第ｌ３卷第１５期２０１３年５月 科学技术与工程 Ｖｏ１．１３ Ｎｏ．１５ Ｍａｙ ２０１３ １６７１—１８１５（２０１３）１５—４３４７—０５ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ⑥２０１３ Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｒｇ． 水平井井底钻压波动规律的实验研究 邵冬冬 管志川 张文斌 温 欣 史玉才 （中国石油大学（华东）石油工程学院，青岛２６６５８０） 摘要利用水平井钻柱动力学模拟实验装置，进行了水平井井底钻压波动的模拟实验。实验结果表明：水平井井底的钻压 波动为一正弦波动，其波动频率与钻柱的自转频率相等，钻压对波动频率的影响不大。水平井井底的实际钻压始终与名义钻 压近似相等；随着钻压和转速的增加，水平井井底钻压的波动会变得越稳定。水平井实际钻进时，建议转速大于５２．０８ ｒ／ｍｉｎ， 钻压大于９０ ｋＮ。 关键词水平井 钻压 转速 钻压波动 Ａ 实验研究 中图法分类号ＴＥ２４３； 文献标志码钻压是影响钻井钻速最直接和最显著的因素 之一。油田现场大量的实践表明：钻压太低，钻速 １：１０的几何比例建造，其中，模拟装置长１１ ｍ，模拟 钻柱和模拟井筒长９ ｍ，可实现旋转钻进时不同钻 压和转速下井底钻压和钻头侧向力的测量。 很慢；钻压过大，钻头的磨损会加剧，钻速改进效果 也不明显，甚至使钻进效果变差。由于钻头本身的 特性以及钻柱在井筒内旋转时产生的各种形式的 振动，井底钻压并不是一个恒定值。合适的钻压波 动有利于钻头破碎岩石，如果钻压波动过大，不仅 不利于岩石破碎，甚至会引起钻头牙齿以及钻头轴 承的冲击破坏 Ｊ。因此，选择合适的钻压对钻进 过程非常重要。本文拟通过室内模拟实验的方法， 对水平井旋转钻进过程中钻压的波动规律进行研 图１ 钻压波动测量装置不恿图 究，以期对水平井钻进过程中钻进参数的合适选取 提供帮助。 根据相似原理计算得出 ’ｍ ，实验参数与工程 实际钻进参数的对应关系为：实验钻压１ ｋｇ相当于 现场钻压８９．５ ｋＮ，实验转速６０ ｒ／ｍｉｎ相当于现场 转速２０．８ ｒ／ｍｉｎ。实验用模型钻压和转速及与之对 应的钻井现场实际钻压和转速关系见表１。 表１模型参数和实际参数关系表 １ 井底钻压波动测量模拟装置 利用中国石油大学（华东）水平井钻柱动力学 模拟装置进行井底钻压波动的模拟实验。钻压波 动测量装置示意图见图１。模拟装置根据相似原 理 Ｊ，按照实验钻具尺寸与工程实际钻具尺寸 ２０１２年ｌ２月２４日收到 “十二五”国家科技重大专项 （２０１１ＺＸ０５０２１—００１）、国家重点基础研究发展计划（９７３计划） （２０１０ＣＢ２２６７０６）、国家高技术研究发展计划（８６３计划） （２０１２ＡＡ０９１５０１）资助 第一作者简介：邵冬冬（１９８４一），男，油气井工程专业博士研究生。 研究方向：井下系统、信息与控制工程，油气井管柱力学等。Ｅ—ｍａｉｌ： ｓｈｄｄｏｎ【ｇ２００７＠１６３．ｃｏｍ。 ４３４８ 科学技术与工程 ｌ３卷 ∞ 趟捃 ３ ２＂ ５０ ｒ／ｍｉｎ ｏ ２５０ ｒ／ｍｉｎ ｝ ５ ｋ， ｋｇ ２ ０ 。＾， 一。ｎ＾ ， ／ ‘ 。 ｌ＾ ／。／ １ ｋｇ ． ～ ｎ 二 ：二 二 二二 。 ０ ２ ４ ５ ０ ２ ３ ４ 时间，ｓ 时间，ｓ 图２井底钻压波动曲线图 ０ ５ ｋｇ ０ ５ ｋｇ １ ｌ ４ Ｏ ８ １ ２ ∞ ０．６ ・最大钻压 ｌ 出 ・最大钻压／名义钻压 螺Ｏ ４ 二荤 ・最小钻压／名义钻压 ０．６ ８ Ｏ ２ 一平均钻压，名义钴压 嚣０．４ ０ 林０ ２ ｏ １ ２ ３ ４ ５ ６ Ｏ ｌ ２ ３ ４ ５ ６ 转速／（×６０ ｒ－ｍｉｎ ） 转速／（×６０ ｍｉｎ－ 、 ｌ ５ ｋｇ １ ５ｋｇ ２ Ｉ ４ ｌ ８ 采１．２ ｂ０ １ ６ ／名义钻压 是 ：曩奈 －最小钻压 ０。８ ６ —一平均钻压 亩ｏ ／名义钻压 １ ２ 襄 ４ ／名义钻压 １ Ｏ １ ２ ３ ４ ５ ６ ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ 转速／（×６０ ｒ・ｍｉｎ－ ） 转速／（×６０ ｒ・ｍｉｎ－ ） ２ ５ ｋｇ ２ ５ ｋｇ 出１ ４ ２ ８ 螺１ ２ ２．６ 要２４ －最小钻压 ・最本拿旺 ０ ８ ・最大钻压，名义钻匿 一平均钻压 ０．６ －最小钻压／名义钻压 ２ ２ 菩ｏ ４ 一平均钻压，名义钻压 繇０ ２ Ｏ ２ ３ ４ ５ ６ Ｏ １ ２ ３ ４ ５ ６ 转速／（×６０ ｒ・ｍｉｎ－ 转速／（×６０ ｒ ｍｉｎ－￣） 图３钻压波动与转速关系图 ２转速对井底钻压波动的影响 图３为不同转速时水平井井底钻压波动的变化 规律曲线图。其中，平均钻压为实验测得钻压的平 实验按照固定钻压，调整转速的方式进行，实 均值，可看为井底的实际钻压；名义钻压为实验时 验用模型钻压和转速及与之对应的钻井现场实际 施加的钻压。 钻压和转速关系见表１。 综合图２，图３可以看出： 图２为模拟实验测得井底钻压的波动曲线。 （１）不同转速，不同钻压时，钻压的波动曲线都 ２ １５期 邵冬冬，等．Ｔｋ平井井底钻压波动规律的实验研究 ４３４９ 较有规律，可近似看为正弦曲线；同一转速，不同钻 压时，井底钻压的波动曲线频率相等；随着转速的 增加，钻压波动的频率逐渐增大； （２）同一钻压下，以钻压等于１．５ ｋｇ为例。转 速５０ ｒ／ｍｉｎ时，钻压波动差值为０．４ ｋｇ；当转速增大 波动频率略大于钻柱的自转频率，两者之间的比值 为１．０７，可近似为１；当转速增大到１００ ｒ／ｍｉｎ时，钻 压的波动频率与钻柱的自转频率相等；随着转速的 进一步增加，钻压的波动频率与钻柱自转频率的比 值始终保持在ｌ附近，即，钻压波动频率始终与钻柱 的自转频率近似相等； （２）不同名义钻压时，钻压波动频率与转速的 到２５０ ｒ／ｍｉｎ时，钻压波动差值为０．２ ｋｇ；说明低转 速下钻压的波动差值较大，随着转速的增加，钻压 波动差值逐渐变小； （３）随着转速的增加，各名义钻压下钻压的最 大值逐渐平稳降低，钻压的最小值逐渐变大，平均 钻压即井底的实际钻压与名义钻压基本维持相等； 由钻压比值曲线可以更直观地看出：最大钻压与名 义钻压的比值逐渐变小并趋近于１，最小钻压与名 义钻压的比值逐渐变大并趋近于１，平均钻压与名 义钻压的比值始终保持在１附近。这说明：井底钻 压存在波动，但随着转速的增加，井底钻压围绕在 名义钻压附近的波动幅度逐渐变小，井底的实际钻 压与名义钻压基本保持一致。 由以上分析可得：井底钻压的波动特性为正弦 波动，同一转速时，钻压波动的频率始终相等；随着 转速的增加，钻压波动的频率逐渐增加，但井底钴 压的波动幅度逐渐变小；井底的实际钻压值始终与 施加的名义钻压值保持一致。 将实验所测的数据进行快速傅里叶变换 （Ｆ丌），提取出钻压波动的频率，对钻压波动的频率 特性进行分析，图４为钻压波动频率随钻柱自转转 速的变化曲线图。其中，无因次频率为钻压波动频 率与钻柱自转频率的比值。 一Ｏ ５ ｋｇ ■＿－ ～ 一 一 一・一１ ５ｋｇ —・～２ ５ ｋｇ ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ 转速／×６０（ｒ・ｍｉｎ一 ） 图４钻压波动频率与转速关系图 由图４可以看出： （１）名义钻压１．５ ｋｇ，转速５０ ｒ／ｍｉｎ时。钻压 关系曲线相似，钻压波动频率与钻柱的自转频率始 终近似相等。即，名义钻压对井底钻压的波动频率 影响很小。 通过以上分析可得：井底钻压的波动频率与钻 柱自转频率近似相等，名义钻压的改变基本不会影 响井底钻压的波动频率。 综合以上实验结果的分析，可以得出水平井 井底钻压波动随转速的变化规律。可总结为：水 平井井底钻压为一正弦波动，同一转速时，各钻压 波动的频率相等；转速增加，钻压波动的频率增 加，并且钻压的波动频率与钻柱的自转频率相等； 钻压的波动始终围绕在名义钻压附近，随着转速 的增加，钻压波动的幅度逐渐变小并趋向于名义 钻压；模拟转速大于１５０ ｒ／ｍｉｎ时，钻压波动差值 较小，波动较平稳，建议实际钻进时转速值大于 ５２．０８ ｒ／ｍｉｎ ３钻压对井底钻压波动的影响 图５为不同转速时实测钻压波动与名义钻压的 关系曲线图。 由图５可得： （１）转速５０ ｒ／ｍｉｎ时。平均钻压，最大钻压和 最小钻压都随名义钻压的增加逐渐增大，钻压波动 差值都维持在０．３ ｋｇ左右，相当于现场钻压２６．８５ ｋＮ，钻压波动幅度较大。随名义钻压的增大，实测 钻压与名义钻压比值的最大值逐渐变小，最小值逐 渐增大，皆趋向于１，实测钻压的平均值一直维持在 １附近。这说明低转速下（１００ ｒ／ｍｉｎ）随着名义钻 压的增大，实测最大钻压和最小钻压的波动幅度逐 渐变小，即低转速下，水平井井底钻压越高，钻压的 波动越稳定； ４３５０ 科学技术与工程 １３卷 ３ ２ ５ ∞趟 ２ 墨 蕊 Ｏ ５ Ｏ 最大钻压 ・最小钻压 一平均钻压 ——雕 最大钻压／名义钻 最小钻压／名义钻压 平均钻压，名义钻压 Ｏ Ｏ ５ １ Ｉ ５ ２ ２ ５ ３ ０ ０ ５ １ Ｉ ５ ２ ２ ５ ３ 名义钻压／ｋｇ 名义钻压／ｋｇ ３ ２ ５ ∞趟 ２ 大钻压竺 ｔ最小钻压 林 最大钻压／名义钻压 最小钻压／名义钻压 平均钻压／名义钻压 需１ Ｏ ５ Ｏ —平均钻压冀 ０ ５ Ｉ ｌ ５ ２ ２ ５ ３ ０ ０ ５ ｌ １ ５ ２ ２ ５ ３ ０ 名义钻压／ｋｇ ２５０ ｒ／ａｉｒｎ 名义钻压／ｋｇ ２５０ ｒ／ｍｉｎ ； 蓬１ ０．５０ 趟１ ４ 撂１ ２ ＝一ｚ 、一 一最大钻压 １ ——， ｊ 三 ｝二ｉ习 －最小钻压苗。８ 平均钻压塑０．６ 豢０．４ Ｏ ２ 一最大钻压／名义钻压 ，最小钻 ／名义钻压 平均钻压／名义钻压 ３ ０ ０ ５ １ １ ５ ２ ２ ５ ３ ０ ０ ５ １ １ ５ ２ ２ ５ 名义钻压／ｋｇ 名义钻压／ｋｇ 图５钻压波动与名义钻压关系图 （２）转速２５０ ｒ／ｍｉｎ时。平均钻压，最大钻压和 且与名义钻压成线性关系；名义钻压越大，水平井 井底钻压的波动越稳定；模拟钻压大于１ ｋｇ时，钻 压的波动差值较小，波动趋于稳定，建议实际钻进 最小钻压都随名义钻压的增加逐渐增大，钻压波动 差在０．２＿＿ｏ．２５ ｋｇ之间，相当于现场钻压１７．９— ２２．４ ｋＮ，钻压波动幅度较小。随名义钻压的增大， 时钻压值选取大于９０ ｋＮ。 实测钻压与名义钻压比值的最大值逐渐变小，最小 值逐渐增大，皆趋向于１，实测钻压的平均值一直维 持在１附近。也就是说，在高转速下，水平井井底钻 压越高，钻压的波动越稳定； ４结论与建议 （１）利用模拟实验装置，可以直观、方便地测量 水平井井底钻压的波动，通过相似转换关系，可以 将实验观察的现象和结论应用于工程实际； （３）纵观不同转速时实测钻压与名义钻压的关 系曲线图，随着名义钻压的增大，井底实测钻压的 （２）水平井井底钻压波动为一正弦波动，钻压 波动的频率近似相等于钻柱的自转频率，钻压的改 变对钻压波动频率的影响不大，随着转速和钻压的 增加，井底钻压越稳定； （３）实际钻进过程中，只有选取合适的钻压和 最大值、最小值和平均值都在平稳的增大，并且与 名义钻压成线性关系。但不同转速时，最大值与最 小值的差值不同，这与前文分析的结论相同。 通过以上分析可得：水平井底实测钻压波动的 最大值和最小值随着名义钻压的增加逐渐增大，并 转速组合，才能使井底钻压在一个合适的范围内波 １５期 邵冬冬，等：水平井井底钻压波动规律的实验研究 ２００９；１６（３）：１ ４３５ｌ 动，既能实现快速破岩的要求，同时又不会使钻头 和钻具产生冲击破坏。通过本文的实验研究，实际 钻进时建议转速大于５２．０８ ｒ／ｍｉｎ，钻压大于９０ ｋＮ。 参考文献 ５陈庭根，管志川．钻井工程理论与技术．东营：石油大学出版社， ２Ｏｏｏ：５２—＿５３．１２４—１２６ ６管志川，靳彦欣，王以法．直井底部钻柱运动状态的实验研究． 石油学报，２００３；２４（６）：１０２—１Ｏ６ ７李之光．相似与模化．北京：国防工业出版社，１９８２：１６—－３５ １ 苏义脑．求定向井井底真实钻压值的理论分析和初步计算．石 油钻采工艺，１９９１；６（２）：３１＿３６，４２ ８郑明新．工程材料．北京：清华大学出版社，１９９１：２５—３７ ９史玉才，王军，管志川．下部钻柱涡动机理及规律的实验研究． ２陈永明，闫振来．定向井井底真实钻压的计算方法．钻采工艺， １９９６；１９（４）：１＿５ 广西大学学报（自然科学版），２００７；３２（２）：１２６一ｌ２９ １Ｏ史玉才，苑燕燕，武春芳．应用相似方法模拟研究底部钻具组合 凌．水平井井底钻压的研究．钻采工艺， 的公转运动规律．广西大学学报（自然科学版），２００６；３１（增 刊）：１５９—１６２ ３肖建波，雷宗明，晏２００１；２４（３）：１０—１３ ４黄本生，刘清友．水平井钻柱动力学研究进展．特种油气藏， Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｗｅｉｇｈｔ ｏｎ Ｂｉｔ Ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｉｎ Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ Ｗｅｌｌ ＳＨＡＯ Ｄｏｎｇ－ｄｏｎｇ，ＧＵＡＮ Ｚｈｉ－ｃｈｕａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｗｅｎ—ｂｉｎ，ＷＥＮ Ｘｉｎ，ＳＨＩ Ｙｕ—ｃａｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ（Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ）， Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６５８０，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ） ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］ Ｓｏｍｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｄｏｎｅ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｗｅｌｌ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｓｔｉｒｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄｅｖｉｃｅ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｅｉｇｈｔ ｏｎ ｂｉｔ ａｎｄ ｒｏｔａｒｙ ｓｐｅｅｄｓ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ：ｔｈｅ ＷＯＢ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｗｅｌｌ ｉｓ ａ ｓｉｎｅ ｗａｖｅ，ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｓ ｅｑｕａｌ ｔｏ ｔｈｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｓｔｒｉｎｇ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｔｈｅ ｗｅｉｇｈｔ ｏｎ ｂｉｔ ｈａｓ ｌｉｔｔｌｅ ｅｆｆｅｃｔ ｔｏ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．Ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ＷＯＢ ｉｓ ａｌｗａｙｓ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ ｅｑｕａｌ ｔｏ ｔｈｅ ｎｏｍｉｎａｌ ＷＯＢ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎ— ｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｓｔｉｎｇ ｒｏｔａｒｒｙ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ＷＯＢ，ｔｈｅ ＷＯＢ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｂｅｃｏｍｅｓ ｍｏｒｅ ｓｔａｂｌｅ．Ｔｈｅ ｒｏｔａｒｙ ｓｐｅｅｄ ｉｓ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ ５２．０８ ｒ／ｍｉｎ ａｎｄ ｔｈｅ ＷＯＢ ｉｓ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ ９０ ｋＮ ａｒｅ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ． ［Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｗｅｌｌ ｗｅｉｇｈｔ ｏｎ ｂｉｔ ｒｏｔａｒｙ ｓｐｅｅｄ ＷＯＢ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｌａ ｒｅｓｅａｒｃｈ