川南页岩气钻具组合振动失效机理

简志凯; 汤明; 王启任; 王双宁; 王辰; 付星宇; 何世明; 邓祥华

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2502176

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (8) :3257-3270 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2502176

石油、天然气工业

川南页岩气钻具组合振动失效机理

简志凯 ¹ ,
汤明 ¹^,^* ,
王启任 ² ,
王双宁 ³ ,
王辰 ¹ ,
付星宇 ¹ ,
何世明 ¹ ,
邓祥华 ⁴

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Vibration Failure Mechanism of Drilling Tool Assemblies for Shale Gas in Southern Sichuan

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摘要

川南页岩气工区钻具组合振动事故率高,主要是随钻测量(measurement while drilling, MWD)系统和导向机构损坏,严重制约川南页岩气的安全经济高效开发。为有效降低钻井振动导致的工具故障率,以静态推靠式旋导在稳斜段振动为研究对象,建立ADAMS-ABAQUS多尺度耦合动力学模型,结合井下振动实时监测数据,构建微观共振特性与宏观振动参数的全维度评价体系。结果表明:振动频率、位移、应力和加速度的最大值均主要分布在钻具组合(bottom hole assembly, BHA)与井壁接触位置,揭示了推靠式旋导工具振动能量在钻具-井壁接触界面的空间聚集效应。钻具组合钻井过程中不易发生共振,旋导振动应力远低于钻具屈服强度,振动加速度存在超标,是振动失效的主要原因。钻压(weight on bit, WOB)、减振器配置及上扶正器虽对振动存在调控作用,但钻具扭矩对振动的综合影响更为显著,据此建立“钻参-振动加速度”双因素控制图版,为参数优化提供了理论依据,解决了现场遇振盲目同步降低所有参数的问题。现场应用显示较基准工况提速23%,验证了动态振动控制技术的有效性。研究成果为复杂页岩气钻井减振奠定了理论基础,并提供了增强性能的实际解决方案。

Abstract

Drilling tool vibration failures occur frequently in the southern Sichuan shale gas field, primarily as damage to measurement while drilling (MWD) systems and steering mechanisms. These failures significantly hinder the safe and cost-effective development of shale gas resources. To mitigate tool failures caused by drilling vibrations, the vibration characteristics of static push-the-bit rotary steering tools during inclination-holding operations were investigated. A multi-scale coupled dynamics model, integrating ADAMS and ABAQUS, was established and combined with real-time downhole vibration monitoring data. A comprehensive evaluation system was developed that incorporates both microscopic resonance characteristics and macroscopic vibration parameters. The results show that the maximum vibration frequency, displacement, stress, and acceleration are concentrated at the contact interfaces between the bottom hole assembly (BHA) and the wellbore, indicating a spatial energy aggregation effect at these points. Resonance is rarely observed during BHA operations, and vibration stresses remain well below the yield strength of the drill pipe. However, excessive vibration acceleration beyond operational limits is identified as the primary failure mechanism. Parameters such as weight on bit (WOB), shock sub configuration, and upper stabilizer placement influence vibration intensity, while torque variation exerts the most significant overall impact. Based on these findings, a dual-factor control chart was developed to relate drilling parameters with vibration acceleration thresholds, providing theoretical guidance for parameter optimization. This approach addresses the common field practice of indiscriminate parameter reduction in response to vibration. Field applications show a 23% increase in drilling speed compared with baseline operations, confirming the effectiveness of the proposed dynamic vibration control strategy. The research results establish a theoretical basis for vibration mitigation in complex shale gas drilling and offer practical solutions to enhance performance.

Graphical abstract

关键词

页岩气 / 钻具组合 / 振动失效 / 机械动力学

Key words

shale gas / drilling tool assembly / vibration failure / mechanical dynamics

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简志凯, 汤明, 王启任, 王双宁, 王辰, 付星宇, 何世明, 邓祥华. 川南页岩气钻具组合振动失效机理[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(8): 3257-3270 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502176

JIAN Zhi-kai, TANG Ming, WANG Qi-ren, WANG Shuang-ning, WANG Chen, FU Xing-yu, HE Shi-ming, DENG Xiang-hua. Vibration Failure Mechanism of Drilling Tool Assemblies for Shale Gas in Southern Sichuan[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(8): 3257-3270 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502176

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2024年,中国石油和天然气对外依存度分别为71.9%和40.9%,国家能源安全面临巨大威胁和挑战^[1-2]。2015—2024年,中国页岩气年产量从44.71亿m³增加至超过250亿m³,增幅显著,产量持续保持高增长发展趋势。而有着“气大庆”之称的川南页岩气,3 500 m以深资源量占86%,勘探开发潜力巨大。油基+静态推靠式旋导+水平井+大型压裂是页岩气的主要勘探开发模式,川南地区其海相页岩储层具有厚度薄(<50 m)、非均质性强(各向异性指数>1.5)、岩石硬度高(单轴抗压强度>150 MPa)等显著特征,频繁导致旋导因振动发生信号失联、工具损坏等故障复杂,平均单井非生产时效增加35%~42%,严重制约深层页岩气的勘探开发进程。据不完全统计,仅2023年上半年,川南地区贝克休斯旋导工具振动超标占失效起钻的20%以上^[3-4]。因此,开展深层页岩气振动失效机理,制定减振措施意义重大。

钻柱振动研究经历了从单一理论分析到多方法协同的演进过程。20世纪60~80年代,受实验条件限制,研究主要集中于理论分析阶段;20世纪90年代后,随着测试技术和计算方法的进步,实验验证与数值模拟逐步成为重要研究手段,推动该领域向多学科交叉融合方向发展。当前,研究重点聚焦于振动机理解析、抑制技术研发和智能监测系统构建三大方向,其中三向复合振动问题因深井/超深井工程需求成为研究热点。在基础理论研究方面,学界已建立较为完善的多尺度动力学模型体系。付建红等^[5]构建的小井眼钻柱瞬态动力学模型,首次系统揭示了受限空间钻柱的非线性运动特性。吴泽兵等^[6]提出的钻柱-井壁动态接触模型,为水平井钻井参数优化提供了重要理论支撑。狄勤丰等^[7]、李绪锋等^[8]提出的旋转导向工具等效分析方法,有效解决了复杂工具振动研究的理论瓶颈。Yu等^[9]基于Cosserat理论建立的综合动力学模型,则标志着多参数耦合分析范式的成熟。实验方法与控制技术研究取得系列突破性进展。况雨春等^[10]、高成等^[11]研发的小尺度模拟台架,通过创新设计实现了井下工况的高保真复现。姜寅令等^[12]、鞠朋朋等^[13]提出的改进粒子群优化算法,使粘滑振动控制精度提升约40%。在工程应用方面,纪国栋等^[14]、王晓岗等^[15]研发的振动能-射流压力转换装置,为解决深井能量损耗问题提供了新思路。张恒等^[16]通过系统的冲击破岩实验,验证了复合载荷对振动抑制的协同效应,为钻头优化设计奠定了实验基础。当前研究呈现三大特征:首先,纵-横-扭耦合机理研究不断深化,狄勤丰等^[17]、毛良杰等^[18]通过多尺度仿真,系统揭示了不同振动模态的交互影响机制;其次,主动控制技术向多维协同方向发展,李欣业等^[19]研究表明,单一维度控制方案在复杂工况下的有效性不足60%;最后,人工智能技术深度融入,基于深度学习的振动预测模型准确率已达85%以上。未来研究应着力突破高频扭转振动机理、复杂工况自适应控制等关键科学问题,为万米深井工程提供理论支撑和技术保障。然而,研究体系尚存在明显缺陷,如针对振动敏感度更高的钻具组合系统,其非线性耦合振动机制及失效演化规律滞后,难以满足复杂工况下高机械钻速的减振需求。

为此,突破传统单一结构分析框架,构建钻具组合非线性耦合振动仿真模型,采用多尺度数值仿真策略:基于ABAQUS有限元平台开展模态特性分析,结合ADAMS多体动力学仿真技术,建立考虑钻井参数时变性、钻柱-井壁接触非线性和穿层等关键因素的动态耦合模型。通过仿真实验,系统研究实钻过程中钻具组合的振动频率、位移、应力、加速度,重点揭示复杂工况下钻具组合振动失效的动态演化规律。通过ABAQUS与ADAMS联合仿真实现钻柱动力学行为的高精度预测,为优化钻井参数、降低共振风险提供技术支撑。

1 推靠式旋导钻具组合仿真动力学模型建立

1.1 动力学方程

针对钻具组合振动失效机理尚未系统性揭示的研究空白,提出基于ABAQUS/ADAMS的多尺度联合仿真框架,其技术路线包括:①在ABAQUS中构建钻具组合有限元模型,通过模态分析提取其前六阶固有频率及振型特征,锁定共振风险频率;②在ADAMS中建立含多物理场载荷谱的钻具多体动力学模型(基于钻头-岩层破岩仿真获取钻头三向非线性接触力,具体实施细节可参考文献[20-21],量化钻头、扶正器等关键节点的振动幅值等多个评价参数,研究其影响因素。

ADAMS作为机械系统动力学仿真软件,求解器原理主要是基于拉格朗日方程建立多刚体动力学方程,如式(1)所示。

(1)

$\frac{d}{dt}\left(\frac{\partial T}{\partial {\stackrel{·}{U}}_{i}}\right)-\frac{d}{dt}\left(\frac{\partial V}{\partial {\stackrel{·}{U}}_{i}}\right)-\frac{\partial T}{\partial {U}_{i}}+\frac{\partial V}{\partial {\stackrel{·}{U}}_{i}}=0$

式(1)中:T为动能,J;V为势能,J,式(1)中的T、V可以由定义直角坐标系中描述钻柱单元运动的位移变量u(z,x,y,t)和转角变量θ(z,x,y,t)表示;U_i为第i个广义坐标(描述钻具组合运动的独立参数,如线位移、角位移等),

${\stackrel{·}{U}}_{i}$

对应第i个广义速度,即广义坐标U_i对时间t的一阶导数;t为时间,s。

将动能、势能表达式代入式(11)并经坐标转换和组集后得到所需的振动参数为

(2)

$M\stackrel{ ¨}{U}+C\stackrel{·}{U}+KU=F$

式(2)中:

$\stackrel{ ¨}{U}$

为广义加速度,m/s²;

$\stackrel{·}{U}$

为速度,m/s;U为位移,m;F为外力;M、C、K分别为质量、阻尼和刚度矩阵。

1.2 几何模型

主要分析静态推靠式旋转导向工具在稳斜钻井阶段的动力学特性,基于典型钻具组合构建三维非线性振动模型,导向系统主体采用Φ215.9 mm(8¹ /₂″)钻头与静态推靠式导向结构构成的旋导工具系统,在导向机构下方设置Φ214 mm刚性扶正器(距钻头1.2 m),结合上方Φ213 mm可调式扶正器(间距8.6 m),形成双稳定器结构以增强系统刚度(基于现场旋导工具调研),在上下扶正器之间配置特殊设计的柔性短接,通过激活导向肋翼扩展机构,后可施加等效偏置力力(最大可达20 kN)。配合在钻具组合外部构建的井筒模型,及钻头底端构建的贴合井筒的地层模型(钻头与井筒之间留有248 mm,构成完整静态推靠式旋转导向钻具组合物理模型如图1所示。

1.3 网格划分

静态推靠式旋导工具模型进行网格划分时,需结合其力学特性与仿真需求,通过精细化离散策略实现高精度分析。针对钻具组合的复杂结构(如导向翼肋、柔性短节、稳定器等),需采用分区域网格划分技术,对于核心接触区高密度网格及截面过渡区域进行网格加密,对圆形截面,采用“铜钱形”网格划分方法,以提高计算速度和精度,整体均采用六面体网格进行划分,生成如图2所示的网格模型,整体静态推靠式旋导工具模型单元数量为4.12×10⁶。

1.4 边界条件

模型坐标系定义如下:重力场沿Z轴负方向作用,钻具轴向与Y轴重合,外载荷作用平面为X-Z平面,载荷边界条件设置采用动态共旋坐标系法,将轴向钻压(WOB)与周向扭矩(TOB)定义为随动载荷系统。该处理方法通过建立与钻具同步运动的局部坐标系,实现载荷矢量的实时方向更新,有效消除传统固定坐标系下因载荷方向滞后产生的非物理性振动分量,显著提高动力学仿真的动态保真度。井筒模型包络钻头外径,通过接触算法实现钻具-井壁动态相互作用,对地层和井筒施加固定约束,如图3所示仿真时只钻具组合运动。

载荷设置方案严格遵循实际钻井工况进行构建。在数值模拟系统中,于钻具组合顶部的上扶正器位置施加等效钻压载荷(WOB)和旋转扭矩载荷(TOR)。通过开展钻头破岩数值模拟,分别重构龙马溪组和五峰组地层的实际钻进工况,获取不同地层条件下钻头所受的三向应力分布如图4所示。在后续的动力学响应分析阶段,将上述应力分布结果作为边界条件输入至机械动力学振动仿真模型中的钻头受力节点,从而精确表征钻头在复杂钻井过程中的多物理场耦合作用机制。

1.5 网格敏感性分析

数值模拟中将推靠式旋转导向钻具组合网格模型划分为1×10⁴~6.79×10⁶共16种数量的网格,进行简单的载荷加载分析应力状态。数值模拟结果如图5所示,网格数在5.5×10⁵~6.17×10⁶个时,应力结果稳定在约90 MPa,因此可以认为在该网格区间内进行仿真模拟合理,确定推靠式旋导钻具组合模型网格共412×10⁴个(平均值)。

1.6 模型验证

井下钻具组合的振动特性受多因素耦合作用影响,且钻井环境呈现动态时变特征,采用非线性动力学仿真方法求解钻柱动力学时需简化模型,导致仿真结果与真实井下工况存在偏差。

为了验证钻具组合非线性振动模型的合理性,以仿真振动加速度为主要评价参数与现场实测数据进行对比分析。模型参数设置按照验证井实际工况进行设置,第一个测试用例选用有振动失效发生的L218井,龙马溪层段4 601 m处,钻具组合为215.9PDC(聚晶金刚石复合片钻头)+172旋导ATC(自动跟踪曲线旋转导向系统,品牌为希能)+127无磁抗压缩钻杆+172直螺杆+140DP(常规钻杆)。该井在实际钻进过程中,传感器罕见记载到了旋导工具径向振动峰值24.4 g,后造成MWD径向振动超标,如图6所示的旋导机构损坏,脉冲信号间断性丢失。

仿真模型选取有振动失效的L218井和没有振动失效的Y101H31-1实测振动数据进行仿真验证,仿真数据和现场数据误差-11.4%~8.2%。

共通过2口井进行实例验证,对比仿真结果与实测数据显示如图7所示,仿真模型的振动加速度变化趋势与现场实测的振动加速度一致,误差-11.4%~8.2%,吻合好。

2 推靠式旋转导向振动影响因素

ADAMS作为全球领先的机械系统多体动力学仿真平台,其核心算法采用吉尔(Gear)刚性积分技术结合稀疏矩阵求解方法,在保障计算精度的同时显著提升运算效率,尤其适用于含高速运动、强非线性接触等的复杂机械系统仿真。基于以上特性,通过多体动力学建模构建了钻具组合在井底工作状态下的钻井参数时变性、钻柱-井壁接触非线性等多因素耦合的动态仿真模型,可同步输出钻具组合不同位置振动频率、位移、应力及加速度四维参数,定量评估机械振动(宏观)影响因素。进一步结合ABAQUS模态分析对振动频率数据进行微观尺度共振风险验证,形成跨尺度振动失效预警机制。系统揭示了实钻工况下钻具组合的振动传递路径、能量耗散模式及动态应力分布规律,重点解析了复杂载荷条件下振动失效的演化机理与临界阈值。

2.1 振动模态

如图8所示,通过模态分析计算了钻杆的前10阶振型,从第7阶振型开始,钻具组合开始出现弹性变形,钻杆的主要振动形式弯曲和扭转,并带有微小变形(图示变形缩放系数为1 000)。

三维坐标系下钻具组合振动呈现各向异性特征,其振动模态可分解为轴向、径向及自由振动分量。龙马溪层段典型钻具组合固有频率呈现显著阶梯分布规律如图9所示,①0~3阶模态频率为0;②4~7阶跃升至3.04~26.33 Hz;③8~10阶达到48.03~69.98 Hz。结果表明:钻具端点约束自由度与高阶模态频率呈正相关,当旋转自由度释放时,3阶以上固有频率提升幅度达42.6%以上。

当外界激振频率接近系统固有频率时,将引发共振效应,导致钻柱与井壁发生周期性碰撞。在模态分析的基础上进行谐响应分析,模拟钻具组合在固有频率下的共振振幅,并分析共振振幅与频率的关系曲线如图10所示,从关系曲线上找到峰值响应,在当频率为3.6 Hz时,振幅高于其他频率多个数量级,钻柱在此频率下可能产生共振。

2.2 振动频率

在基于实际钻井参数建立数值模型:钻压(weight on bit,WOB)=150 kN,扭矩(torque on bit,TOB)=20 kN·m。建立三向振动监测坐标系:X轴(水平径向)、Y轴(轴向)、Z轴(重力径向)。特别设置井斜角88°±2°模拟典型水平井段工况。

对钻具组合的三向振动频率进行提取,径向方向振动频率波动大致相同,如图11所示,在钻具组合径向方向,由于重力的影响,重力径向的振动频率略高。对钻具组合不同位置三向振动频率数据进行提取,并进行统计分析,提取振动频率的最大、最小、平均值进行统计分析,该技术路线同步应用于振动位移、应力及加速度参数分析,确保数据可比性。

钻具组合各位置振动频率统计结果如表1所示,

可知:①最小振动频率约6 Hz,最大振动频率约39 Hz,平均振动频率约18 Hz。且越靠近钻具组合与井壁的接触点,振动频率越高;②模态分析共振频率(3.6 Hz)与重力径向最小频率偏差66%,与重力径向主导频率(18.64 Hz)偏差417%,排除谐振风险;③轴向振动能量集中在15~28 Hz频段,占比达73.6%。

2.3 振动位移

周向振动位移特性(正负只代表方向):受重力场作用影响,重力径向(Y向)振动位移幅值整体低于水平径向(X向)4%~13%。轴向位移振动特性:由于钻头-井底相互作用产生的运动约束效应,轴向(Z向)位移在钻头未稳定时呈现周期性波动特征,最终在某个值稳定,但其峰峰值波动范围均稳定在248.17 mm以内。值得注意的是,系统稳定阶段钻头轴向位移标准差仅为0.17 mm,表明轴向动态平衡状态良好。

钻具组合各位置振动位移统计结果如图12、图13所示,可以看出:随着测点与钻具-井壁接触点距离的减小,水平径向和重力径向振动位移分别呈现梯度递增趋势,接触点附近区域最大振幅达到自由段的约2倍。轴向振动方面,旋转导向系统整体与各子部件的振动位移量级基本一致,其相对偏差不超过1%,印证了系统动力传递的完整性。

2.4 振动应力

钻具组合各位置振动位移统计结果如表2所示,水平径向与重力径向振动应力峰值均随测点与井壁接触点距离缩短呈指数增长,峰值波动范围在±4 MPa以内(正负只代表方向),平均约2 MPa。越靠近钻具组合与井壁的接触点,振动应力越大。柔性短节径向应力最小,原因为柔性短节刚度低。旋导三向应力均较低,振动应力与钻具组合材料的屈服强度(500~700 MPa)差约100倍,钻具不易导致工具直接损坏,但会缩短工具疲劳极限。

2.5 振动加速度

当前行业对振动强度的量化评估参数主要采用振动加速度,其高频动态特征可精准表征井下钻具的剧烈振动程度。头部油服企业如斯伦贝谢、贝克休斯等普遍建立基于加速度的井下振动分级体系,通过大量现场实测振动加速度数据与现场工况相结合制作出如表3所示振动分级图版^[22-24],实现振动风险分级预警。

以现有振动分级图版作为量化指标,作为仿真数据的量化指标模型。仿真数据如图14所示,钻头与地层接触前后,周向方向振动加速度相差4倍以上,振动加速度峰值在±15g(g为重力加速度)以内波动,但均值在1.3以内,最大径向振动分级属剧烈,平均振动分级属中等。轴向振动加速度较小,最大仅为0.6g,振动分级安全。径向振动能量密度普遍高于轴向振动,尤其在近钻头接触点区域更为显著。越靠近钻具组合与井壁的接触点,振动加速度越大,该现象与前面的振动位移、频率、应力相应相一致,进一步验证了模型的可靠性。

综合以上结果,基于振动频率、应力及位移的三维参数分析表明:钻具组合无共振分险、振动应力远低于钻具组合材料屈服强度,且位移也在井眼间隙允许范围内,实钻仍发生振动失效,表面振动加速度大是导致旋导失效的主要原因,因其对钻柱动态冲击载荷与瞬时能量传递具有更高敏感性。

3 推靠式旋导减振控制技术

针对振动超标问题,现场工程师难以突破传统单一依赖钻井参数调整的局限性。拟基于数值模拟手段开展多因素耦合分析,通过建立井下钻具组合动力学模型,系统评估减振器、钻具组合结构及钻井参数(转速、钻压)对振动强度的综合影响。以振动加速度为核心评价指标,结合仿真结果,优化形成推靠式旋转导向减振控制技术,为深层页岩气高效开发提供技术支撑。

3.1 添加减振器

在振动控制技术领域,中外学者提出了基于不同原理的解决方案,主要包括结构优化的被动控制、实时反馈的主动控制以及可调参数的半主动控制三类。综合工程成本与实施难度,配备减振器的被动控制方案凭借其可靠性高、维护简便等优势,已成为当前油田现场主流的减振技术。

减振器的工作原理是通过内部的机械结构平衡或者消耗钻井中振动所产生的能量,通常有弹簧式减振器和液压减振器。以AST型减振器^[25]为例,如图15所示,其紧凑结构(长度≤2.5 m)允许直接集成于MWD与导向短节之间,形成局部振动隔离单元。通过动力学仿真发现,添加减振装置后减振效果明显,振动降低30%~47%(图16)。国际油气田应用数据显示^[26],该装置可使钻柱轴向振动加速度下降30%~47%,其中剧烈振动(>5g)持续时间减少46%,与仿真结果具有显著一致性,说明该减振器也适用于川南页岩气的振动失效控制。

3.2 添加上扶正器

根据统计川南地区钻具组合类型,可大致分为有无上扶正器两种类型。现对相同参数下有无上扶正器的钻具组合进行仿真模拟,参考去掉上扶正器后旋导钻具组合仿真模拟结果,如表4所示,振动加速度明显增大20.39%~30.79%,钻具组合应尽量选用有上扶正器的钻具组合。

3.3 钻井参数控制

对钻参进行正交试验,如表5所示,重点分析仿钻具组合与井壁接触点位置的加速度上/下扶正器、导向机构及钻头位置振动加速度。

统计数据,基于熵权理想算法(technique for order preference by similarity to an ideal solution,TOPSIS)确定钻压与转速的权重系数为0.43和0.57,即转速对振动影响更大。但是如图17所示,最大/平均振动加速度与振动失效无显著关联性,单一参数评价振动失效分险等级可靠性不足。

结合L218等井实测数据与旋导设备厂商标准,建立振动等级划分如表6所示,对振动数据进行分类分级,中等+剧烈振动占比<25%、低风险、钻具安全;中等+剧烈振动占比>30%、高风险、钻具易损坏。

当前现场普遍采用同步降低钻压、转速、扭矩等参数的粗放式减振策略,虽可快速抑制振动,但导致机械钻速严重下降,且易引发钻压突变造成的井眼失稳风险。可通过仿真数据或现场实测数据,突破性构建“钻参-加速度”双因素控制图版,示例如表7所示,用于预测振动失效或直接指导现场,避免盲目同步降低所有参数,降低振动的同时预计提高15%以上的机械钻速。

由以上分析可以看出,钻压、扭矩、减振器配置及上扶正器虽对钻具组合振动存在不同程度调控作用,但通过加速度差值对比显示,如图18所示,扭矩对振动的综合影响更为显著。且对于钻参可以通过“钻参-加速度”双因素控制图版进行钻压或扭矩的单独精准调控,结合减振器和上扶正器的使用,形成川南页岩气工区减振技术。

3.4 现场应用

为验证本钻具组合减振控制技术的可靠性,选取川南X/Y井作为应用井/非应用井。X、Y井互为邻井,井深结构基本相同如图19所示,位置位于四川盆地川南低褶带得胜3号向斜,目的层位于垂直井段3 635~4 097 m/3 065~4 095 m(垂深区间/斜深区间)处,设计井深5 977 m/6 231 m(垂深/斜深),入靶点(A 点)垂深4 097 m/4 095 m(垂深/斜深),入靶点B点垂深4 050 m/4 050 m(垂深/斜深)处,X井四开采用Φ215.9 mm钻头+ATC旋导+上扶正器,Y井钻具组合无上扶正器。两井设计均采用“直-绕-增扭-增-平”轨迹剖面,现场验证在钻到“平”段开始验证,将本文推靠式旋导减振控制技术应用于X井,通过旋导自带传感器反馈出的振动加速度与邻井相同层位振动加速度进行对比。

旋导系统振动传感器实测数据(图20)显示,在25 h作业节点前后振动加速度发生显著跃迁,该异常响应源于钻头穿越龙马溪组/五峰组交界面引发的穿层效应。对比X井与Y井数据,X井振动加速度峰值降低55.66%,平均值下降22.21%,其振动抑制技术使机械钻速提升至4.2 m/h,较基准工况提速23%,验证了动态振动控制技术的有效性。

4 结论

(1)所构建的ADAMS-ABAQUS联合仿真模型实现了动态接触界面的多尺度耦合分析,首次揭示推靠式旋导工具振动能量在钻具-井壁接触界面呈现显著的轴向-径向复合空间聚集特征,验证了振动应力场分布与工具疲劳破坏位置的高度空间耦合性。

(2)提出的多维度振动评价体系突破传统单一分析方法局限,通过微观共振频率与宏观振动参数(三向加速度、位移、应力)的协同分析,表明研究工区旋导钻具在工作状态下不会发生共振失效。振动响应特征显示,位移、加速度及应力的最大值集中分布于钻具与井壁接触区域,但振动频率和应力水平均未达到失效阈值。基于振动分级标准,钻具的平均加速度(0.8g~1.4g)在径向与轴向均处于安全区间,而最大瞬时加速度(5.12g~13.45g)的径向振动达到剧烈级别,轴向仍保持安全,证实径向振动加速度超标(>8.2g)是MWD系统失效的主控因素。

(3)钻压、扭矩、减振器配置及上扶正器虽对钻具组合振动存在不同程度调控作用,但通过加速度差值对比显示,扭矩对振动的综合影响更为显著。据此建立的“钻参-加速度”双因素控制图版,将复杂钻参调控模式降维处理。

(4)现场验证表明,动态振动控制技术使机械钻速提高23%,有效解决了传统遇振工况盲目降参导致钻井效率低下的矛盾。研究形成的“机理认知-评价方法-控制技术”三位一体解决方案,为深层页岩气安全高效开发提供了重要的理论支撑和技术范式。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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基金资助

国家自然科学基金(52374012)

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Received	Published	Revised
2025-03-31	2026-03-18	2025-12-11
Online Date
2026-06-26

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