连续油管套管开窗振动分析.docx

连续油管套管开窗振动分析引言连续油管钻井（CTD）技术作为一种新型且快速发展的钻井作业手段，以其 良好的现场作业效果和众多的作业优势越来越受到油田作业者的关注进入20 世纪80年代以来，世界范围内各大油［□相继进入开发后期，油藏开发难度逐渐 增加，油藏开发形势、油藏地质条件等因素对钻井的要求越来越苛刻连续油管 开窗侧钻为解决上述问题提供了 了一个很好的途径套管开窗的好坏言接影响后 续侧钻井下钻具组合能否顺利下入井中以及钻井的质量影响开窗质量的因素主 要有造斜器的性能，钻头的类型，钻压的施加，钻井液的使用及控制及操作人员 的操作等其中，上述原因都涉及到振动的影响，振动常常也会导致开窗作业过 程中常常出现井底钻具的严重破坏、随钻测量设备的频繁失效等，所以研究振动 对开窗质量的影响具有重要意义造斜器振动的影响连续油管过油管开窗侧钻技术包括水泥塞开窗侧钻技术、水泥环内置造斜器 开窗侧钻技术和过油管造斜器开窗侧钻技术三种技术的主要差别在于开窗和出 老井眼的导向方式上H前，水泥塞开窗侧钻技术比较成熟，应用广泛，是三种 技术中最可靠、经济的一•种但是，水泥塞开窗侧钻和水泥环内置造斜器开窗侧 钻所需的工序多，需要多次起下钻，加速了连续油管的疲劳磨损，血连续油管造 斜器开窗侧钻可实现“单程”下造斜器和开窗作业，延长了连续油管使用寿命。

所以，造斜器开窗侧钻越来越受到油皿作业者的关注常用的造斜器还有滑块定位式、撑块卡固式、偏斜定位套式等造斜器 的类型和锚固方式对振动的产生具有重要影响传统的与弹性元件配合使用的造 斜器由于使用弹性元件，往往会导致封隔器存在不利的微小位移，而产生振动影 响开窗铳锥齿的切削深度，从而产生更大的振动，加速了铳锥的破坏和窗口质量 的下降此外，由于连续油管开窗侧钻常常需要过直径小于套管的油管，所以造 斜器直径往往比油管要小，当座封或锚固好造斜器下入开窗钻具组合后，造斜器 导斜面由于受到钻具的作用和自身刚度的限制会产生快速的小变形（如图所 示），这将导致不规则的切入深度，随机的大切入深度会瞬时消耗马达大量能量 并随之产生振动这些振动乂会反作用加剧不规则切削，不规则切削乂会加剧不 规则快速位移和振动这些都会降低开窗速度，导致马达失速和开窗质量下降 所以，改进造斜器的紧固方式和增人造斜器导斜体的刚度有利于减少造斜器的有 害位移和变形，从而减少振动的产生图1造斜器导斜体变形前后图钻头结构和几何形状的差异产生的振动不同造斜器开窗侧钻使用的开窗铳锥有很多利I,不同结构的铳锥切削原理和所需 切削力的大小各不相同。

不同的工具类型基本要求是和似的，即开窗速度快，耐 磨性好，几何形状利于切削、磨铳，磨铳负荷小，便于排屑，不易卡钻下图2 为几种不同的开窗铳刀从图2可以看出，由于切削齿的不连续导致开窗过程中 铳锥受力呈现循环变化状态，必然导致振动的产生铳锥的结构不同也会导致磨 铳时振动的振幅和频率的不同此外，磨铳中由于磨损而引起的钻头受力不平衡 必然会导致振动的产生通过检测发现，当钻头位于底部吋会出现破坏性的振动, 钻头是最大的振动幅值的激励源钻头的振动会导致无序的切削，引起其他元件 的振动，很有可能因此损坏钻头和导致其他元件失效，使开窗失败复式饶锥单成铳锥图2套管开窗饶锥钻压的施加对振动影响由于连续油管的刚度远小于常规钻杆的刚度，所以钻床的施加往往比较困难 和不易控制开窗过程中钻床的施加直接影响铳锥齿切入套管壁的深度，进而影 响马达瞬吋输出扭矩的变化钻压施加不稳会直接导致钻头切削力的变化，引起 振动的发牛实验和现场观测表明，钻床是随时间而波动的这样，通常作为钻 柱振动方程中参数的钻床便以随吋间而变化的变量形式出现，因而导致了钻柱参 数激励振动的发生这种情况下，尽管激励力是纵向的，但却可以使钻柱产生横 向的振动，为所施加的轴向参激频率是横向振动基频的有限倍数时，就可能激发 出横向振动。

在钻井过程中，由于钻柱中钻压随吋间的波动，从而导致了钻柱系 统参数激励振动现象的发生这吋，尽管激励力是纵向的，却可以使钻柱产生出 横向的振动，而且与一般的外激励不同，小的参数激励可以在其频率远离于钻柱 系统固有频率的情况卜造成很大的振动响应半钻床波动的频率为钻柱横向振动 怙1有频率的有限倍数时，就可能激发出钻柱横向共振，这一•参数共振与i般的共 振不同，通常有连续的失稳区域因此，所造成的危害可能更大，情况也更为复 杂有效的控制钻压对于较少开窗中的振动和保护井下工具以及获得较好质量窗 口至关重要钻井液的使用产生的振动开窗吋使用的钻井液具有高压和高速的特点，用来冷却钻头，清除铁屑和提 供适当的破坏套管结构的能力开窗的钻井液既nJ以使用常规家小钻井液，也可 以使用密度较低的钻井液实现欠平衡条件下开窗由于钻井液中有气体或其他流 体的高速流动，就会引起连续油管柱的振动连续油管柱振动产生的附加动载又 会改变连续油管柱的应力分布和影响钻爪，对油管的强度和疲劳特性以及铳锥工 作状况都有影响以井口为坐标原点，垂直向下为正，建立如下图3所示坐标系图3坐标系在具有一定压力和流速的流体作用下，连续油管柱的内壁上均会产生流体动 压力。

如果连续油管柱还要受到各种类型的振动荷载的作用，则内部流体又会引 起附加的流体动丿玉力将连续油管柱简化为等截面直管，内部充满流体对于这 样的内部充满流体的等截面直管，受振动荷载时，流体应满足一维波动方程：龙=丄芒 (1)W K2^t由此可求得流体对连续油管柱的液动压力p,其小k为声波速度从液体的动能 原理出发，可以把上而己求得的流体液动床力对连续油管柱振动的影响折算成相 应的附加质量代入连续油管柱振动方程，并认为连续油管柱按任一振型〃〃做频率为0”的简谐自由振动从而得到考虑流体附加液动压力时的连续油管柱纵向振动方程为(2)7式中加f (x) =—-—— cos— fH sin — xdx这项是流体的附加质量 八 JLl n 21 厂 I小结本文分析了连续油管开窗过程中产生振动的相关因素及其对开窗质量的影 响，通过以上分析有助于我们正确处理开窗过程中产生的振动，为实际开窗提供 优化解决的办法参考文献[1] 蔡亚四，施太和.连续油管柱振动分析[J]•西南石油学院学报，1998[2] 屈展.钻压波动导致的钻柱参激振动分析[J].石油机械，1994。