Development and Field Testing of the Bionic Peristaltic Drilling Tool
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摘要:
为提高长水平段水平井钻压传递效率，模仿蚯蚓的生理结构和运动原理，研制了一种仿生蠕动钻进工具。该工具利用一个脉冲发生器驱动多个振动短节，能够在实现钻柱蠕动的同时降低水力压耗。室内测试结果表明：排量为30 L/s时，仿生蠕动钻进工具的压力波动幅值接近2 MPa、振动频率为6.5 Hz，3个振动短节的振动幅度超过5 mm。该工具在新疆油田JHW8X−3X井水平段进行了现场试验，进尺815.00 m，平均机械钻速12.48 m/h，与邻井水平段采用振荡螺杆和水力振荡器等减阻提速工具相比，平均机械钻速提高了15.5%。研究表明，仿生蠕动钻进工具能够缓解钻柱托压、提高钻压传递效率，为提高长水平段水平井的钻进效率提供了新的技术手段。
Abstract:By mimicking the physiological structure and movement principles of earthworms, a bionic peristaltic drilling tool was developed to enhance the transfer efficiency of weight on bit (WOB) in long horizontal sections of horizontal wells. The tool used a pulse generator to drive multiple vibration subs, which enabled the drill string to perform peristaltic motion while reducing hydraulic pressure loss. Laboratory tests show that at a flow rate of 30 L/s, the tool’s pressure fluctuation amplitude reaches nearly 2 MPa, with a vibration frequency of 6.5 Hz, and the displacement amplitude of the three vibration subs exceeds 5 mm. The field test is conducted in the horizontal section of Well JHW83−31 in Xinjiang Oilfield, with drilling footage of 815 m and an average rate of penetration (ROP) of 12.48 m/h achieved. Compared with adjacent wells adopting drag reduction and speed increase tools such as oscillating screws and hydraulic oscillators, the average ROP increases by 15.5%. The field test results indicate that the bionic peristaltic drilling tool can alleviate the problem of drill string friction, promote the transfer efficiency of WOB, and offer an effective solution for improving the drilling efficiency of long horizontal sections in horizontal wells.
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Keywords:
- bionics /
- peristalsis /
- drilling tools /
- horizontal well /
- WOB transfer /
- laboratory test /
- field test
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长水平段水平井已成为开发非常规、深地和深海油气资源的主要井型。钻柱与井壁间的高摩阻引起的钻柱载荷传递难（亦称托压）是制约长水平段水平井提高机械钻速的一个主要技术难点。目前，解决钻柱托压问题的方法主要有3类[1–2]，均是通过降低钻柱与井壁之间的摩擦力（包括降低摩擦因数、将静摩擦变为动摩擦及改变合速度方向）提高钻柱的载荷传递效率：1）被动减摩阻方法，包括优化井眼轨道、钻具结合，使用低摩阻钻井液添加剂和钻柱接头等；2）采用旋转导向钻井系统；3）振动减摩阻方法。根据钻柱振动方向，分别形成了轴向、扭转和横向振动减摩阻技术[3–9]，其中轴向振动减摩阻技术的应用效果最好[10]。近年来，为满足水平段长度不断增加对载荷传递的需求，出现了多种减阻技术组合使用的趋势[11]；但是，随着水平段不断延长，弹性送钻模式下钻柱载荷的传递仍旧面临严峻的考验。
仿生学通过研究生物系统的结构、形状、原理和行为，为工程技术提供了新的设计思想、工作原理和系统构成[12]，其中蚯蚓的无腿蠕动能力是在有限空间内实现运动操控的理想方法，基于蚯蚓运动的机器人在海底矿床钻探和生物医学等领域已得到了广泛应用[13–21]。受蚯蚓结构和运动原理的启发，Wang Peng等人[22–23]提出了一种钻柱仿蚯蚓蠕动传递载荷的思路，即在钻柱中安装一个脉冲发生器和多个双向振动短节，利用钻井液激发的压力脉冲依次驱动振动短节周期性的伸长和缩短，使整个钻柱处于蠕动状态，改变其摩阻分布、运动和受力状态，实现类似于蚯蚓蠕动过程中对摩擦力的分解和利用，从而促进钻压由上到下的传递。
为了实现钻柱仿蚯蚓蠕动传递载荷，笔者设计了一种仿生蠕动钻进工具，加工了工程样机，并在室内测试其性能的基础上，在新疆油田JHW8X−3X井进行了现场试验，取得了良好的减摩阻提速效果。室内测试和现场试验均表明，“单点液力激发、多点机械振动”的钻柱仿蚯蚓蠕动传递载荷的思路是可行的。
1. 仿生蠕动钻井工具的结构及工作原理
1.1 工具结构设计
仿生蠕动钻进工具由双向振动短节和脉冲发生器组成。双向振动短节（见图1（a））由芯轴、上接头、套筒、碟簧、活塞杆、活塞和下接头等组成：芯轴与上接头之间为花键配合，在传递扭矩的同时可以在轴向上相对滑动，芯轴下端与活塞杆通过螺纹连接；碟簧组套装在芯轴下部，通过上接头下端面和套筒内部台阶面限位并施加预紧力；活塞杆下端与活塞通过螺纹连接；活塞与套筒之间有密封件。脉冲发生器（见图1（b））由套筒、螺杆转/定子、连接轴、上下盘阀和下接头等组成：螺杆转子和定子共同组成容积马达式动力单元，头数比为7∶8；连接轴上端与螺杆转子通过螺纹连接，下端与上盘阀为过盈配合，连接轴中下部侧壁开有多个导流孔；下盘阀与套筒之间为过盈配合。
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图 1 仿生蠕动钻井工具的结构1. 芯轴；2. 上接头；3. 碟簧；4. 套筒；5. 活塞；6. 密封件；7. 下接头；8. 套筒；9. 多头螺杆；10. 柔性杆；11. 上盘阀；12. 下盘阀；13. 下接头Figure 1. Structure of bionic peristaltic drilling tool1.2 工作原理
在距离钻头一定位置的钻柱中连接脉冲发生器与振动短节1，在振动短节1的上部依次安装振动短节2和振动短节3，3个振动短节之间间隔数十到数百米的距离（见图2）。钻进时，钻井液流过脉冲发生器驱动螺杆转子转动，螺杆转子通过连接轴带动上盘阀同速转动，上、下盘阀之间的过流面积发生周期性变化，从而激发随时间变化的钻井液压力脉冲；该钻井液压力脉冲沿着钻柱中心流道向上传播，先后到达激振腔1，2和3，对振动短节的活塞和下接头的端面施加轴向压力并形成激振力，推动振动短节伸长，并在碟簧中蓄能；当该压力脉冲消失后，碟簧释放能量使振动短节缩短。随着压力波周期性地激发和向上传播，整个钻柱处于蠕动状态，其摩阻分布、运动和受力状态将被改变。从能量角度分析，振动短节将水力能量转化为机械能（包括储存在碟簧和钻柱中的势能、钻柱振动所增加的动能以及钻柱与井壁之间摩擦消耗的能量），钻柱获得的额外动能克服了钻柱向井底方向运动的摩阻，从而促进了上部钻柱段的轴向力向下部钻柱段的传递。
1.3 技术参数
工具外径172.0 mm、内径47.0 mm，脉冲发生器长度3.60 m，振动短节长度1.60 m，上、下接头采用411×410接头，激振频率5.75～7.50 Hz（排量25～35 L/s时），振动短节振幅3.00～10.00 mm，总压降不大于4 MPa。
2. 室内性能测试
基于前期对仿生蠕动钻井工具结构的优化设计，加工了3个振动短节和1个脉冲发生器，并进行室内性能测试。将脉冲发生器和振动短节从下到上依次连接好，最上方振动短节的上端接入高压管线和压力传感器。测试过程中，记录排量、瞬时压力随时间的变化，同时观察振动短节的振幅。
钻井液排量分别为25，30和35 L/s时，仿生蠕动钻井工具入口处的瞬时压力随时间变化的测试结果如图3所示。从图3可以看出：流体瞬时压力脉冲十分接近正弦曲线；随着排量增大，瞬时压力的最小值、最大值和波动幅度均逐渐增大；当排量达到30 L/s时，瞬时压力的波动幅度接近2 MPa，此时3个振动短节的振动幅度均大于5 mm；随着排量继续增大，振动短节的振动幅度越来越大。测试结果表明，利用1个脉冲发生器驱动多个振动短节是可行的，振动短节的振动幅度和仿生蠕动钻井工具的压耗均满足设计要求。
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图 3 不同排量下仿生蠕动钻井工具瞬时压力的波动规律Figure 3. Fluctuation law of instantaneous pressure of bionic peristaltic drilling tool under different flow rates为了明确仿生蠕动钻井工具的振动频率，对仿生蠕动钻井工具的瞬时压力数据进行快速傅里叶变换，得到压力波动的幅频曲线，如图4所示。从图4可以看出，随着排量增大，螺杆转速增加，仿生蠕动钻井工具压力波动的主频也增大，排量25，30和35 L/s对应压力波动的主频分别为5.75，6.50和7.50 Hz。
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图 4 不同排量下压力波动的幅频曲线Figure 4. Amplitude frequency curve of pressure fluctuation under different flow rates3. 现场试验
仿生蠕动钻井工具在新疆准噶尔盆地东部的JHW8X−3X井进行了现场试验。JHW8X−3X井位于新疆准噶尔盆地东部，目的层为二叠系芦草沟组。该井采用二开井身结构：一开，采用ϕ311.1 mm钻头钻至井深1 840.00 m，ϕ244.5 mm表层套管下至井深1 840.00 m，水泥返至地面；二开，采用ϕ215.9 mm钻头钻至井深5 655.00 m，完钻，ϕ139.7 mm油层套管下至井深5 655.00 m，水泥返至地面。
该井前期造斜段和水平段采用旋转导向钻井工具钻进，钻至井深4 840.00 m起钻，采用弯螺杆与仿生蠕动钻进工具配合进行现场试验。钻具组合为ϕ215.9 mm PDC钻头+ϕ172.0 mm振荡螺杆+浮阀+ϕ208.0 mm稳定器+ϕ171.5 mm LWD短节+ϕ171.5 mm无磁悬挂短节（内置MWD）+ϕ127.0 mm加重钻杆+ϕ127.0 mm钻杆+ϕ172.0 mm仿生蠕动钻进工具（脉冲发生器+振动短节1）+ϕ127.0 mm钻杆+ϕ172.0 mm仿生蠕动钻进工具（振动短节2）+ϕ127.0 mm钻杆+ϕ172.0 mm仿生蠕动钻进工具（振动短节3）+ϕ127.0 mm钻杆+ϕ127.0 mm加重钻杆+ϕ127.0 mm钻杆。振动短节1，2和3与钻头的距离分别为219.15，538.56 和858.01 m。
钻井参数为：钻压40～120 kN，转盘转速0～75 r/min，排量26～28 L/s，泵压28～31 MPa。所使用钻井液的密度为1.62 kg/L、漏斗黏度为87 s。
试验井段为4 840.00～5 655.00 m水平井段（井斜角88.42°～93.52°），进尺815.00 m，仿生蠕动钻进工具入井175.50 h，纯钻时间65.33 h，平均机械钻速12.48 m/h，井底循环温度101～104 ℃。钻进过程中仿生蠕动钻进工具工作安全可靠，出井后工具整体结构完整。试验井的试验井段与邻井水平井段机械钻速的对比情况如表1所示。
表 1 试验井JHW8X−3X与邻井机械钻速的对比Table 1. Comparison of ROP between test well JHW83−31 and adjacent wells井名 入井井深/m 出井井深/m 进尺/m 纯钻时间/h 机械钻速/（m·h−1） JHW8X-3X井 4 840.00 5 655.00 815.00 65.33 12.48 JHW8X-1X井 4 774.00 5 761.00 987.00 134.40 7.34 JHW8X-5X井 4 357.00 5 699.00 1 342.00 108.83 12.33 JHW8X-4X井 4 920.00 5 810.00 890.00 75.280 11.82 JHW8X-2X井 5 070.00 5 660.00 590.00 490.00 12.04 5 660.00 5 860.00 200.00 20.17 9.92 JHW8X-6X井 4 454.00 5 749.00 1 295.00 106.50 12.16 5 749.00 5 873.00 124.00 8.17 15.18 从表1可以看出，与邻井采用振荡螺杆和水力振荡器等减摩阻提速工具的水平段相比，使用仿生蠕动钻进工具后，平均机械钻速提高了15.5%。同时，在试验过程中，滑动定向钻进基本未出现明显的托压现象，表明仿生蠕动钻进工具能够显著提高钻柱钻压的传递效率。
4. 结论与建议
1）室内测试结果表明，当排量达到30 L/s时，仿生蠕动钻进工具的压力脉动幅值接近2 MPa，振动频率为6.5 Hz，3个振动短节的振动幅度均超过了5 mm，说明利用1个脉冲发生器驱动多个振动短节的思路是可行的。
2）仿生蠕动钻进工具通过将水力能量转化为机械能并传递到钻柱中，克服了钻柱向井底运动时与井壁之间的摩阻，促进了钻压由钻柱向钻头的传递。现场试验结果表明，仿生蠕动钻进工具有良好的减阻提速效果，能显著提高水平井段的机械钻速。
3）建议加强仿生蠕动钻进技术降摩减阻提速机制、水力脉动能量传播和衰减、多点激振作用对破岩效率及井下仪器设备影响的研究，以进一步提高仿生蠕动钻进工具的钻压传递效率。
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图 1 仿生蠕动钻井工具的结构
1. 芯轴；2. 上接头；3. 碟簧；4. 套筒；5. 活塞；6. 密封件；7. 下接头；8. 套筒；9. 多头螺杆；10. 柔性杆；11. 上盘阀；12. 下盘阀；13. 下接头
Figure 1. Structure of bionic peristaltic drilling tool
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图 3 不同排量下仿生蠕动钻井工具瞬时压力的波动规律
Figure 3. Fluctuation law of instantaneous pressure of bionic peristaltic drilling tool under different flow rates
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图 4 不同排量下压力波动的幅频曲线
Figure 4. Amplitude frequency curve of pressure fluctuation under different flow rates
表 1 试验井JHW8X−3X与邻井机械钻速的对比
Table 1 Comparison of ROP between test well JHW83−31 and adjacent wells
井名 入井井深/m 出井井深/m 进尺/m 纯钻时间/h 机械钻速/（m·h−1） JHW8X-3X井 4 840.00 5 655.00 815.00 65.33 12.48 JHW8X-1X井 4 774.00 5 761.00 987.00 134.40 7.34 JHW8X-5X井 4 357.00 5 699.00 1 342.00 108.83 12.33 JHW8X-4X井 4 920.00 5 810.00 890.00 75.280 11.82 JHW8X-2X井 5 070.00 5 660.00 590.00 490.00 12.04 5 660.00 5 860.00 200.00 20.17 9.92 JHW8X-6X井 4 454.00 5 749.00 1 295.00 106.50 12.16 5 749.00 5 873.00 124.00 8.17 15.18 
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