一种钻柱粘滑振动参数的测试方法及装置

摘要

本发明提供一种钻柱粘滑振动参数的测试方法及装置，其特征在于，装置主要包括：液压支架、应变计、井架、柱塞、电机、传动齿轮、钻柱、第一滑动轴承、第二滑动轴承、井筒、移动夹持钳、高速摄像机、监测窗口、钻头、滑动支架和滑轨，在测试装置开始工作时，首先采用电机带动钻柱和钻头在井筒内旋转，然后通过液缸推动柱塞缓慢给钻头施加钻压，并采用高速摄像机对钻头的转动规律进行观测并记录，利用应变计测试施加到钻头上的钻压，从而获取不同转速下钻头粘滞所对应的钻压和钻头从粘滞到重新滑动所需的时间及钻头重新开始滑动的瞬间转动速度，确定钻柱在不同钻井工况下的粘滑振动参数。本发明适用于石油、天然气钻井技术研究领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种石油与天然气钻井技术领域，具体是一种钻柱粘滑振动参数的测试方法及装置。

背景技术

粘滑振动是指钻头以“粘滞”与“滑动”交替出现的一种现象，在粘滞阶段，钻头停止转动而钻柱在顶部转盘的驱动下继续扭转，当钻柱扭转所积蓄的能量足以克服钻头和钻柱受到的摩擦力和摩擦扭矩时，粘滞的钻头又开始滑动；在滑动阶段，钻柱积蓄的能量瞬间释放，使得钻头的转动速度数倍于地表转盘转速，从而完成一次“粘滞”与“滑动”的过程。鉴于大位移井具有水平位移大、大斜度井段长、钻柱等效扭转刚度小的显著特征，且钻井过程中大部分钻柱几乎躺在井眼的低边，从而导致大位移井内的钻柱很容易产生粘滑振动。

粘滑振动对钻进的影响主要有：1)滑动阶段高速转动对钻头冲击大，增大钻头磨损，加速钻头失效；2)粘滑振动用于破岩的能量比例小，消耗井口驱动装置提供的能量；3)粘滑振动本身及其引起的其他振动(如轴向、横向、扭转振动)加速下部钻具的疲劳失效；4)粘滑振动会增加钻柱的磨损，导致钻柱的提前失效；5)降低钻进连续性及井身质量，增加纯钻进时间及起下钻次数，降低钻进效率。因此，粘滑振动是一种破坏性极强的扭转振动，此外，粘滑振动还会与其他形式的振动形成新的稱合振动，由于其产生的扭矩波动较大，不仅降低钻井效率，而且严重的威胁着钻井安全，也是一种不容忽视的破坏性振动。

当然，为减缓或避免钻井过程中钻柱的粘滑振动，科技工作者已经提出了很多种粘滑振动的减振方法，主要包括两种：一种是通过理论建模的方法求解下部钻具的运动形式及运动规律，然后改变钻井参数以减缓或避免粘滑振动；另一种是优化钻头及井身结构或使用井下工具(如柔式减振器和扭转冲击器)，然而，没有一种方法可以完全的解决粘滑振动的问题。理论研究表明：确定需要调节的钻井参数是抑制钻井过程中粘滑振动的关键，而在钻井参数中，对粘滑振动影响最大的2个参数是钻压与转速，且某一钻压下存在一个发生粘滑振动的临界转速，当转速高于临界转速时粘滑振动将消失，临界转速与钻具组合及地层条件等有关，由于不同钻井工况的参数不同，故很难通过理论计算的方法确定钻压和转速，但可通过测试的方法来确定钻柱粘滑振动的参数(如钻压和转速等)，并进一步弄清粘滑振动机理。

目前，国内还没有可以测试钻柱在实际钻进工况下粘滑振动参数的测试装置，无法准确获取钻柱发生粘滑振动所对应的钻井参数，从而不能彻底解决钻柱粘滑振动的问题，为此，本发明提出一种钻柱粘滑振动参数的测试方法及装置，该装置可开展钻柱在不同钻进工况下工作的模拟试验，并准确获取钻柱在不同钻井工况下的粘滑振动参数，从而实现对钻柱粘滑振动的控制。

发明内容

本发明的目的是，提出一种钻柱粘滑振动参数的测试方法及装置，以解决不同钻进工况下钻柱粘滑振动参数难以准确获取的技术难题，并在达到上述目的的同时，简化测试装置的复杂性，降低测试装置的成本。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

所述的钻柱粘滑振动参数的测试方法包括以下步骤：

a)设定井架的井斜角及电机的转速。

b)启动电机带动钻柱和钻头在井筒内开始旋转，同时采用高速摄像机对钻头的转动规律进行观测并记录。

c)采用液缸通过柱塞和钻柱缓慢给钻头施加钻压，并利用应变计测试施加到钻头上的钻压，同时观察钻头的转动规律。

d)缓慢增加钻压，直到钻头粘滞(停止转动)为止，记录钻头粘滞时所对应的钻压。

e)保持钻头粘滞时所对应的钻压及电机的转速不变，让钻柱在电机带动下继续旋转，直到粘滞的钻头重新开始滑动，用高速摄像机记录钻头从粘滞到滑动所需的时间和钻头重新开始滑动的瞬间转动速度(主要包括转速、钻压、钻头从粘滞到滑动的时间、开始滑动的瞬间转动速度)。

f)停止电机，释放施加到钻头上的钻压。

g)改变井架的井斜角或电机的转速，重复步骤(1)～步骤(6)，可以获得不同井斜角或转速下钻头粘滞所对应的钻压和钻头从粘滞到重新滑动所需的时间及钻头重新开始滑动的瞬间转动速度，从而确定钻柱在不同钻井工况下的粘滑振动参数。

为使用上述方法，本发明提供一种钻柱粘滑振动参数的测试装置，其特征在于，主要包括：液压支架、应变计、井架、柱塞、电机、传动齿轮、钻柱、第一滑动轴承、第二滑动轴承、井筒、移动夹持钳、高速摄像机、监测窗口、钻头、岩芯、滑动支架和滑轨。其中，带柱塞的液缸、电机、第一滑动轴承、第二滑动轴承、井筒、移动夹持钳均与井架连接；井架可在液压支架和滑动支架的共同作用下旋转角度并定位，从而实现不同井斜角(0-90°)下的钻进模拟；钻柱、井筒和钻头的尺寸均按油田现场常用的井身结构通过相似性原理设计；电机用于给整个测试装置提供动力，带动钻柱(包括钻杆、钻铤及井下工具)和钻头旋转；传动齿轮用于传递电机的动力；液压支架固定于底座1上，可伸长缩短并定位，滑动支架可在滑轨内左右滑动；液缸用于通过柱塞和钻柱给钻头施加钻压，应变计用于测量施加到钻头上的钻压；第一接头用于连接钻柱和钻头，第二接头用于连接井筒和岩芯槽；移动夹持钳可以在井架上左右滑动，用于固定整个井筒；第一滑动轴承和第二滑动轴承可在井架上左右滑动，用于对整个钻柱进行定位，钻柱可在第一滑动轴承和第二滑动轴承内转动；高速摄像机可通过监测窗口观测并记录整个测试过程。

本发明的优点是：

(1)该装置可开展钻柱在不同钻进工况下粘滑振动的模拟试验，并准确获取钻柱在不同钻井工况下的粘滑振动参数，为减缓或避免钻柱在不同钻井工况下的粘滑振动提供了重要的试验数据，同时也为不同钻井工况下钻柱粘滑振动机理的研究提供了较为完备中间试验条件；

(2)装置结构简单，操作方便，成本低廉，能真实模拟不同水平井内钻柱粘滑振动的过程。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明进行详细描述。

所述的钻柱粘滑振动参数的测试方法包括以下步骤：

a)设定井架4的井斜角及电机7的转速。

b)启动电机7带动钻柱10和钻头17在井筒12内开始旋转，同时开启高速摄像机15对钻头17的转动规律进行观测并记录。

c)采用液缸5通过柱塞6和钻柱10缓慢给钻头17施加钻压，并利用应变计3测试施加到钻头17上的钻压，同时观察钻头17的转动规律。

d)缓慢增加钻压，直到钻头17粘滞(停止转动)为止，记录钻头17粘滞时所对应的钻压。

e)保持钻头17粘滞时所对应的钻压及电机7的转速不变，让钻柱10在电机带动下继续旋转，直到粘滞的钻头17重新开始滑动，用高速摄像机15记录钻头17从粘滞到滑动所需的时间和钻头17重新开始滑动的瞬间转动速度。

f)停止电机7，释放施加到钻头17上的钻压。

g)改变井架4的井斜角或电机的转速，重复步骤(1)～步骤(6)，可以获得不同井斜角或转速下钻头17粘滞所对应的钻压和钻头17从粘滞到重新滑动所需的时间及钻头17重新开始滑动的瞬间转动速度，从而确定钻柱10在不同钻井工况下的粘滑振动参数(主要包括转速、钻压、钻头17从粘滞到滑动的时间、重新开始滑动的瞬间转动速度)。

参看图1，为使用上述方法，本发明提供一种钻柱粘滑振动参数的测试装置，其特征在于，主要包括：液压支架2、应变计3、井架4、柱塞6、电机7、传动齿轮8、钻柱10、第一滑动轴承9、第二滑动轴承11、井筒12、移动夹持钳13、高速摄像机15、监测窗口16、钻头17、岩芯18、滑动支架21和滑轨22。其中，带柱塞6的液缸5、电机7、第一滑动轴承9、第二滑动轴承11、井筒12、移动夹持钳13均与井架4连接；井架4可在液压支架2和滑动支架21的共同作用下旋转角度并定位，从而实现不同井斜角(0-90°)下的钻进模拟；钻柱10、井筒12和钻头17的尺寸均按油田现场常用的井身结构通过相似性原理设计；电机7用于给整个测试装置提供动力，带动钻柱10(包括钻杆、钻铤及井下工具)和钻头17旋转；传动齿轮8用于传递电机7的动力；液压支架2固定于底座1上，可伸长缩短并定位，滑动支架21可在滑轨22内左右滑动；液缸5用于通过柱塞6和钻柱10给钻头17施加钻压，应变计3用于测量施加到钻头17上的钻压；第一接头19用于连接钻柱10和钻头17，第二接头20用于连接井筒12和岩芯槽14；移动夹持钳13可以在井架4上左右滑动，用于固定整个井筒12；第一滑动轴承9和第二滑动轴承11可在井架4上左右滑动，用于对整个钻柱10进行定位，钻柱10可在第一滑动轴承9和第二滑动轴承11内转动；高速摄像机15可通过监测窗口16观测并记录整个测试过程。