井下钻柱震动减阻理论与技术发展现状

王海 王彪 钱程

摘要：随着我国开采水平的提升，水平井、大斜度井已经被广泛的应用在开采过程当中，钻柱与井壁之间，由于摩擦阻力会大，会产生拖压的现象，偶尔会产生无法施加转速，影响机械转速，甚至造成井下事故的现象。所以井下钻柱震动减阻理论的发展以及技术的革新会朝着减少转矩与井壁之间的摩擦阻力为方向进行发展。基于此，下文从井下钻柱震动减阻理论的现状分析入手，为其技术发展提供几点思考。

关键词：钻柱震动;减阻理论;技术;现状

模组问题目前是各种复杂的钻井作业中最为凸显的一种问题，它尤其是体现在滑动的钻井过程当中会造成脱粘、粘阻非常严重，而且模组和大扭矩的存在会使得钻柱发生曲转，无法传递到钻头，延伸自动停止，钻井工作很难推进下去，甚至会出现一些安全事故。所以在一定程度上，井下模组产生的原因是多元的，而且它带来的危害是极大的。而对钻柱震动减阻理论进行研究，无疑是为提高更好的钻柱技术水平服务的，它对开采技术的革新有一定的推动作用。

1.井下钻柱震动减阻理论的研究现状

1.1钻柱震动减阻原理

钻柱震动减阻，主要是靠震动工具引起钻柱的震动，从而改变柱受力的情况而改变摩擦力的类型，将静摩擦力改为动摩擦力的过程，使动摩擦的系数小于静摩擦的系数，会在一定程度上减少钻柱所受到的阻力，从而提高震压的传递效率，也就是提高了钻柱的速度，进而为井眼长度延伸做了准备。钻柱震动可以通过改变中受力的状态，可以通過叠加的原理，使钻柱所受到的震动叠加到钻柱入井的速度当中，即改变注入井的平均速度。假设震动的变化是按正弦曲线的变化规律为基准的，就会得出一个钻柱入井的速度和震动幅度值之间的一个函数关系。结合函数关系就可以推断出，钻柱弹性作用的运动方向、周期与震动部分的分量是相反的，它可以有效的将摩擦阻力减少。例如通过计算发现，如果入口的速度值达到1/2的时候摩擦力几乎减少为原来的70%左右。通过这个原理就可以建立起入口速度和摩擦力之间的关系。这也是，钻柱震动减阻研究的原始形式，它是假设摩擦力和运动速度无关的基础之上的。

1.2钻柱震动模型

井下钻柱震动减阻理论的核心研究主要是钻柱震动模型的研究。在最近几年当中经常出现的模型有间隙元理论、分段计算方法、分析非线性有限元方法，其中间隙元理论是在2002年建立的，它主要适用于计算水平井的整体摩擦阻力的三维力学模型，它在一定程度上考虑到抗弯刚度和井传以及井壁之间的初始间隙和随机接触的状态。从三维空间的角度整体分析钻柱和紧密的接触力、摩擦力以及钻柱轴线的分布规律。而分段计算法是2006年提出来的一种大位移摩阻扭矩力学分析新模型，它是在思路上的一种创新，采用的是分段模组，有据计算原则。而非线性有限元法是通过对于钻柱大变形的非线性以及钻柱和井壁之间接触的非线性问题，提出来的力学模式，对短半径水平井中的钻柱受力进行非线性分析。

1.3材料震动与摩擦力的关系

而对于材料震动和摩擦力之间的研究，主要有以下三种观点。第一种认为，震动激发了接触面之间的法向震动，也就是由于受到超声转换器的激励之后，摩擦材料之间会产生机械碰撞，那就会导致相互接触的物体之间的真实接触面积发生改变;而两物体之间的接触时间，也会因为震动时的连续接触变为间接性接触，由此接触面积和接受时间均会减少，平均阻力也会减少。第二种观点认为，震动改变了接触面之间的方向，所以这种观点认为，震动改变了接触面之间的摩擦力方向，从而降低了一个震动周期内的平均摩擦力。而第三种观点认为，震动让摩擦接触面之间更加的光滑。每一个物体的接触表面都有一个震动的周期，那么他们也都有一个脱离的瞬间，这样会使润滑介质更好发挥作用。

2 井下钻柱震动技术的发展

2.1未来减阻技术发展趋势

未来减阻技术的发展，可能会朝着高分子聚合物的方向发展，这种现象称为高聚物减阻。方法就是在液体当中加入适当的化学剂，称之为减阻剂，简称D2A，减阻剂是一种分子量大于百万以上的线性结构，柔性高分子聚合物。它不仅有很高的经济价值，而且对于管道系统减少摩擦时可以大大的降低运行动力的消耗，对于石油的开采过程来说，它可以缩短码头的卸油时间，提高工作效率，尤其是目前随着石油产量的开发，中大号管道更是需要通过注入减阻剂来减少管道和管井壁之间的摩擦阻力。而现在比较有前景的减阻技术，还有构槽法，柔性臂法，微气泡法。构槽法是在物体的表面进行开一系列的横向纵向的沟槽，来改变流动结构，以达到减阻的目的;而微气泡法是，通过在物体表面制造一些气泡来达到减阻、降噪的效果;柔性臂法是通过一层薄薄的弹性涂料或不渗透的薄膜，来达到减阻的效果。

2.2 发展策略

为了减少井下钻柱震动主力可以对于水平井和大位移井，使用一些震动减阻技术，利用钻井当中的热能使钻柱震动增加从而增加转速，有效的降低成本还能够得到广泛的应用。其次，对于一些目前被成功设计并运用到实际生活当中的一些震动减阻工具，可以为我国研究人员作震动工具设计的参考，这样能够有效的避免一些明确不合理的设计，也可以节约设计的周期，降低设计试验的成本。在一些油田的开采过程当中，可以大量的使用大位移井和水平井，这样能够提高开采的效率，降低开采过程当中的消耗。虽然这些井都会存在摩擦力较大的问题，但是可以通过有效的设计减阻技术，以满足需求。

结束语

简而言之，水平井以及斜坡井的开采已经被广泛的应用，而如何减少井壁之间的摩擦力问题，已经成了降低开采成本，提高开采效率的主要途径，可以通过提高机械转速以及钻井的效率来减少阻力问题。但就目前来看，工作人员的经验和输入工具的局限性无法达到减阻效果的最佳，从而影响工作，也影响钻井的转速和转矩效率，并且会带来一定的工作风险。所以，应该广泛的吸收国外相关技术，通过一定的模型和理论来探究减阻模型，革新减阻技术，让钻柱的摩擦阻力以及拖延问题能够得到有效的解决，从而提高钻井的速度和效率。

参考文献：

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