專利名稱：帶有較小的粘附滑動趨向的鉆具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在地層中鉆孔的系統(tǒng)。在稱為旋轉(zhuǎn)式鉆孔的鉆井的常用方法中，鉆桿組通過位于地面的驅(qū)動系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)。該驅(qū)動系統(tǒng)一般包括旋轉(zhuǎn)臺或頂部驅(qū)動器，上述鉆桿組包括增大重量的底端部，即孔底鉆具(BHA)，其在鉆孔過程中對鉆頭提供必需的重量。上述頂部驅(qū)動器指下述驅(qū)動系統(tǒng)，該驅(qū)動系統(tǒng)在頂端驅(qū)動鉆桿組旋轉(zhuǎn)，該頂端指靠近鉆桿組懸吊于鉆架上的端部?？紤]到鉆桿組的長度，該長度在許多場合為3000m或更大的數(shù)量級，上述鉆桿組會發(fā)生較大的彈性變形，該變形包括繞其縱軸線的扭轉(zhuǎn)，由此上述孔底鉆具相對鉆桿組的頂端發(fā)生扭轉(zhuǎn)。每個旋轉(zhuǎn)臺，頂部驅(qū)動器和孔底鉆具具有一定的慣性矩，于是鉆桿組的彈性扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致旋振，這樣會使位于鉆桿組底端的鉆頭的速度發(fā)生很大的變化。一種對鉆桿組特性特別不利的方式是粘附滑動，這樣鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度周期性地降為零，之后由于驅(qū)動系統(tǒng)的連續(xù)性旋轉(zhuǎn)，鉆桿組的扭矩增加，在鉆桿組中相應(yīng)地積蓄彈性能量，然后鉆桿組發(fā)生松弛，其加速至下述速度，該速度大大高于上述驅(qū)動系統(tǒng)中的正常旋轉(zhuǎn)速度。
上述速度的較大變化會使鉆桿組的扭矩發(fā)生較大變化，從而對井內(nèi)套管和鉆頭造成不利影響，比如造成損壞，穿入巖層的速度降低。
為了阻止上述粘附滑動的現(xiàn)象，采用了控制系統(tǒng)來控制驅(qū)動系統(tǒng)的速度，從而阻止鉆頭的速度變化。EP443689B號專利公開了一種這樣的系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，將通過鉆具的驅(qū)動系統(tǒng)的能量流控制在選定的限度之間，該能量流可定義為橫向變量和縱向變量的乘積。通過下述方式，減小上述速度的波動，該方式為測定至少一個變量，根據(jù)該測定值，對其它的變量進(jìn)行調(diào)整。
本發(fā)明的目的在于提供一種在地層中鉆孔的系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有使鉆孔中的鉆桿組的粘附滑動減小的趨向。
本發(fā)明提供一種在地層中鉆孔的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括第1副系統(tǒng)，包括伸入到鉆孔內(nèi)的鉆桿組；第2副系統(tǒng)，包括驅(qū)動系統(tǒng)，該驅(qū)動系統(tǒng)使鉆桿組繞其縱軸線旋轉(zhuǎn)，上述副系統(tǒng)中的每個具有旋轉(zhuǎn)共振頻率，其中上述第2副系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)共振頻率小于第1副系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)共振頻率。
應(yīng)知道，在本說明書中，每個副系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)共振頻率視為上述副系統(tǒng)各自獨(dú)立的旋轉(zhuǎn)共振頻率，即此時該副系統(tǒng)不受另一副系統(tǒng)的影響。
借助第2副系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)共振頻率小于第1副系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)共振頻率的特征，便實現(xiàn)下述效果，即上述驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行諧和運(yùn)動，該諧和運(yùn)動滯后于鉆桿組的諧和運(yùn)動(harmonie motion)，特別是滯后于孔底鉆具的諧和運(yùn)動。上述性能對該系統(tǒng)造成擺動(beat)，這樣會使上述振動減小。
在實施本發(fā)明時，第1副系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)共振頻率取決于孔底鉆具的慣性矩，第2副系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)共振頻率取決于旋轉(zhuǎn)臺或頂部驅(qū)動器的慣性矩，在這里可采用旋轉(zhuǎn)臺與頂部驅(qū)動器中的任何一個。
上述驅(qū)動系統(tǒng)一般包括電控裝置，該裝置對鉆桿組的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行控制。在實施本發(fā)明時，第2副系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)共振頻率由該電控裝置的調(diào)整適當(dāng)確定，從而該第2副系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)共振頻率是通過電控裝置來控制的。
為了確保第2副系統(tǒng)的諧和運(yùn)動的相位與第1副系統(tǒng)的諧和運(yùn)動不一致，最好第2副系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)共振頻率比第1副系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)共振頻率的一半高。
在下述場合，獲得最佳的阻尼性能，該場合指第2副系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)共振頻率是這樣的，從而孔底鉆具的選定閾旋轉(zhuǎn)速度基本上為最小值，而在該閾速度之下，該孔底鉆具會產(chǎn)生粘附滑動式振動。上述鉆具一般包括多種旋振模式，每種模式具有相應(yīng)的閾旋轉(zhuǎn)速度，在該閾速度之下上述孔底鉆具可產(chǎn)生粘附滑動式振動。之后，如果對應(yīng)于上述模式的閾旋轉(zhuǎn)速度的最大值達(dá)到最小，則便獲得最佳的阻尼效果。
下面通過舉例的方式，參照附圖對本發(fā)明進(jìn)行更為具體的描述。


圖1以示意方式表示代表在地層中鉆孔的鉆具的旋振系統(tǒng)；圖2以示意方式表示下述曲線圖，該圖表示采用本發(fā)明系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)臺和孔底鉆具的諧和旋轉(zhuǎn)性能；圖3以示意方式表示下述曲線圖，該圖表示降低粘附滑動性能的調(diào)整參數(shù)的最佳值。
參照圖1，該圖為鉆孔系統(tǒng)1的示意圖，該鉆孔系統(tǒng)包括第1副系統(tǒng)I和第2副系統(tǒng)II，該第1副系統(tǒng)I帶有鉆桿組3和孔底鉆具5，該鉆桿組3在圖中是作為扭轉(zhuǎn)彈簧示出的，其伸入到鉆孔中，該孔底鉆具(BHA)5構(gòu)成鉆桿組3的底部，該第2副系統(tǒng)II由驅(qū)動系統(tǒng)形成，該驅(qū)動系統(tǒng)這樣設(shè)置從而使鉆桿組繞其縱軸線旋轉(zhuǎn)。上述驅(qū)動系統(tǒng)包括馬達(dá)11，該馬達(dá)11驅(qū)動旋轉(zhuǎn)臺14，該旋轉(zhuǎn)臺14又使鉆桿組3旋轉(zhuǎn)。上述驅(qū)動系統(tǒng)還包括有扭轉(zhuǎn)彈簧7和扭轉(zhuǎn)粘滯阻尼件9的平行結(jié)構(gòu)。在實施本發(fā)明時，扭轉(zhuǎn)彈簧7和扭轉(zhuǎn)粘滯阻尼件9是由電控系統(tǒng)(圖中未示出)模擬的，該電控系統(tǒng)(圖中未示出)調(diào)節(jié)馬達(dá)11的速度。上述馬達(dá)外殼與支承結(jié)構(gòu)16固定。另外，鉆頭(圖中未示出)設(shè)置于鉆桿組的底端，該鉆頭上作用有摩擦力，該摩擦力對鉆頭產(chǎn)生扭矩18。
在圖1的示意圖中，孔底鉆具具有慣性矩J1，上述鉆桿組3(圖中未示出)具有扭轉(zhuǎn)彈簧常數(shù)K2，上述旋轉(zhuǎn)臺14具有慣性矩J3，上述粘滯阻尼件9具有阻尼比Cf，扭轉(zhuǎn)彈簧7具有扭轉(zhuǎn)彈簧常數(shù)Kf。
在上述系統(tǒng)1的正常操作過程中，上述馬達(dá)11使旋轉(zhuǎn)臺14和包括孔底鉆具的鉆桿組3旋轉(zhuǎn)。作用于鉆頭上的上述扭矩18抵抗上述鉆桿組的旋轉(zhuǎn)。上述驅(qū)動系統(tǒng)1相對旋振具有兩個自由度，并且當(dāng)不發(fā)生粘附滑動時，它們在線性范圍內(nèi)，上述運(yùn)動可視為自由衰減的反應(yīng)，其具有兩個共振模式。調(diào)整系統(tǒng)1的一種方式是以最小的阻尼比改善上述模式的阻尼。但是已發(fā)現(xiàn)，改善一種模式的阻尼時會犧牲另一模式的阻尼?？紤]到上述方面，人們已提出如果兩種模式采取相同的阻尼比，則使該系統(tǒng)的阻尼效果達(dá)到最佳。上述情況是在下述條件下產(chǎn)生的Kf＝K2·J3/J1(1)Cf＝2√(K2·J3) (2)適合按照下述方式引入無尺寸的參數(shù)β＝Cf/2√(Kf·J1) (3)ν＝√(Kf·J1/K2·J3) (4)μ＝J1/J3(5)其中β表示電子反饋系統(tǒng)提供的粘滯阻尼；ν表示在視為相互獨(dú)立的場合，兩個副系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)共振頻率的比值；μ表示兩個慣性矩的比值。對于兩個共振模式具有相同的阻尼比值的情況，將上述公式(1)、(2)替換為公式(3)、(4)、(6)，其中β＝1，并且ν＝1。對于給定的鉆具，上述參數(shù)μ為唯一的參數(shù)，該參數(shù)不能自由地改變以便實現(xiàn)最佳的調(diào)整，于是唯一的調(diào)整參數(shù)為β和ν，兩者均為μ的函數(shù)。
在ν＝1的場合，則兩個模式的旋轉(zhuǎn)共振頻率相同。這就是說，在鉆頭處發(fā)生扭矩變動之后，孔底鉆具5和旋轉(zhuǎn)臺14主要以相互保持同步的方式運(yùn)動。上述調(diào)整的問題是對于粘滯運(yùn)動來說具有較高的閾旋轉(zhuǎn)速度，該閾速度可很好地適應(yīng)于(well extend)較深的鉆孔操作范圍，并且使鉆桿組產(chǎn)生不利的粘附滑動。這樣會導(dǎo)致穿透速度的降低和上面所述的鉆桿組的磨耗增加。
參照圖2，對圖1中的鉆孔系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而第2副系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)共振頻率小于第1副系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)共振頻率。于是，便實現(xiàn)下述效果，即驅(qū)動器和旋轉(zhuǎn)臺進(jìn)行衰減的諧和運(yùn)動，該運(yùn)動滯后于孔底鉆具的運(yùn)動。曲線a表明孔底鉆具的旋轉(zhuǎn)速度(ω)為時間(τ(s))的函數(shù)，曲線b表明旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)速度為時間的函數(shù)。眾所周知，鉆桿組的旋轉(zhuǎn)速度的增加最終會使粘滯滑動現(xiàn)象消失，這樣將上述旋轉(zhuǎn)速度選擇為粘附滑動的閾值，從而旋轉(zhuǎn)速度的極其微小的增加會使粘滯滑動式振動消失，該情況可根據(jù)孔底鉆具的最小值剛好為零(點(diǎn)C)來看到。在上述粘滯期之后，由于上述旋轉(zhuǎn)臺的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，上述孔底鉆具在時間坐標(biāo)軸上的點(diǎn)A處產(chǎn)生松弛。之后，上述孔底鉆具處于速度增加和減少的周期，在點(diǎn)B處其達(dá)到最小值，該值大于零，并且處于在點(diǎn)C處，最小值為零而結(jié)束的另一周期。由于ν＜1，上述旋轉(zhuǎn)臺產(chǎn)生相位滯后，這樣便使旋轉(zhuǎn)臺按照與孔底鉆具基本相反的運(yùn)動擺動，所產(chǎn)生的鉆桿組的扭轉(zhuǎn)防止孔底鉆具在點(diǎn)B處達(dá)到零速度。如果不這樣的話，粘附滑動的閾旋轉(zhuǎn)速度較高。僅僅在點(diǎn)C處，孔底鉆具速度再次為零，但是此后，將大量的振動能量吸收。其結(jié)果是，上述粘附滑動的運(yùn)動的閾速度大大低于下述場合的速度，該場合指在一個周期之后，孔底鉆具實現(xiàn)零速度。
可知道，由于對鉆頭的非線性的摩擦作用，圖1的系統(tǒng)一般具有非線性的動態(tài)特性，由此摩擦扭矩18取決于孔底鉆具的速度。一般來說，上述非線性使上述系統(tǒng)具有多于兩個的旋振模式，每種模式具有孔底鉆具的相應(yīng)的閾旋轉(zhuǎn)速度，在該閾速度之下，孔底鉆具產(chǎn)生粘附滑動式振動。對上述調(diào)整參數(shù)β和ν進(jìn)行選擇，從而與上述模式相對應(yīng)的最大的閾旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到最小。在圖3的曲線圖中表示了針對β和ν而獲得的數(shù)值，在該曲線圖中，實線與作為μ的函數(shù)的β和ν的實際發(fā)現(xiàn)的點(diǎn)連接，虛線表示通過實際發(fā)現(xiàn)的點(diǎn)的多項式擬合。
與圖3所示的曲線保持一致，已發(fā)現(xiàn)為了獲得最佳的減小的粘滯特性，對于β和ν來說的最佳值是一般β在0.5～1.1的范圍內(nèi)；特別是在參數(shù)μ在0.0～0.2的范圍內(nèi)的場合，β在0.5～0.8的范圍內(nèi)；在參數(shù)μ在0.2～0.4的范圍內(nèi)的場合，β在0.7～1.1的范圍內(nèi)；一般ν在0.5～1.1的范圍內(nèi)；特別是在參數(shù)在μ在0.0～0.2的范圍內(nèi)的場合，ν在0.7～1.1的范圍內(nèi)；在參數(shù)在μ在0.2～0.4的范圍內(nèi)的場合，ν在0.5～0.8的范圍內(nèi)；
可采用頂部驅(qū)動器以便使鉆桿組旋轉(zhuǎn)，以代替旋轉(zhuǎn)臺。在上述場合，J3為頂部驅(qū)動器的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動部件的慣性矩。
權(quán)利要求
1.一種在地層中鉆孔的系統(tǒng)，包括第1副系統(tǒng)，包括伸入鉆孔中的鉆桿組；以及第2副系統(tǒng)，包括驅(qū)動系統(tǒng)，該驅(qū)動系統(tǒng)使鉆桿組繞其縱軸線旋轉(zhuǎn)，上述副系統(tǒng)中的每一個具有旋轉(zhuǎn)共振頻率，其中上述第2副系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)共振頻率低于第1副系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)共振頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于上述第2副系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)共振頻率比第1副系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)共振頻率的一半高。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于上述第2副系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)共振頻率是這樣的，從而孔底鉆具的選定的閾旋轉(zhuǎn)速度基本上為最小值，在該閾速度之下，孔底鉆具產(chǎn)生粘附滑動式振動。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于上述鉆具包括多種旋振模式，每種模式具有具有孔底鉆具的相應(yīng)閾旋轉(zhuǎn)速度，在該閾速度之下，孔底鉆具產(chǎn)生粘附滑動式振動，另外上述選定的閾旋轉(zhuǎn)速度為與上述模式相對應(yīng)的閾旋轉(zhuǎn)速度中的最大值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4中的任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于按照上述方式定義的參數(shù)β在0.5～1.1的范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于如果按照上述方式定義的參數(shù)μ在0.0～0.2的范圍內(nèi)，則參數(shù)β在0.5～0.8的范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于如果按照上述方式定義的參數(shù)μ在0.2～0.4的范圍內(nèi)，則參數(shù)β在0.7～1.1的范圍內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1～7中的任何一項所述的系統(tǒng)，其特征在于按照上述方式定義的參數(shù)ν在0.5～1.1的范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于如果按照上述方式定義的參數(shù)μ在0.0～0.2的范圍內(nèi)，則參數(shù)ν在0.7～1.1的范圍內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于如果按照上述方式定義的參數(shù)μ在0.2～0.4的范圍內(nèi)，則參數(shù)ν在0.5～0.8的范圍內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1～11中的任何一項所述的系統(tǒng)，其特征在于上述驅(qū)動系統(tǒng)包括電控裝置，該裝置對鉆桿組的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行控制，上述第2副系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)共振頻率是通過電控裝置控制的。
12.一種基本上是按照前面參照附圖所描述的系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在地層中鉆孔的系統(tǒng)(1),該系統(tǒng)(1)包括第1副系統(tǒng)(Ⅰ)和第2副系統(tǒng)(Ⅱ),該第1副系統(tǒng)包括伸入鉆孔中的鉆桿組(3),該第2副系統(tǒng)包括使鉆桿組(3)繞其縱軸線旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動系統(tǒng)。上述副系統(tǒng)中的每個具有旋轉(zhuǎn)共振頻率,其中第2副系統(tǒng)(Ⅱ)的旋轉(zhuǎn)共振頻率小于第1副系統(tǒng)(Ⅰ)的旋轉(zhuǎn)共振頻率。
文檔編號E21B41/00GK1249797SQ98803193
公開日2000年4月5日 申請日期1998年4月9日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月11日
發(fā)明者萊昂·凡·登·斯蒂恩 申請人:國際殼牌研究有限公司