic pressurizer,directional well
在定向井和水平井鉆進過程中，經(jīng)常要用滑動鉆進方式來改變井眼方向、增斜和降斜，有時也用滑動鉆進方式鉆直井段。在滑動鉆進過程中，鉆柱與井壁間的摩擦力導(dǎo)致大鉤負(fù)荷的減小值與鉆頭承受的鉆壓不一致[1-3]。大鉤負(fù)荷的減小值的一部分為鉆柱與井壁的摩擦力，剩余的部分才加到鉆頭上。這種鉆頭鉆壓小于大鉤負(fù)荷減小值的現(xiàn)象稱為滑動鉆進的托壓問題[4]。還有下放過程中，鉆柱與井壁黏卡的解除、摩擦狀態(tài)由靜摩擦向動摩擦的轉(zhuǎn)換等原因會造成鉆柱的彈性能量突然釋放并導(dǎo)致鉆柱不均勻下滑，有時鉆頭突然撞擊井底，甚至損壞鉆頭和井下動力鉆具。這種鉆柱的彈性能量突然釋放并導(dǎo)致鉆柱不均勻下滑的現(xiàn)象稱為鉆柱蛙動[5]。為減輕托壓，除優(yōu)化井眼軌道、控制井眼軌跡[6]、優(yōu)選鉆井液體系并維護好鉆井液性能外，還應(yīng)用了專用工具，主要有液力推進器(也稱水力加壓器) [5,7-9]和水力振蕩器[10]。筆者論述滑動送鉆的原理和技術(shù)，并對液力推進器和水力振蕩器進行評價。
1 滑動鉆進井底送鉆原理
1．1 鉆柱彈性送鉆原理
對于沒有加液力推進器或水力振蕩器的帶有井下動力的鉆具組合，在送到井底并加上鉆壓后，地面就暫停送鉆。此時，從地面看，鉆桿已經(jīng)停止運動，那么鉆頭是否也已經(jīng)停止鉆進?顯然不是，那么是什么在推動鉆頭前進?答案是鉆柱的彈性。鉆柱彈性送鉆原理如圖l所示。
在圖1-a中，長度為L的鉆柱，在推力F的作用下向右(井底)運動，在分布滑動摩擦力f0N的作用下，加到鉆頭上的鉆壓為W0。然后整個鉆柱靜止，受力狀態(tài)被凍結(jié)。盡管隨著靜止時間的增加，鉆柱與井壁間的靜摩擦系數(shù)在增加，但由于受力被凍結(jié)，分布的滑動摩擦力仍為f0N。
F＝W0+f0NL (1)
式中F為推力，W0為初始鉆壓，f0為下放摩擦系數(shù)，N為鉆柱與井壁的線接觸壓力，L為鉆柱的長度。
隨著鉆頭破巖的進行，如圖l-b所示，鉆頭鉆出的空間會使鉆壓下降為W，鉆壓下降會使鉆柱伸長DL，此時依靠彈性釋放向前運動的鉆柱的長度為S，S段內(nèi)鉆柱與井壁的摩擦系數(shù)已經(jīng)由f0，增加為f，此時的推力為：
F＝W+f0N(L-S)+fNS (2)
式中W為瞬時鉆壓，S為彈性伸長段長度，f為瞬時滑動摩擦系數(shù)。
從(1)式和(2)式得：
根據(jù)材料力學(xué)得：
式中E為彈性模量，A為鉆柱截面積。
從(4)式中可以看出，初始鉆壓(W0)越大，每次送鉆可獲得的進尺(DL)越大；瞬時滑動摩擦系數(shù)越接近下放摩擦系數(shù)(f0)，每次送鉆可獲得的進尺越大。另外，W0越大，鉆速越大。
1．2 水力振蕩器送鉆原理
水力振蕩器通過產(chǎn)生縱向振動來減少鉆柱與井壁之間的摩阻，進而提高鉆進過程中鉆壓傳遞的有效性。該工具主要由3部分機械組成：動力部分、閥門和軸承系統(tǒng)、配套部分[10]。頻率范圍：9～26Hz。瞬間沖擊的加速度范圍：l～3倍的重力加速度。
從本質(zhì)上講，水力振動器本身并不會送鉆，它的作用是降低鉆柱彈性送鉆的瞬時滑動摩擦系數(shù)(f)的增長速度，并盡量接近下放摩擦系數(shù)(f0)，以延長每次送鉆可獲得的進尺。
1．3 液力推進器送鉆原理
液力推進器連接在下部鉆具內(nèi)。它是一個液缸活塞短節(jié)。圖2為液力推進器結(jié)構(gòu)岡例。依靠液缸內(nèi)的液體壓力推動活塞運動，實現(xiàn)給鉆頭加壓。依靠外筒上的導(dǎo)槽與活塞端部的鍵來傳遞扭矩。
液力推進器的工作鉆壓為：
Wt＝pA0 (5)
式中Wt為液力推進器的工作鉆壓，p為液缸內(nèi)的動壓強，A0為活塞伸出端的外圓面積。
當(dāng)W>Wt時，液力推進器處于完全收縮狀態(tài)，無效；W＝Wt時，液力推進器處于工作狀態(tài)；W<Wt時，液力推進器處于完全伸出狀態(tài)，無效。液力推進器的主要技術(shù)參數(shù)是工作鉆壓和行程。
2 滑動鉆進送鉆技術(shù)
2．1 常規(guī)帶井下動力的鉆具組合滑動送鉆技術(shù)
由于在定向井和水平井中，鉆柱與井壁間存在摩擦力且不斷變化，將設(shè)計的鉆壓準(zhǔn)確地加到鉆頭上變得很難。那么，有沒有相對可行的辦法，使加到鉆頭上的鉆壓盡量接近設(shè)計鉆壓?有，使用定向井送鉆技術(shù)軟件為指導(dǎo)，具體為以下2個步驟：
1)針對不同井深，計算不同摩擦系數(shù)下鉆具下放到井底時下放鉆具的大鉤負(fù)荷、鉆壓為沒計值時對應(yīng)的大鉤負(fù)荷。將計算結(jié)果以表格的形式打印，稱為鉆壓控制參考表。
2)司鉆下放鉆具到井底時，看一下下放過程中(鉆頭沒有觸底)的大鉤負(fù)荷。注意大鉤負(fù)荷與指重表讀數(shù)是有差別的。然后在表中該井深后面不同摩擦系數(shù)下“下放大鉤負(fù)荷”欄中找出與現(xiàn)場最接近的數(shù)值，該數(shù)值對應(yīng)的摩擦系數(shù)值就是現(xiàn)在鉆柱與井壁的滑動摩擦系數(shù)。再找出鉆壓為設(shè)計值時對應(yīng)的大鉤負(fù)荷，下放鉆具，讓大鉤負(fù)荷與該值相等。
2．1．1地面單向送鉆
地面單向送鉆是指在鉆進過程中沒有上提鉆具操作，只有下放鉆具和停止的送鉆方式。
2．1．1．1地面送鉆不及時鉆進參數(shù)變化規(guī)律
該工況的鉆進參數(shù)變化如圖3所示。橫坐標(biāo)代表時間，縱坐標(biāo)代表進尺、負(fù)荷、摩擦系數(shù)。標(biāo)識初始鉆壓按照鉆壓控制參考表施加。在t0開始到t1的第1次鉆進時間內(nèi)，地面鎖定不動，大鉤進尺和大鉤負(fù)荷降低值都保持為常數(shù)；鉆柱與井壁間的摩擦系數(shù)在增加；進尺在增加；鉆壓在下降，直至為零。如到期間不及時進行地面送鉆，動力鉆具可能產(chǎn)生空轉(zhuǎn)，沒有鉆壓，沒有進尺，摩擦系數(shù)在增大(注意摩擦力未再繼續(xù)增大)，地面大鉤進尺和大鉤負(fù)荷降低值都保持為常數(shù)并且與第1次鉆進時一樣。t2到t3期間的地面送鉆過程，在地面向下送鉆；開始時鉆頭上沒有鉆壓，鉆頭沒有進尺；大鉤負(fù)荷降低值先增加，在克服了靜摩擦力后，開始降低，最后設(shè)定為計算值。t3以后，盡管大鉤負(fù)荷降低值設(shè)置成了計算值，但是由于滑動摩擦系數(shù)值難以確定，加在鉆頭上的鉆壓就難以確定，可能比設(shè)計的高(實線所示)，也可能比設(shè)計的低(虛線所示)。鉆壓的不確定，帶來進尺的不確定和摩擦系數(shù)的不確定。
2．1．1．2地面送鉆及時鉆進參數(shù)變化規(guī)律
如果在第l次鉆進沒有結(jié)束(實際鉆壓還沒有降至0)時就開始進行地面送鉆(圖4)，可以提高鉆進速度，但是加在鉆頭上的鉆壓仍難以確定。
2．1．2地面短起下送鉆
如何克服地面單向送鉆因摩擦力不確定帶來的鉆壓不確定的問題?用短起下送鉆方法(圖5)，在鉆頭鉆壓較小時就上提鉆柱，將靜摩擦力克服掉，上提一段后，下放鉆柱，重新按照鉆壓控制參考表施加。這樣就可以減小施加到鉆頭上的鉆壓的誤差。
2．2 帶水力振蕩器的鉆具組合滑動送鉆技術(shù)
為了減小托壓現(xiàn)象，實際上是為了減小鉆柱與井壁間的滑動摩擦系數(shù)，可以在下部鉆具內(nèi)接入水力振蕩器。水力振蕩器的接入可以提高鉆速和單次送鉆的進尺(圖6)。其他與常規(guī)帶井下動力的鉆具組合滑動送鉆技術(shù)一致。
2．3 帶液力推進器的鉆具組合滑動送鉆技術(shù)
當(dāng)下部鉆具內(nèi)連接有液力推進器時，若W>Wt時，液力推進器處于完全收縮狀態(tài)，鉆頭進尺依靠鉆柱彈性提供；W＝Wt時，液力推進器處于工作狀態(tài)，鉆頭進尺依靠活塞推進提供；W<Wt時，液力推進器處于完全伸出狀態(tài)，鉆頭進尺又依靠鉆柱彈性提供(圖6)。其他的與常規(guī)帶井下動力的鉆具組合滑動送鉆技術(shù)一致。
3 3種滑動鉆進送鉆技術(shù)的比較
3．1 帶井下動力的鉆具組合滑動送鉆技術(shù)的特點
常規(guī)帶井下動力的鉆具組合滑動送鉆在地而是間歇送入鉆桿，在井底是依靠鉆柱的彈性推動鉆頭前進，鉆壓一直處于鋸齒狀變化狀態(tài)，鉆速較低。
3．2 帶水力振蕩器的鉆具組合滑動送鉆技術(shù)的特點
帶水力振蕩器的鉆具組合滑動送鉆技術(shù)是對常規(guī)帶井下動力的鉆具組合滑動送鉆技術(shù)的改進，依靠水力振蕩器的振動來降低鉆柱與井壁間滑動摩擦系數(shù)的增長速度并盡量接近下鉆時的滑動摩擦系數(shù)，其可以減小鉆壓下降速度，提高鉆速和進尺。但是，鉆柱振動會減少測控儀器、動力鉆具和鉆柱的使用壽命和工作性能。高頻的振動(9～26Hz對于鉆柱就算高的了)隨距離增加衰減很快，特別是在鉆柱與井壁的滑動摩擦作用下，盡管在振源附近振動明顯，傳播一定距離后，振幅就很小了。水力振蕩器的使用是利大于弊還是弊大于利，還有待總結(jié)。
3．3 帶液力推進器的鉆具組合滑動送鉆技術(shù)的特點
帶液力推進器的鉆具組合滑動送鉆技術(shù)也是在常規(guī)帶井下動力的鉆具組合滑動送鉆技術(shù)的基礎(chǔ)上改進而來的，當(dāng)W＝Wt時，活塞推動鉆頭前進，特點如下。
1)保留了常規(guī)帶井下動力的鉆具組合滑動送鉆技術(shù)的地面間歇送入鉆桿和井底鉆柱彈性推動鉆頭的特點。
2)當(dāng)W＝Wt時，活塞推動鉆頭恒鉆壓前進。
3)在井場可以通過調(diào)節(jié)鉆井液排量、鉆頭噴嘴組合和下部鉆具組合改變推進器的工作鉆壓Wt。
4)可以通過多個液力推進器的串聯(lián)，實現(xiàn)增加推進行程和多鉆壓或選鉆壓鉆進。圖7為3個液力推進器串聯(lián)使用的鉆壓和進尺變化圖。在當(dāng)前鉆井液排量、鉆頭噴嘴組合和下部鉆具組合的條件下，3個推進器的工作鉆壓分別為Wt1、Wt2和Wt3。當(dāng)在t0時刻將鉆壓加滿額時，3個推進器都處在全縮進狀態(tài)，依靠鉆柱彈性鉆進至t1時刻；在t1至t2時刻，第1個推進器處于工作狀態(tài)，其余2個處于全縮進狀態(tài)；在t3至t4時刻，第l個推進器處于全伸出狀態(tài)，其余2個處于全縮進狀態(tài)，依靠鉆柱彈性鉆進；在t3至t4時刻，第1個推進器處于全伸出狀態(tài)，第2個推進器處于工作狀態(tài)，第3個處于全縮進狀態(tài)；在t4至t5時刻，第l個和第2個推進器處于全伸出狀態(tài)，第3個處于全縮進狀態(tài)，依靠鉆柱彈性鉆進；在t5至t6時刻，第l個和第2個推進器處于全伸出狀態(tài)，第3個推進器處于工作狀態(tài)；在t6至t7時刻，3個推進器都處于全伸出狀態(tài)，依靠鉆柱彈性鉆進，直至鉆壓為零。在多個液力推進器串聯(lián)時，可以像圖7那樣讓所有的推進器全部工作，也可以通過控制地面送鉆使其中的部分推進器工作，不工作的推進器處于全伸出狀態(tài)或全縮進狀態(tài)。
5)如果液力推進器的行程足夠，可以在不影響鉆進的情況下，小幅度上二下活動液力推進器以上的鉆柱，以減少黏附卡鉆的概率。
6)在液力推進器處于工作狀態(tài)時，能隔斷鉆柱的軸向振動。
通過對3種鉆具組合滑動送鉆技術(shù)的比較，帶液力推進器的鉆具組合滑動送鉆技術(shù)最優(yōu)。
4 結(jié)論
1)常規(guī)的井下動力鉆具組合滑動鉆進時依靠鉆柱彈性推動鉆頭前進；裝有水力振蕩器的井下動力鉆具組合滑動鉆進時依靠的也是鉆柱彈性推動鉆頭前進，只不過是水力振蕩器產(chǎn)生的鉆柱振動使滑動摩擦系數(shù)增加的速度變慢了；裝有液力推進器的井下動力鉆具組合滑動鉆進時依靠的主要是活塞的運動，其次是鉆柱彈性，推動鉆頭前進。
2)在地面送鉆給鉆頭加壓時，應(yīng)該依據(jù)鉆壓控制參考表，采取短起下加壓方式，避免單向送鉆加壓。
3)水力振蕩器應(yīng)慎重使用。
4)帶液力推進器的鉆具組合滑動送鉆技術(shù)最優(yōu)，其鉆壓可調(diào)、平穩(wěn)，液力推進器可串聯(lián)使用，鉆進時可以活動上部鉆柱。
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本文作者：李子豐 楊海濱 許春田 陳小元 劉小霞
作者單位：燕山大學(xué)石油工程研究所
中國石化集團江蘇石油勘探局鉆井處
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