PDC切削齿切削深度对PDC钻头黏滑振动影响动态实验

石李保 邹德永 王皓琰 汪威 宋洵成

石李保,邹德永,王皓琰,汪威,宋洵成. PDC切削齿切削深度对PDC钻头黏滑振动影响动态实验[J]. 石油钻采工艺,2021,43(6):750-755,790 doi:  10.13639/j.odpt.2021.06.010
引用本文: 石李保,邹德永,王皓琰,汪威,宋洵成. PDC切削齿切削深度对PDC钻头黏滑振动影响动态实验[J]. 石油钻采工艺,2021,43(6):750-755,790 doi:  10.13639/j.odpt.2021.06.010
SHI Libao, ZOU Deyong, WANG Haoyan, WANG Wei, SONG Xuncheng. Dynamic experimental on the influence of cutting depth of PDC cutter on stick-slip oscillation of PDC bit[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2021, 43(6): 750-755, 790 doi:  10.13639/j.odpt.2021.06.010
Citation: SHI Libao, ZOU Deyong, WANG Haoyan, WANG Wei, SONG Xuncheng. Dynamic experimental on the influence of cutting depth of PDC cutter on stick-slip oscillation of PDC bit[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2021, 43(6): 750-755, 790 doi:  10.13639/j.odpt.2021.06.010

PDC切削齿切削深度对PDC钻头黏滑振动影响动态实验

doi: 10.13639/j.odpt.2021.06.010
基金项目: 中国石油勘探开发研究院科研项目“钻柱系统黏滑振动机理与钻头自适应限位齿控制单元研究”(编号:2017ycq13)
详细信息
    作者简介:

    石李保(1976-),中国石油大学(华东)油气井工程专业在读博士研究生,现从事钻井方案、钻井提速理论与装备研究,高级工程师。通讯地址:(100083) 北京市海淀区学院路20号。E-mail:shilibao@petrochina.com.cn

    通讯作者:

    宋洵成(1972-),现从事油气井流体力学与工程、岩石破碎理论与工程和井下信息控制等方向的研究,副教授。通讯地址:(266580)山东省青岛市黄岛区长江西路66号。E-mail: songxuncheng@upc.edu.cn

  • 中图分类号: TE921.1

Dynamic experimental on the influence of cutting depth of PDC cutter on stick-slip oscillation of PDC bit

  • 摘要: 通过室内动态破岩实验,研究切削齿切削深度及岩石可钻性对PDC钻头黏滑振动的影响。选取了红砂岩、黄砂岩、白砂岩和花岗岩4种不同岩性、400 mm×400 mm×400 mm的天然岩石作为实验岩样,通过改变钻压,分析切削齿切削深度、岩石可钻性与钻头黏滑振动的关系。选取扭矩和转速波动作为黏滑振动特征参数来描述PDC钻头黏滑振动现象,对其进行无因次化处理,定义为黏滑严重度,并分别建立了PDC钻头黏滑严重度、扭矩振幅,与平均每转切削深度和岩石可钻性的二元非线性关系模型。实验结果表明:实验室条件下扭矩黏滑严重度差异性更加明显;实验的5种钻压下,扭矩黏滑严重度均随岩样可钻性级值的增加而显著增加;PDC钻头每转切削深度增加,扭矩黏滑严重度显著增加。
  • 图  1  XY-2B型钻机

    Figure  1.  XY-2B rig

    图  2  实验用PDC钻头

    Figure  2.  Experimental PDC bit

    图  3  实验岩样

    Figure  3.  Experimental rock sample

    图  4  平均切削深度随钻压变化曲线

    Figure  4.  Variation of average cutting depth with WOB

    图  5  转速黏滑严重度随比钻压变化曲线

    Figure  5.  Variation of ROP stick-slip severity with specific WOB

    图  6  扭矩参数随比钻压变化曲线

    Figure  6.  Variation of torque parameter with specific WOB

    图  7  扭矩黏滑严重度随切削深度变化曲线

    Figure  7.  Variation of torque stick-slip severity with cutting depth

    图  8  扭矩黏滑严重度随可钻性级值变化曲线

    Figure  8.  Variation of torque stick-slip severity with drillability grade value

    图  9  扭矩振幅随钻压变化拟合

    Figure  9.  Variation of torque amplitude with WOB

    表  1  实验岩样可钻性级值

    Table  1.   Drillability grade value of experimental rock sample

    岩样可钻性级值Kd代表地层
    红砂岩2.546软地层
    黄砂岩3.818中硬地层
    白砂岩4.738中硬地层
    花岗岩7.565硬地层
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    表  2  扭矩黏滑严重度回归统计结果

    Table  2.   Regression statistics of torque stick-slip severity

    线性回归二阶多项式回归
    参数数值参数数值
    R0.823714134R0.961281905
    R20.678504974R20.924062901
    Adjusted R20.64068203Adjusted R20.896942509
    标准误差3.086764087标准误差1.653117613
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    表  3  扭矩振幅二阶多项式回归统计结果

    Table  3.   Regression statistics of torque amplitude by second-order polynomial

    参数数值
    R0.961281905
    R20.924062901
    Adjusted R20.896942509
    标准误差1.653117613
    观测值20
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出版历程
  • 修回日期:  2021-10-15
  • 网络出版日期:  2022-06-08
  • 刊出日期:  2022-07-06

PDC切削齿切削深度对PDC钻头黏滑振动影响动态实验

doi: 10.13639/j.odpt.2021.06.010
    基金项目:  中国石油勘探开发研究院科研项目“钻柱系统黏滑振动机理与钻头自适应限位齿控制单元研究”(编号:2017ycq13)
    作者简介:

    石李保(1976-),中国石油大学(华东)油气井工程专业在读博士研究生,现从事钻井方案、钻井提速理论与装备研究,高级工程师。通讯地址:(100083) 北京市海淀区学院路20号。E-mail:shilibao@petrochina.com.cn

    通讯作者: 宋洵成(1972-),现从事油气井流体力学与工程、岩石破碎理论与工程和井下信息控制等方向的研究,副教授。通讯地址:(266580)山东省青岛市黄岛区长江西路66号。E-mail: songxuncheng@upc.edu.cn
  • 中图分类号: TE921.1

摘要: 通过室内动态破岩实验,研究切削齿切削深度及岩石可钻性对PDC钻头黏滑振动的影响。选取了红砂岩、黄砂岩、白砂岩和花岗岩4种不同岩性、400 mm×400 mm×400 mm的天然岩石作为实验岩样,通过改变钻压,分析切削齿切削深度、岩石可钻性与钻头黏滑振动的关系。选取扭矩和转速波动作为黏滑振动特征参数来描述PDC钻头黏滑振动现象,对其进行无因次化处理,定义为黏滑严重度,并分别建立了PDC钻头黏滑严重度、扭矩振幅,与平均每转切削深度和岩石可钻性的二元非线性关系模型。实验结果表明:实验室条件下扭矩黏滑严重度差异性更加明显;实验的5种钻压下,扭矩黏滑严重度均随岩样可钻性级值的增加而显著增加;PDC钻头每转切削深度增加,扭矩黏滑严重度显著增加。

English Abstract

石李保,邹德永,王皓琰,汪威,宋洵成. PDC切削齿切削深度对PDC钻头黏滑振动影响动态实验[J]. 石油钻采工艺,2021,43(6):750-755,790 doi:  10.13639/j.odpt.2021.06.010
引用本文: 石李保,邹德永,王皓琰,汪威,宋洵成. PDC切削齿切削深度对PDC钻头黏滑振动影响动态实验[J]. 石油钻采工艺,2021,43(6):750-755,790 doi:  10.13639/j.odpt.2021.06.010
SHI Libao, ZOU Deyong, WANG Haoyan, WANG Wei, SONG Xuncheng. Dynamic experimental on the influence of cutting depth of PDC cutter on stick-slip oscillation of PDC bit[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2021, 43(6): 750-755, 790 doi:  10.13639/j.odpt.2021.06.010
Citation: SHI Libao, ZOU Deyong, WANG Haoyan, WANG Wei, SONG Xuncheng. Dynamic experimental on the influence of cutting depth of PDC cutter on stick-slip oscillation of PDC bit[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2021, 43(6): 750-755, 790 doi:  10.13639/j.odpt.2021.06.010
  • 随着石油工业的发展,在钻井工程中,深井和超深井所占比例增加[1-2]。随着井下测量系统的发展与完善,钻井工程师发现使用PDC钻头进行钻进时井下易发生黏滑振动[3-5]。国内外学者通过机理分析、实验分析及模拟研究等方法[6-9],认为钻头与岩石之间的相互作用是引起钻头黏滑振动的主要原因之一[10-12],钻头发生黏滑振动后,还会引发和诱导共振的产生,钻井系统做不规则的变速运动,扭转振动、轴向振动、横向振动之间还会产生耦合作用[13],使黏滑振动进一步增强。

    黏滑振动发生时主要特征是钻头处于低速转动甚至停转(转速低于地面转速甚至为0,称为黏滞相)和高速转动(转速达到地面转速的两倍及以上,称为滑脱相)的周期交替状态[14-15]。岩石力学性质或切削齿切削深度发生变化时,施加给钻头的主动扭矩小于破碎岩石所需扭矩时,钻头转速减小甚至停止转动。随着转盘等地面驱动系统持续带动钻柱转动,钻柱中的扭转势能持续累积,当施加在钻头上的主动扭矩大于破碎岩石所需扭矩时,钻柱中的扭转势能会突然释放,使钻头转速急剧上升。钻柱扭转势能得到释放后,施加给钻头的主动扭矩不断减小,导致钻头转速再次降低甚至停转。上述过程不断交替重复,形成周期性的自激励黏滑振动。

    钻进参数对于黏滑振动的影响较大[16-18],且随着钻探深度增加,钻头的工作环境变得越来越复杂,地层复杂多变,黏滑振动更容易发生[19]。尽管导致PDC钻头黏滑振动的机理认识不统一,但反映在力学和运动参数上均表现为扭矩和转速的周期性波动,其根本原因是地层钻进时切削深度突变。笔者通过室内实验方法,以不同岩性岩样为破岩对象,研究不同钻进参数下钻头的转速、扭矩等井下参数的波动规律与切削深度的关系,分析切削深度及岩性对黏滑振动的影响。

    • 实验装置为中国石油大学(华东)岩石破碎实验室XY-2B钻机,主要由转速控制系统、钻压控制系统、传感器及数据采集系统组成[20] ,见图1

      图  1  XY-2B型钻机

      Figure 1.  XY-2B rig

      实验钻头为胎体式PDC钻头,直径114.3 mm,内锥角75°,冠顶旋转半径44 mm,冠顶圆半径与外锥高度都为32.2 mm。PDC切削齿直径13.44 mm,后倾角10°,侧转角0°(图2)。

      图  2  实验用PDC钻头

      Figure 2.  Experimental PDC bit

    • 实验用XY-2B钻机通过转速控制系统调节转速,通过钻压控制系统调节钻压,方钻杆传递扭矩,带动钻杆和钻头旋转。

      XY-2B钻机转速控制系统转速选择有限制,所以实验转速选定为49 r/min。由于室内实验所用PDC钻头与现场应用钻头具有一定的差异,为了结果的真实性,进行比钻压(钻压与PDC钻头直径的比值)计算,实验选定钻压6、11、16、21、26 kN对应比钻压分别为0.052、0.096、0.140、0.184、0.227 kN/mm。

      针对PDC钻头适用地层范围,选取了红砂岩、黄砂岩、白砂岩和花岗岩(图3)等4种不同岩性的岩石,红砂岩、黄砂岩和白砂岩表征实际工况中钻遇的砂岩井段,花岗岩表征实际工况中钻遇的硬岩井段。实验岩样尺寸400 mm×400 mm×400 mm。采用岩石可钻性级值表征岩性[21-22]。使用中国石油大学(华东)岩石破碎实验室的华石-Ⅲ可钻性测定仪测定了4种岩石的可钻性级值,结果见表1

      图  3  实验岩样

      Figure 3.  Experimental rock sample

      表 1  实验岩样可钻性级值

      Table 1.  Drillability grade value of experimental rock sample

      岩样可钻性级值Kd代表地层
      红砂岩2.546软地层
      黄砂岩3.818中硬地层
      白砂岩4.738中硬地层
      花岗岩7.565硬地层
    • PDC钻头在钻压的作用下吃入岩石,一般情况下,钻压越大,切削齿吃入岩石越深,切削深度越大。平均每转切削深度的计算公式[23]

      $$ {D_{{\text{OC}}}} = {{16.67{R_{{\text{OP}}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{16.67{R_{{\text{OP}}}}} N}} \right. } N} $$ (1)

      式中,DOC为平均每转切削深度,mm/r;ROP为机械钻速,m/h;N为转速,r/min。

      实验数据回归分析结果见图4,可以看出,实验室条件下,切削深度与钻压间呈线性正相关关系,切削齿切削深度随钻压增加而增大,且随可钻性级值增加,钻压对切削齿切削深度的影响逐渐降低。

      图  4  平均切削深度随钻压变化曲线

      Figure 4.  Variation of average cutting depth with WOB

      图4可看出,各回归方程的R2均在0.95以上,拟合程度优,通过引入相关性系数AB得到

      $$ {D_{{\text{OC}}}} = A{K_\text{d}}W + B $$ (2)

      式中,Kd为地层可钻性级值;W为比钻压,kN/mm;AB为与地层性质相关的系数。

      根据图4可知,在钻进4种不同岩性岩样时,在钻压超过21 kN(比钻压0.184 kN/mm)后,红砂岩的切削齿切削深度增大幅度趋缓,而黄砂岩、白砂岩和花岗岩的平均切削深度则基本与钻压呈线性正相关关系增大。说明在钻压超过一定数值后,切削深度与钻压呈非线性正相关关系增大,且转折处的数值大小与可钻性等岩性相关。

      从PDC钻头破岩过程来看,在其他条件都相同的情况下钻进时,增大钻头处的钻压,使PDC钻头切削齿吃入地层的深度增加,使得单位时间内的破碎岩石的体积增大,在钻头黏滑振动较弱时加快了破岩进程,破岩效率得到提高。

    • 选取扭矩和转速波动作为黏滑振动特征参数来描述PDC钻头黏滑振动现象,针对黏滑振动特征参数进行量纲分析,选取转速和扭矩作为物理量,一般数学上会将特征参量进行无因次处理来使关系模型的建立更加准确。将扭矩和转速波动按照下式进行无因次处理,定义为黏滑严重度[12]

      $$ {S_{\text{t}}} = \frac{{{T_{\max }} - {T_{\min }}}}{{2\bar T}} $$ (3)
      $$ {S_{\text{r}}} = \frac{{{R_{\max }} - {R_{\min }}}}{{2\bar R}} $$ (4)

      式中,St为以扭矩波动描述的黏滑严重度,无量纲;Tmax为扭矩波峰,N·m;Tmin为扭矩波谷,N·m;$ \bar T $为平均扭矩,N·m;Sr为以转速波动描述的黏滑严重度,无量纲;Rmax为转速波峰,r/min;Rmin为转速波谷,r/min;$ \bar R $为平均转速,r/min。

      通过对实验采集数据处理分析,4种实验岩样的转速黏滑严重度如图5所示,可以看出,在实验室条件下,转速黏滑严重度分布范围15%~20%。随着钻压升高,波动幅度略有增加,与岩石可钻性级值即岩石工程力学性质关系不明显。

      现场井下监测数据表明,增加钻压,黏滑振动程度增大,转速波动加剧[13]。但由于实验钻杆较短,钻柱扭转刚度因其长度较小而相对较大,转速波动程度较小。由于实验室条件下,主要是扭转振动,且转速波动变化不明显,因此主要利用扭矩波动进行分析。平均扭矩、扭矩振幅和扭矩黏滑严重度随比钻压变化见图6

      图  5  转速黏滑严重度随比钻压变化曲线

      Figure 5.  Variation of ROP stick-slip severity with specific WOB

      图  6  扭矩参数随比钻压变化曲线

      Figure 6.  Variation of torque parameter with specific WOB

      图6可看出,平均扭矩随钻压增加而增大,但对不同岩性影响程度不同,影响程度与可钻性级值成负相关关系;随着可钻性级值增加,钻压对平均扭矩的影响逐渐降低。4种岩样的扭矩振幅随钻压增加而急剧加大,可钻性越低,扭矩振幅增大幅度越大。4种岩样的扭矩黏滑严重度随钻压增加而增大,但对不同岩性影响程度不同,影响程度与可钻性级值成正相关关系;可钻性级值对其影响程度影响较大,红砂岩和黄砂岩在实验范围内已出现增加趋势减缓段,而白砂岩和花岗岩仍处于快速增长阶段。

      钻压大小和岩石可钻性决定了切削深度和钻头破碎岩石时的主动扭矩大小。随钻压增加切削深度增加,岩石对钻头的反作用扭矩增大,钻头克服反作用扭矩的主动扭矩增大,使得钻头的平均扭矩、扭矩振幅和黏滑严重度增大,同时扩大了切削深度范围,即扩大了扭矩波动范围区间,使得黏滑振动程度增大。切削深度的大小不仅与钻压有关,还与岩石的力学性质有关,二者共同决定着切削深度的大小和变化范围,从而影响钻头的黏滑振动程度。

      4种实验岩样的切削深度与扭矩黏滑严重度关系见图7,不同钻压下,岩石可钻性级值与扭矩黏滑严重度关系见图8

      图  7  扭矩黏滑严重度随切削深度变化曲线

      Figure 7.  Variation of torque stick-slip severity with cutting depth

      图  8  扭矩黏滑严重度随可钻性级值变化曲线

      Figure 8.  Variation of torque stick-slip severity with drillability grade value

      图7中,白砂岩和花岗岩的扭矩波动随钻压增幅显著高于红砂岩和黄砂岩,这表明钻压对PDC钻头破碎高可钻性级值地层时的黏滑严重度影响更加显著。图8表明,随可钻性级值增加,5种钻压下的扭矩黏滑严重度均增加。这是因为,随着岩石可钻性级值增大和岩石强度增大,钻头破碎相同体积岩石所需的主动扭矩增大,使扭矩波动加剧,加剧了黏滑振动。

    • 实验结果表明,PDC钻头的切削深度和岩样的可钻性级值是影响扭矩黏滑严重度的两个重要参数,为此,建立考虑上述2种因素的黏滑振动预测二元关系模型。

    • (1)线性回归分析。扭矩黏滑严重度与可钻性级值和平均每转切削深度的数学关系都可近似看作线性,应用多元线性回归统计分析方法,建立考虑可钻性级值和平均每转切削深度的扭矩黏滑振动关系模型见式(5)。统计结果见表2

      $$ {S_{\text{t}}} = 2.712{K_{\text{d}}} + 0.965{D_{{\text{OC}}}} - 1.6 $$ (5)

      表 2  扭矩黏滑严重度回归统计结果

      Table 2.  Regression statistics of torque stick-slip severity

      线性回归二阶多项式回归
      参数数值参数数值
      R0.823714134R0.961281905
      R20.678504974R20.924062901
      Adjusted R20.64068203Adjusted R20.896942509
      标准误差3.086764087标准误差1.653117613

      (2)二阶多项式回归。将扭矩黏滑严重度与可钻性级值和平均每转切削深度的数学关系看作二阶多项式,应用多元线性回归统计分析方法,建立考虑可钻性和平均切削深度的扭矩黏滑振动关系模型见式(6)。统计结果见表2

      $$\begin{split} {S_{\text{t}}} =& 0.1764{K_{\text{d}}} + 0.115K_{\text{d}}^2 + 1.1282{K_{\text{d}}}{D_{{\text{OC}}}} +\\ &0.0406{D_{{\text{OC}}}}^2 - 2.7125{D_{{\text{OC}}}} + 5.3741 \end{split}$$ (6)

      扭矩黏滑严重度关系模型回归分析结果表明:①二阶多项式回归的复相关系数R为0.96,大于线性回归值0.82,由于复相关系数越大,因变量与自变量相关程度越高,故二阶多项式具有更高相关性;②调整多重判定系数(Adjusted R2)是度量多元回归方程拟合优度的一个统计量,其值越大,回归值与各观测点越接近,拟合程度越好,二阶多项式回归的该值为0.89,大于线性回归值0.64;③标准误差是度量各实际观测点与回归预测值靠近程度的一个统计量,靠近程度越高,标准误差越小,二阶多项式回归的标准误差为1.65,小于线性回归。从以上3点可以看出,二阶多项式回归关系模型更优。

    • 首先基于单因素数学关系分析,建立单因素关系模型,进行线性变换,进而进行二元线性回归。分别应用线性、多项式、指数和对数等多种函数关系拟合4种岩样的扭矩振幅与切削深度关系,对比拟合相关性。选取相关系数最高的二阶多项式表征平均每转切削深度与扭矩振幅的函数关系。二阶多项式拟合结果如图9所示。

      图  9  扭矩振幅随钻压变化拟合

      Figure 9.  Variation of torque amplitude with WOB

      应用二阶多项式关系,将每转切削深度和岩石可钻性级值对扭矩振幅的影响进行线性处理,并应用最小二乘法,建立回归关系模型见式(7)。统计结果见表3

      $$ \begin{split} {A_{\text{t}}} =& 3.9181{K_{\text{d}}} - 0.4526K_{\text{d}}^2 + 5.9146{K_{\text{d}}}d +\\ &0.3657{d^2} - 7.9476d - 6.8795 \end{split}$$ (7)

      式中,At为扭矩振幅,N·m。

      表 3  扭矩振幅二阶多项式回归统计结果

      Table 3.  Regression statistics of torque amplitude by second-order polynomial

      参数数值
      R0.961281905
      R20.924062901
      Adjusted R20.896942509
      标准误差1.653117613
      观测值20
    • (1)实验的5种钻压下,扭矩黏滑严重度均随岩样可钻性级值的增加而显著增加,实验范围内,二者基本呈线性关系。

      (2) PDC钻头每转切削深度增加,扭矩黏滑严重度显著增加,二者几乎呈线性关系,且岩石可钻性级值越高,斜率越大,切削深度对扭矩黏滑严重度影响越大。

      (3)建立了黏滑严重度与平均每转切削深度和岩石可钻性的二元非线性关系模型,相关系数高于0.95,进一步解释了PDC钻头黏滑振动主要依赖因素为每转切削深度和岩石可钻性。

      (4)实验数据有助于深入分析钻头黏滑振动的影响因素,为确定不同岩性钻进作业的合理切削深度范围和钻压的设计提供参考价值,从而有效抑制PDC钻头黏滑振动。

      (5)由于实验采用天然岩样进行室内破岩,与现场钻井过程所遇到的复杂地层状况仍存在一定的差异,后续研究可增加岩石种类,并调整转速、钻压等钻进参数范围,使实验结果更接近工程实际。

参考文献 (23)

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