CN1283735A - 可控制钻柱振动的旋转钻井法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可控钻柱振动的旋转钻井法,其特点是,在原钻柱下部钻铤之中加入一个激振器,该激振器把钻井液的一部分能量转变为机械能对钻柱产生周期性激振,控制激振器对钻柱激励的大小、频率及相位,即可对钻柱的振动进行控制。当需要减小钻柱振动时,使激振器对钻柱激励的振动相位与井底对钻柱激励的振动相位相反;而当需要加大钻柱振动进行冲击钻井时,可使上述二者振动相位相同,从而达到提高钻井效率、降低钻井成本的目的。
Description
本发明涉及油田加压旋转钻井方法。
目前，油田钻井采用的加压旋转钻井方法是通过井中钻柱带动钻头旋转破碎岩石。井中钻柱主要由钻杆和钻铤组成。该钻井方法存在的主要问题是，在钻井过程中，由于井底和钻头间相互作用的激励及其它振源的影响而使井中钻柱产生振动。钻柱的振动取决于钻井工况，一般不能对其进行控制，钻柱不可控制的振动给钻井工程带来的影响是降低钻井效率，使钻井成本增加。为了减小钻柱的振动，通常是在钻铤中串联一个刚度较低的减振器，以吸收钻柱纵向振动的能量。这种方法虽然能减弱钻柱振动，提高钻头使用寿命，但减振器的强度较低，寿命低，容易造成事故。
本发明的目的在于提供一种能够对钻柱振动进行控制的旋转钻井方法，以提高钻井效率，降低钻井成本。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：井下钻具主要有钻头(4)和由钻杆(1)、钻铤(2)组成的钻柱，其特征在于：在钻柱下部的钻铤(2)之中加入一个激振器(3)，该激振器(3)把钻井液或其它钻井流体的一部份能量转变为机械能对钻柱产生周期性激振，控制激振器(3)对钻柱激励的大小、频率及相位，即可对钻柱的振动进行控制，从而或使该振动减小以控制钻压波动，或使该振动增大以利用钻柱振动的能量实现冲击旋转钻进。
当钻柱下部钻铤(2)中串联一个激振器(3)之后，在旋转钻进时，钻柱不仅受到井底(5)与钻头(4)相互作用的激励，也受到井下激振器(3)的激励，即钻柱的纵向振动可看作该二个振动的合成。当激振器(3)的激励与井底(5)的激励频率相同、相位相差180°(即相位相反)时，钻柱的振动便大大减小，钻压波动亦减小；而当激振器(3)的激励与井底(5)的激励频率、相位均相同时，钻柱的振动增大。前一种情况，该激振器相当于一个主动减振器(常规意义上的减振器为被动减振器)，后一种情况则可利用钻柱的振动能量实现冲击旋转钻进。
本发明的优点是：通过对钻柱振动的控制，可对钻柱的振动取其利而避其害，以达到提高钻井效率和降低钻井成本的目的。例如当钻井工况需要钻压波动减小时，可通过使激振器(3)对钻柱的激励频率与井底激励的频率相同而相位相差180°(即相位相反)来实现减振目的；而当钻井工况需要实现冲击旋转钻进时，可使激振器(3)的激励频率和相位均与井底激励的频率、相位相同，即可利用钻柱的振动能量实现冲击旋转钻进。
附图1为本发明的井下钻具基本组成示意图。
下面结合附图说明本发明的实施例：
参看附图1，本发明的井下钻具主要有钻头(4)和由钻杆(1)、钻铤(2)组成的钻柱，其特征在于，在钻柱下部的钻铤(2)之中加入一个激振器(3)，该激振器(3)把钻井液或其它钻井流体的一部份能量转变为机械能，对钻柱产生周期性激振，控制激振器(3)对钻柱激励的大小、频率及相位，即可对钻柱的振动进行控制，从而或使该振动减小以控制钻压波动，或使该振动增大以利用钻柱振动的能量实现冲击旋转钻进。
当钻柱下部的钻铤(2)中串联一个激振器(3)之后，钻柱既受到周期性的井底激励而产生振动，又受到激振器(3)的激励而产生振动。根据弹性体振动理论，钻柱受井底激励而产生的振动为多阶振动的合成：
上式中，u(x，t)为弹性体的振动位移函数；Φi(x)为对应于各阶振动频率Wi的振型函数(即对应于不同位置的振幅)；φi为各阶振动的初始相位。
虽然井底激励产生的钻柱振动可视为多阶振动的合成，但其中必有某一阶振动的能量最大，该阶振动称为此振动的主振动。设i=K阶振动为主振动，则其振动型式为：
uk(x，t)=Φk(x)sin(Wk+φk)
要控制钻柱的振动，即是控制uk(x，t)的振幅Φk(x)。本实施例中是采用液力激振器来实现的。该激振器把钻井液的部份能量转变为机械能对井下钻柱进行激振。设钻柱被该激振器激励后产生的振动为：
uO(x，t)=A(x)sin(WOt+φO)只要调节钻井液排量，使激振频率WO与井底激励产生的主振动频率Wk相同，即WO=Wk，则可达到控制钻柱振动的目的。因为此时钻柱的主振动uk(x，t)为：
①当φO=φk， uk(x，t)=(Φk(x)+A(x))sin(Wkt+φk)
②当φO=φk+π， uk(x，t)=(Φk(x)-A(x))sin(Wkt+φk)
由于井底激励所产生的钻柱主振动的相位φk决定于钻井工况和井底条件，因而是确定的，所以只要改变激振器的激振相位φO，即可使钻柱主振动uk(x，t)的振幅在(Φk(x)-A(x))到(Φk(x)+A(x))之间变化，达到控制钻柱振动的目的。例如当钻井工艺要求较大的钻柱振动以实现冲击旋转钻进时，可使φO尽可能与φk一致，从而使钻柱的动钻压加大；而当钻井工艺要求较小的钻压波动时，则应使φO与φk相差增大，使钻柱的振动减小。
在本实施例中，φO的变化是依靠司钻控制钻柱与井底作用的相位来达到的。实际上，钻柱在接触井底前，由于激振器的作用已开始振动，钻柱以不同的相位与井底发生作用，即可实现φO的变化。所以，司钻在钻台上根据不同的工况调节钻井液流量的大小和钻柱与井底发生作用时的相位来实现对钻柱振动的控制。
Claims (1)
1．一种可控制钻柱振动的旋转钻井法，采用的井下钻具主要有钻头(4)和由钻杆(1)、钻铤(2)组成的钻柱，其特征在于，在钻柱下部的钻铤(2)之中加入一个激振器(3)，该激振器(3)把钻井液或其它钻井流体的一部份能量转变为机械能对钻柱产生周期性激振，控制激振器(3)对钻柱激励的大小、频率及相位，即可对钻柱的振动进行控制，从而或使该振动减小以控制钻压波动，或使该振动增大以利用钻柱振动的能量实现冲击旋转钻进。
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|---|---|---|---|
| CN 00112664 CN1283735A (zh) | 2000-01-28 | 2000-01-28 | 可控制钻柱振动的旋转钻井法 |
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| CN 00112664 CN1283735A (zh) | 2000-01-28 | 2000-01-28 | 可控制钻柱振动的旋转钻井法 |
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| CN1283735A true CN1283735A (zh) | 2001-02-14 |
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Family Applications (1)
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| CN 00112664 Pending CN1283735A (zh) | 2000-01-28 | 2000-01-28 | 可控制钻柱振动的旋转钻井法 |
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| CN (1) | CN1283735A (zh) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2000
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