摘 要：定向井和水平井钻进经常采用滑动钻进方式。地面间歇向井内送入钻杆是如何转化成井下钻柱对钻头的推进的?如何减小钻柱与井壁的滑动摩擦力给钻压带来的误差?现有的滑动钻进送钻技术各有什么优缺点?这些都是业界关心的问题。为此，把钻具送到井底并加上钻压，暂停地面送钻操作的工况作为研究区间，分析了井底的钻柱弹性、水力振荡器和液力推进器3种送钻原理。阐述了带井下动力的钻具组合、带水力振荡器的钻具组合和带液力推进器的钻具组合的滑动送钻技术，给出了地面钻进参数与井底钻进参数的关系。进而比较了3种送钻技术的特点：带井下动力的钻具组合在井底是依靠钻柱的弹性推动钻头前进；带水力振荡器的钻具组合依靠其产生的水力振动来降低钻柱与井壁间的滑动摩擦力，改善钻压传递效率；带液力推进器的钻具组合在其工作钻压区间，依靠活塞推动钻头前进。结论认为，带液力推进器的钻具组合滑动送钻技术最优，钻压可调、平稳，液力推进器可串联使用，钻进时可以活动上部钻柱。
关键词：滑动 钻进 钻压 托压 蛙动 水力振荡器 液力推进器 水力加压器
Bit feed principles and technologies in slide-drilling directional wells
Abstract：Slide drilling is frequently applied to directional and horizontal wells．How does the action of intermittently running drill pipes transform into the bit advancement via downhole drill string?How to reduce the error caused by sliding friction between the drill string and wellbore?What are the merits and demerits of the existing slide drilling bit feed technology?In order to answer these questions，an analysis was made under the following working condition：running into the bottomhole assembly(BHA)，applying weight on bit(WOB)，and suspending the ground bit feed，under which three bit feed principles were analyzed respectively：the downhole drill string elasticity，hydraulic oscillator，and hydraulic thruster．On this basis，the slide drilling technologies of BHA were introduced respectively with downhole motor，hydraulic oscillator and hydraulic thruster，and the relationship was explained between ground drilling and bottomhole drilling.Furthermore,these three bit feed technologies were compared,and the following characteristics were discovered:BHA with downhole motor feeds the bit by utilizing the drill string elasticity;BHA with hydraulic oscillator reduces the sliding friction between the drill string and wellbore by creating hydraulic vibration,thus improving the transfer efficiency of WOB;BHA with hydraulic thruster feeds the bit with piston,and the WOB is within its working range.Based on the analysis,the optimal slide drilling technology is the combination of BHA and hydraulic thruster since it has adjustable and stable WOB,the hydraulic thruster can be used in series,and moreover,a short trip can be made to the upper drill string during drilling.
Keywords：slide drilling,WOB,backing pressure,frog move,hydraulic oscillator,hydraulic thruster,hydraulic pressurizer,directional well
在定向井和水平井钻进过程中，经常要用滑动钻进方式来改变井眼方向、增斜和降斜，有时也用滑动钻进方式钻直井段。在滑动钻进过程中，钻柱与井壁间的摩擦力导致大钩负荷的减小值与钻头承受的钻压不一致[1-3]。大钩负荷的减小值的一部分为钻柱与井壁的摩擦力，剩余的部分才加到钻头上。这种钻头钻压小于大钩负荷减小值的现象称为滑动钻进的托压问题[4]。还有下放过程中，钻柱与井壁黏卡的解除、摩擦状态由静摩擦向动摩擦的转换等原因会造成钻柱的弹性能量突然释放并导致钻柱不均匀下滑，有时钻头突然撞击井底，甚至损坏钻头和井下动力钻具。这种钻柱的弹性能量突然释放并导致钻柱不均匀下滑的现象称为钻柱蛙动[5]。为减轻托压，除优化井眼轨道、控制井眼轨迹[6]、优选钻井液体系并维护好钻井液性能外，还应用了专用工具，主要有液力推进器(也称水力加压器) [5,7-9]和水力振荡器[10]。笔者论述滑动送钻的原理和技术，并对液力推进器和水力振荡器进行评价。
1 滑动钻进井底送钻原理
1．1 钻柱弹性送钻原理
对于没有加液力推进器或水力振荡器的带有井下动力的钻具组合，在送到井底并加上钻压后，地面就暂停送钻。此时，从地面看，钻杆已经停止运动，那么钻头是否也已经停止钻进?显然不是，那么是什么在推动钻头前进?答案是钻柱的弹性。钻柱弹性送钻原理如图l所示。
在图1-a中，长度为L的钻柱，在推力F的作用下向右(井底)运动，在分布滑动摩擦力f0N的作用下，加到钻头上的钻压为W0。然后整个钻柱静止，受力状态被冻结。尽管随着静止时间的增加，钻柱与井壁间的静摩擦系数在增加，但由于受力被冻结，分布的滑动摩擦力仍为f0N。
F＝W0+f0NL (1)
式中F为推力，W0为初始钻压，f0为下放摩擦系数，N为钻柱与井壁的线接触压力，L为钻柱的长度。
随着钻头破岩的进行，如图l-b所示，钻头钻出的空间会使钻压下降为W，钻压下降会使钻柱伸长DL，此时依靠弹性释放向前运动的钻柱的长度为S，S段内钻柱与井壁的摩擦系数已经由f0，增加为f，此时的推力为：
F＝W+f0N(L-S)+fNS (2)
式中W为瞬时钻压，S为弹性伸长段长度，f为瞬时滑动摩擦系数。
从(1)式和(2)式得：
根据材料力学得：
式中E为弹性模量，A为钻柱截面积。
从(4)式中可以看出，初始钻压(W0)越大，每次送钻可获得的进尺(DL)越大；瞬时滑动摩擦系数越接近下放摩擦系数(f0)，每次送钻可获得的进尺越大。另外，W0越大，钻速越大。
1．2 水力振荡器送钻原理
水力振荡器通过产生纵向振动来减少钻柱与井壁之间的摩阻，进而提高钻进过程中钻压传递的有效性。该工具主要由3部分机械组成：动力部分、阀门和轴承系统、配套部分[10]。频率范围：9～26Hz。瞬间冲击的加速度范围：l～3倍的重力加速度。
从本质上讲，水力振动器本身并不会送钻，它的作用是降低钻柱弹性送钻的瞬时滑动摩擦系数(f)的增长速度，并尽量接近下放摩擦系数(f0)，以延长每次送钻可获得的进尺。
1．3 液力推进器送钻原理
液力推进器连接在下部钻具内。它是一个液缸活塞短节。图2为液力推进器结构冈例。依靠液缸内的液体压力推动活塞运动，实现给钻头加压。依靠外筒上的导槽与活塞端部的键来传递扭矩。
液力推进器的工作钻压为：
Wt＝pA0 (5)
式中Wt为液力推进器的工作钻压，p为液缸内的动压强，A0为活塞伸出端的外圆面积。
当W>Wt时，液力推进器处于完全收缩状态，无效；W＝Wt时，液力推进器处于工作状态；W<Wt时，液力推进器处于完全伸出状态，无效。液力推进器的主要技术参数是工作钻压和行程。
2 滑动钻进送钻技术
2．1 常规带井下动力的钻具组合滑动送钻技术
由于在定向井和水平井中，钻柱与井壁间存在摩擦力且不断变化，将设计的钻压准确地加到钻头上变得很难。那么，有没有相对可行的办法，使加到钻头上的钻压尽量接近设计钻压?有，使用定向井送钻技术软件为指导，具体为以下2个步骤：
1)针对不同井深，计算不同摩擦系数下钻具下放到井底时下放钻具的大钩负荷、钻压为没计值时对应的大钩负荷。将计算结果以表格的形式打印，称为钻压控制参考表。
2)司钻下放钻具到井底时，看一下下放过程中(钻头没有触底)的大钩负荷。注意大钩负荷与指重表读数是有差别的。然后在表中该井深后面不同摩擦系数下“下放大钩负荷”栏中找出与现场最接近的数值，该数值对应的摩擦系数值就是现在钻柱与井壁的滑动摩擦系数。再找出钻压为设计值时对应的大钩负荷，下放钻具，让大钩负荷与该值相等。
2．1．1地面单向送钻
地面单向送钻是指在钻进过程中没有上提钻具操作，只有下放钻具和停止的送钻方式。
2．1．1．1地面送钻不及时钻进参数变化规律
该工况的钻进参数变化如图3所示。横坐标代表时间，纵坐标代表进尺、负荷、摩擦系数。标识初始钻压按照钻压控制参考表施加。在t0开始到t1的第1次钻进时间内，地面锁定不动，大钩进尺和大钩负荷降低值都保持为常数；钻柱与井壁间的摩擦系数在增加；进尺在增加；钻压在下降，直至为零。如到期间不及时进行地面送钻，动力钻具可能产生空转，没有钻压，没有进尺，摩擦系数在增大(注意摩擦力未再继续增大)，地面大钩进尺和大钩负荷降低值都保持为常数并且与第1次钻进时一样。t2到t3期间的地面送钻过程，在地面向下送钻；开始时钻头上没有钻压，钻头没有进尺；大钩负荷降低值先增加，在克服了静摩擦力后，开始降低，最后设定为计算值。t3以后，尽管大钩负荷降低值设置成了计算值，但是由于滑动摩擦系数值难以确定，加在钻头上的钻压就难以确定，可能比设计的高(实线所示)，也可能比设计的低(虚线所示)。钻压的不确定，带来进尺的不确定和摩擦系数的不确定。
2．1．1．2地面送钻及时钻进参数变化规律
如果在第l次钻进没有结束(实际钻压还没有降至0)时就开始进行地面送钻(图4)，可以提高钻进速度，但是加在钻头上的钻压仍难以确定。
2．1．2地面短起下送钻
如何克服地面单向送钻因摩擦力不确定带来的钻压不确定的问题?用短起下送钻方法(图5)，在钻头钻压较小时就上提钻柱，将静摩擦力克服掉，上提一段后，下放钻柱，重新按照钻压控制参考表施加。这样就可以减小施加到钻头上的钻压的误差。
2．2 带水力振荡器的钻具组合滑动送钻技术
为了减小托压现象，实际上是为了减小钻柱与井壁间的滑动摩擦系数，可以在下部钻具内接入水力振荡器。水力振荡器的接入可以提高钻速和单次送钻的进尺(图6)。其他与常规带井下动力的钻具组合滑动送钻技术一致。
2．3 带液力推进器的钻具组合滑动送钻技术
当下部钻具内连接有液力推进器时，若W>Wt时，液力推进器处于完全收缩状态，钻头进尺依靠钻柱弹性提供；W＝Wt时，液力推进器处于工作状态，钻头进尺依靠活塞推进提供；W<Wt时，液力推进器处于完全伸出状态，钻头进尺又依靠钻柱弹性提供(图6)。其他的与常规带井下动力的钻具组合滑动送钻技术一致。
3 3种滑动钻进送钻技术的比较
3．1 带井下动力的钻具组合滑动送钻技术的特点
常规带井下动力的钻具组合滑动送钻在地而是间歇送入钻杆，在井底是依靠钻柱的弹性推动钻头前进，钻压一直处于锯齿状变化状态，钻速较低。
3．2 带水力振荡器的钻具组合滑动送钻技术的特点
带水力振荡器的钻具组合滑动送钻技术是对常规带井下动力的钻具组合滑动送钻技术的改进，依靠水力振荡器的振动来降低钻柱与井壁间滑动摩擦系数的增长速度并尽量接近下钻时的滑动摩擦系数，其可以减小钻压下降速度，提高钻速和进尺。但是，钻柱振动会减少测控仪器、动力钻具和钻柱的使用寿命和工作性能。高频的振动(9～26Hz对于钻柱就算高的了)随距离增加衰减很快，特别是在钻柱与井壁的滑动摩擦作用下，尽管在振源附近振动明显，传播一定距离后，振幅就很小了。水力振荡器的使用是利大于弊还是弊大于利，还有待总结。
3．3 带液力推进器的钻具组合滑动送钻技术的特点
带液力推进器的钻具组合滑动送钻技术也是在常规带井下动力的钻具组合滑动送钻技术的基础上改进而来的，当W＝Wt时，活塞推动钻头前进，特点如下。
1)保留了常规带井下动力的钻具组合滑动送钻技术的地面间歇送入钻杆和井底钻柱弹性推动钻头的特点。
2)当W＝Wt时，活塞推动钻头恒钻压前进。
3)在井场可以通过调节钻井液排量、钻头喷嘴组合和下部钻具组合改变推进器的工作钻压Wt。
4)可以通过多个液力推进器的串联，实现增加推进行程和多钻压或选钻压钻进。图7为3个液力推进器串联使用的钻压和进尺变化图。在当前钻井液排量、钻头喷嘴组合和下部钻具组合的条件下，3个推进器的工作钻压分别为Wt1、Wt2和Wt3。当在t0时刻将钻压加满额时，3个推进器都处在全缩进状态，依靠钻柱弹性钻进至t1时刻；在t1至t2时刻，第1个推进器处于工作状态，其余2个处于全缩进状态；在t3至t4时刻，第l个推进器处于全伸出状态，其余2个处于全缩进状态，依靠钻柱弹性钻进；在t3至t4时刻，第1个推进器处于全伸出状态，第2个推进器处于工作状态，第3个处于全缩进状态；在t4至t5时刻，第l个和第2个推进器处于全伸出状态，第3个处于全缩进状态，依靠钻柱弹性钻进；在t5至t6时刻，第l个和第2个推进器处于全伸出状态，第3个推进器处于工作状态；在t6至t7时刻，3个推进器都处于全伸出状态，依靠钻柱弹性钻进，直至钻压为零。在多个液力推进器串联时，可以像图7那样让所有的推进器全部工作，也可以通过控制地面送钻使其中的部分推进器工作，不工作的推进器处于全伸出状态或全缩进状态。
5)如果液力推进器的行程足够，可以在不影响钻进的情况下，小幅度上二下活动液力推进器以上的钻柱，以减少黏附卡钻的概率。
6)在液力推进器处于工作状态时，能隔断钻柱的轴向振动。
通过对3种钻具组合滑动送钻技术的比较，带液力推进器的钻具组合滑动送钻技术最优。
4 结论
1)常规的井下动力钻具组合滑动钻进时依靠钻柱弹性推动钻头前进；装有水力振荡器的井下动力钻具组合滑动钻进时依靠的也是钻柱弹性推动钻头前进，只不过是水力振荡器产生的钻柱振动使滑动摩擦系数增加的速度变慢了；装有液力推进器的井下动力钻具组合滑动钻进时依靠的主要是活塞的运动，其次是钻柱弹性，推动钻头前进。
2)在地面送钻给钻头加压时，应该依据钻压控制参考表，采取短起下加压方式，避免单向送钻加压。
3)水力振荡器应慎重使用。
4)带液力推进器的钻具组合滑动送钻技术最优，其钻压可调、平稳，液力推进器可串联使用，钻进时可以活动上部钻柱。
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本文作者：李子丰 杨海滨 许春田 陈小元 刘小霞
作者单位：燕山大学石油工程研究所
中国石化集团江苏石油勘探局钻井处
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