非对称减振工具的安新装位置对钻扩组.docVIP

非对称减振工具的安装位置对钻扩组合 性能和可靠性的影响 Alan Kabbara等著 翻译：王福修（钻头研发中心） 审校：于建宾（钻头研发中心） 摘要：本文讨论的研究成果涉及到在试验钻机和全尺寸钻机上进行钻扩作业时非对称减振工具（AVDT）的安装位置。AVDT利用强加于钻柱的正向同步运动，能够减轻导致工具损坏的振动，从而提高机械钻速。使用AVDT的重要性在于：借助其产生的寄生扭矩（parasitic torque）最大程度地减轻卡滑，这一点在扩眼作业中非常重要。扩眼作业时，卡滑能够使机械钻速降低，并且会增大井底工具损坏的几率。已经显示，AVDT在扩眼作业中的应用显著减轻了卡滑。 由AVDT引起的正向同步运动会潜在地导致AVDT附近BHA部件的偏斜磨损。如果发展下去，该偏心磨损会降低井底工具寿命和钻进性能。消除偏心磨损将有利于减少维修成本、延长BHA部件寿命，进一步改善钻进性能。 为使偏心磨损降至最低程度并最大程度地提高钻进性能，AVDT位于BHA中的位置是至关重要的。本文将描述位于AVDT和井底扩眼器之间的中间稳定器的位置如何使井底扩眼器和附近钻柱的偏心磨损（由AVTD产生的正向同步回旋造成）降至最低程度。 同时，这种方法能够使人们认识到AVDT的所有益处。该项研究工作采用了小尺寸钻机试验、挪威Ullrigg试验基地全尺寸钻机试验以及美国现场钻扩作业的数据资料。 关键词：非对称减振工具 扩眼器 稳定器 正向同步回旋 扭转振动 卡滑 横向振动 位置 引 言 已经证明AVDT能够显著减轻钻进过程中的卡滑现象。这一点在卡滑现象经常发生的扩眼作业中尤为重要。在减轻卡滑的同时，也能够减轻横向振动、减小工具损坏速度、增加机械钻速。 AVDT能够减轻卡滑是利用了钻柱产生的温和的正向同步回旋（forward synchronous whirl（FSW））运动。这种运动与更具破坏性的反向回旋运动的方向相反，并且产生了有益的能够减缓卡滑上升阶段转速的摩擦扭矩。 因为产生了FSW运动，所以很重要的一点是：为了降低对扩眼器切削齿偏心磨损的可能性要认真考虑AVDT相对于扩眼器的位置。 扩眼器工具 扩眼器工具一般由安装在工具壳体内的三个可移动刀翼构成。工具刀翼伸出和缩回的方法有很多，但是典型的是通过液压机械的方法，即工具刀翼伸出和缩回需要的液压升高是依靠向井底投球（坐落在工具水眼上）取得的。有些扩眼器工具采用从地面向井底投放电子芯片的方法使刀翼伸出或缩回，但是这种技术尚未成熟。 在扩眼作业过程中，扭转振动和卡滑的发生是很普遍的。在卡滑发生期间，横向振动通常也会增加，因此最终的振动模式会导致工具损坏及机械钻速降低。 AVDT（非对称减振工具） AVDT工具的操作在以前的SPE/IADC128458论文中已经作过介绍。 在钻井过程中，振动会显著降低机械钻速、增大机械比能，并且会导致钻头和其他钻柱部件的损坏。振动的一种特殊模式是横向模式，在这种情况下钻柱或者BHA作回旋运 动。另一种具有破坏性的振动模式是扭转振动——尤其指卡滑。在发生卡滑期间横向模式和扭转模式有可能会耦合，就是说，在卡滑情况下的横向振动程度会增大，这将会在后面进行讨论。 在钻柱中存在三种类型的回旋：正向回旋——回旋的方向与钻柱的旋转方向相同；反向回旋——回旋的方向与钻柱的旋转方向相反；无序回旋——一种反向回旋，发生这种回旋时钻柱与井壁之间存在冲击（见图1-3）。由于钻柱与井壁之间存在固有的与钻柱旋转方向相反的摩擦力，所以反向回旋是一种最有可能发生的回旋。由于这种回旋对钻柱（如稳定器刀翼）具有不连续的特征，所以会发生冲击振动。 图1 反向回旋 图2 无序回旋 图3 正向回旋 由于回旋的方向与钻柱旋转方向相反，反向回旋特别容易导致钻柱内发生具有破坏性的交变弯曲应力，反向回旋引起的钻柱弯曲大约每转一周交变一次，可以通过图中的A点作出如下描述：位于钻柱弯曲外表面上的A点在大约钻柱旋转半周后逐渐移动到了弯曲内表面上从被拉伸状态转变成了被压缩状态；在钻柱旋转的下一个大约半周后，该点又将移回到弯曲外表面——又返回到被拉伸状态。这种循环将不断重复，因此钻柱将处在交变弯曲疲劳状态下。当某种因素（例如同心稳定器）导致发生严重振动的时候，钻柱的弯曲形状会使钻柱应力增大，而且高频率就意味着发生的任何疲劳损坏将会迅速聚集（图4，略）。如果高频率冲击现象也发生的话，那么将进一步加快钻柱的损坏。 相反，因为正向回旋与钻柱的旋转方向相同，所以发生交变弯曲的趋势减小了。这种情况下，位于钻柱弯曲外表面上的点B将会近似保持在弯曲外表面上，点B经历的交变弯曲频