哈法亚油田粘滑现象的研究

宋春光 于学瑞 仇常凯 庞茂源 曹正一

摘要：随着石油工业的发展，石油开采的重点逐渐朝着大位移井，超深井转移。随着井深和位移的增加，摩阻扭矩逐渐增大，钻柱出现“粘滑”现象，具体表现为在一段时间内钻头静止不动，当加在钻柱上的扭矩足够大时，钻柱扭矩释放，钻头突然高速转动，这对井下定向仪器和钻头都产生巨大的伤害，同时也会影响机械钻速，缩短钻具寿命。顶驱的速度、泥浆润滑性能、钻具的长度以及刚性都会影响震动的剧烈程度。

关键词：钻柱粘滑;转速;钻具刚性;钻压;转速;随钻监测

1 前言

石油钻井过程中，正常旋转钻进时钻具保持恒定转速，随着井底摩阻的增加，钻具底部会“粘附”在井底。这种“粘附”会一直持续到钻具扭矩超过钻具的静态扭矩，此时钻具会突然松开并且快速旋转，钻具此时的瞬时旋转速度远远高于钻具正常旋转速度（比正常旋转速度高2-5 倍），这就是所谓的粘滑振动[1]。随着底部钻具的突然释放，底部的MWD和LWD仪器在如此激烈的震动中极易损坏，同时对于PDC钻头也有极大的伤害，极有可能损坏切削齿并且破坏切削规律，影响机械钻速，也会导致钻具紧扣、弯曲的发生。如何减少粘滑震动甚至是消除粘滑震动是未来钻超深井和超大位移井必须考虑的，本文针对哈法亚油田的情况，提出几点消减措施。

2粘滑震动分析

HFXXX-MXXXH2是哈法亚油田一口五开水平井，全井位移1485m，6in水平段长916m。

钻具组合：

6"PDC+4-3/4"Motor（1.5°）+ 4-3/4”FS+4-3/4”FEWD+ 3 1/2NMDP+4" HWDP*3+4"DP*33+Agitator+4"DP*8+4"HWDP*1+Jar+4"HWDP*2+4"DP*54+4"HWDP*24+4" DP to surface.

钻井参数：WOB：2-4T RPM：35 FR：800LPM MW：1.2g/cm3 FV：56s Gels：5/11

随钻使用的FEWD，对井下震动参数进行了实时的监测。

由FEWD震动检测模块实时数据显示4145m之前只是偶尔有粘滑现象，4145m之后基本都处于粘滑状态。主要原因是随着井深的加深摩阻逐渐增大，钻具的刚性逐渐降低，使得底部钻具转动困难，出现粘滑震动。地面显示表现为地面扭矩波动范围大于平均值的15%。

3粘滑震动危害

3.1 对钻头的伤害：瞬间的扭矩释放，钻头最大速度可能达到正常速度的2-5倍，瞬间的高速冲击将加速钻头的失效。

3.2降低破岩的效率：粘滑造成的钻头无序运动将降低钻井破岩能量效率，消耗钻机提供的能量。

3.3钻具的疲劳伤害和电子仪器损害：长时间的粘滑震动会导致钻具本身的疲劳和粘扣，钻具的损伤和仪器的损坏都会增加起下钻的时间，降低钻井的效率。

4解决方案

钻柱发生粘滑振动是转盘转速、钻压、摩擦扭矩及钻井液粘性综合影响的，当钻柱发生粘滑振动时，随着钻柱长度的增加，粘滑振动将更加剧烈，所以要解決钻柱的粘滑震动情况就需要从这几个方面着手解决。

4.1提高转盘（顶驱）转速

研究发现，当钻具转速大于临界转速时，钻具粘滑就会消失。因此要避免钻具粘滑就必须始终保持钻具旋转转速大于临界转速。

临界转速的确定没有具体的公式，它与所施加的钻压，钻具的刚性，泥浆的性能有关。现在哈里伯顿、斯伦贝谢等公司的工具都有震动测量模块，当出现粘滑现象时，可以提起钻具，提高10%的转盘转速，看是否能够减轻粘滑现象。由于带有弯角马达工具，转盘转速是不可能无限提高，特别是大角度马达，粘滑临界转速可能消除粘滑震动但是会损伤马达，所以在马达允许的范围内可以尽量提高转速，减小粘滑震动。

4.2 提高钻具刚性

随着井深逐渐加深，钻具刚性越来越弱，粘滑震动就越明显，释放后钻头的最大转速就越高，所以适当的提高钻具刚性可以减轻粘滑震动，哈法亚地区的水平井一般为五开水平井，水平段为6"井眼，上次套管为7"套管，以前全井使用3-1/2"钻杆，刚性极弱。套管内可以使用5"钻杆，裸眼段使用4"钻杆，一方面加强钻具的刚性，同时增加环空返速，加强井眼清洁，减小摩阻，从而消减粘滑震动。

4.3 减小钻压

钻压的增加会导致临界转速增加，井底钻具弯曲加重进而导致摩阻增加，在粘滑比较严重的情况下，应当停止钻进，将钻具提离井底以释放堆积的能量，然后下放至井底，以低钻压的模式恢复钻进，尝试寻求合适的钻压与转速的配置。同时考虑使用与地层匹配的钻头或者复合式钻头（PDC与牙轮结合），钝钻头或者外径减小的钻头都会导致粘滑震动的增加。

4.4 减小摩阻

哈法亚油田减小摩阻一般有几项措施。一是调整泥浆的性能，增加泥浆的润滑性，减少固相含量，降低泥浆粘度。二是使用Nov水力振荡器，水力振荡器动力部分是一个结构类似1：2马达，通过泥浆驱动可以产生一个3-10mm的纵向震动，震动的频率与排量相关。使用水力振荡器可以有效的减小摩阻，增加有效钻压的传递，防止过多无效的钻压累计在钻柱上，压弯钻柱。三是使用减扭防磨工具，例如滚轮扶正器防磨短节等。通过摩阻减少，做到扭矩的顺利传输。

4.5 随钻震动监测系统的使用

井底的震动数据的监测对于井下工具的是否能够安全至关重要，作为定向井，主要考虑井下仪器是否安全，现在我公司使用的仪器主要是插针、丝扣连接，无论纵向还是横向震动对仪器的损伤都是巨大的。

减小纵向震动需要增加钻压，减小横向震动需要降低转速，而减小粘滑震动需要减小钻压增加转速。所以通过减钻压增转速的方式减小粘滑震动，就有可能增加纵向和横向震动，对于工具横向震动危害最大。所以实时监测各种震动参数，在选择地带很窄的情况下甚至是必须存在一种震动的情况下，需要根据对仪器的伤害级别来选择钻井参数。

5经验总结

（1）提高地面转速，当速度高于粘滑的临界转速时，粘滑现象就自动消失。

（2）降低临界转速，一味的提高地面转速就会增加钻具纵向和横线的震动，所以需要减小钻压，使用合适的钻头，优化泥浆的性能来降低临界转速，扩大钻压和转速的调控范围，从源头上消除了粘滑现象。

（3）随钻震动监测系统的运用，无论采取何种措施，我们都需要及时的监测采取的措施是否有效，及时的发现粘滑震动，及时的调整钻井参数。随钻震动监测系统在哈法亚取得良好的使用效果，FEWD减少了井下失效几率，提高钻井施工的整体作业表现。

参考文献：

[1]刘志国，陈实.钻柱振动信号的分析与应用[J].测控技术，2003，22（8）：21 - 22.

[2] 牟海维，王瑛，韩春杰.钻柱的粘滑振动规律分析.石油机械，2011 年 第39 卷 第3 期

[3] Dqwson R，Lin Y，Spanos P.Drill-saring stick-slip os-cillations[C].Proceedings of the 1987 SEM springconference on Ecperimental Mechanics，1987

[4] OTK vibrations observed maintenance