井下钻柱振动减阻理论与技术发展现状

摘要：钻柱振动减阻技术通过利用钻井液动力作用使钻柱振动从而减少钻柱与井壁摩擦力，降低钻井成本。钻柱振动理论介绍了近年出现的钻柱减阻振动理论的钻柱模型、振动减阻原理。振动钻井技术发展状况重点介绍井下振动减阻重要实验情况。钻柱振动减阻技术是未来降低水平井和大位移井钻井成本的一个发展方向。

关键词：振动减阻；水平井；大位移井；钻压；机理

中图分类号：TEl42 文献标识码：A 文章编号：1001-828X（2014）011-000-01

大位移井和水平井在滑动钻井过程中，由于钻柱不旋转，井壁与钻柱接触面积大，导致钻柱受到井壁的摩擦力过大，钻柱无法给钻头提供足够的钻压，最终导致钻速很低。在钻柱上施加振动激励可以改变钻柱与井壁的接触关系，降低钻柱所受的摩擦力，从而使钻压顺利的传递到钻头。

一、钻柱振动减阻理论研究现状

钻柱在井眼中运动与受力的复杂性是导致其振动减阻研究困难的主要原因。钻柱减阻理论研究可以从两个方面看。首先是不同或相同材料之间摩擦力的研究，这属于基础研究。在这方面近些年国内外很多学者做了大量工作，也取得了很多成果。其次，钻柱在井筒中的运动规律研究。由于井筒与钻柱尺寸的偏差、钻井液的影响等对钻柱的运动影响很大，所以钻柱在井眼中的运动规律研究也很重要。

1.钻柱振动减阻原理

振动工具引起钻柱振动，从而改变钻柱的受力状况由静摩擦改变为动摩擦。动摩擦系数远小于静摩擦系数，从而减小钻柱所受阻力，提高钻压传递效率，提高机械钻速，进而延伸井眼长度[1]。

钻柱轴向振动通过改变钻柱受力状态降低摩擦力可以通过叠加原理来解释。钻柱振动时，钻柱所受振动叠加到钻柱入井速度中（平均速度）。

假设振动是按正弦曲线变化，则瞬时速度v可表示为：

（1）

式中vi―稳定的管柱入井速度；

vv―速度振动幅值；

t―时间；

T―振动周期。

库伦摩擦力的有效平均摩擦力为：

（2）

式中，Tf和Tr分别表示正向和反向运动周期，F0是无振动时的摩擦力。

由公式2可推知：由于钻柱弹性作用运动方向与周期振动的部分分量相反，有效摩擦力将减小。由公式1、2可以计算入口速度变化时（单一的速度振荡幅值变化）摩擦力的减小幅度。当入口速度是振动速度值的1/2时，摩擦力几乎减小为原来的70%。

这里着重指出，此原理是建立在摩擦力与运动速度无关的基础上的，与实际情况差距较大。这里是为了说明减阻基本原理，是钻柱振动减阻研究的原始形式，也就是与假说2。

2.钻柱振动模型

钻柱振动规律研究的核心问题在于钻柱振动模型的研究。由于篇幅限制这里只介绍几种近些年出现的钻柱振动模型。

（1）间隙元理论。2002年，张学鸿等建立了考虑钻柱抗弯刚度的用于计算水平井整体钻柱摩阻的三维力学模型，提出用间隙元理论对钻柱摩阻力进行力学分析的方法，模型考虑了抗弯刚度及钻柱与井壁间的初始间隙和随机接触状态，给出了三维空间中的整体钻柱与井壁的接触力、摩擦力（包括摩阻力矩）及其沿钻柱轴线分布规律的计算方法。

（2）分段计算方法。2006年，秦永和采用分段选取摩阻扭矩计算的思路，建立了大位移井摩阻扭矩力学分析的新模型。该文在摩阻扭矩模型的选取上提供了一个新思路，但就模型本身并没有创新。2011年，闫铁采用分段摩阻扭矩计算原则。与秦永和方法类似。

（3）非线性有限元方法。郭永峰等分析了钻柱大变形非线性及钻柱与井壁的接触非线性问题，导出了非线性有限元钻柱力学模式，在此基础上编制了计算程序软件。马善洲、韩志勇考虑到短半径水平井中钻柱的受力和强度计算问题是一几何非线性和边界非线性相互祸合的双重非线性问题，推导了非线性梁单元的力与位移的关系，建立了空间梁单元切线刚度矩阵的精确表达式，给出了结合随动坐标系，对短半径水平井中钻柱的受力进行非线性有限元分析的步骤。

3.材料间振动与摩擦力关系研究

材料之间振动与摩擦力的关系主要有如下三种假说：

假说1：振动激发了接触面之间的法向振动。这种观点认为：受到超声换能器的激励之后，摩擦材料间产生高频的机械碰撞，导致相互接触的两物体间的真实接触面积不断变化，同时，两物体接触的时间也由无振动时的持续接触变为间歇性接触。因此，在接触面积与接触时间均减小的情况下，平均摩擦力随之减小。

假说2：振动改变了接触面之间的摩擦力方向。这种观点认为：振动改变了接触面之间摩擦力的方向，从而降低了一个振动周期内的平均摩擦力。

假说3：振动改变了接触面之间的状态。这种观点认为处于超声振动接触的表面在每个振动周期中，它们都有一个脱离的瞬间，使介质能更好地发挥作用。梅里尔斯和汤姆生认为振动每周期的正好阻止粘贴。

二、钻柱振动实验研究进展

国内学者在振动减摩机理方面的探索性定性研究，国外学者则更关注于振动的各个参量以及摩擦材料的性质与运动状态对减摩效果的定量影响规律方面。

2011年，杨善林等[4]在一文中，对磨损量和磨痕用专用工具进行了测量，从振动引发单个质点椭圆振动和振动对膜形成的影响两个角度分析了二者的协同减摩机理，得出40N法向力作用下二者协同作用最好，可起到一定的验证参考作用。

三、结论

1.对于水平井和大位移井，通过使用振动减阻技术就能利用钻井液能量使钻柱振动，增加钻压，有效降低钻井成本，应用前景广阔。

2.国外成功设计并应用的振动减阻工具可以作为我国学者进行减阻振动工具设计的参考，减少不合理设计，减少设计周期，降低设计试验成本。

3.目前我国陆上及海上油田越来越多采用大位移井及水平井提高石油采收率、降低开发成本。这些井都会存在管柱摩擦力大的问题，最减阻技术有较强的需求。因此，总结并利用国内外研究成果具有重要的现实意义。

作者简介：胡豫磊（1985-），男，汉族，山东利津人，2010年7月安阳工学院本科毕业，现为中国石化中原石油工程有限公司管具公司冀东项目部助理工程师，主要从事石油管具维修技术研究工作。