虽然PDC钻头在现场使用量比较大,但在钻进过程中仍然存在一系列挑战,例如,在软地层或胶结地层中的钻头泥包问题,在坚硬地层或高研磨性地层中钻头过早磨损问题。在这些挑战中,粘滑效应引起了许多学者的注意。粘滑效应发生的地层条件和钻井环境包括坚硬粘性地层,高钻压、低钻速的钻井环境,PDC切削齿磨损严重的情况和岩屑清理不彻底。
粘滑效应的特性是在粘滞相时,钻头停止运动;在滑移相时,钻头的钻速是转盘的好几倍。钻头在粘滞相和滑移相之间反复交替,这种交替使得钻头发生粘滑振动,也叫做粘滑效应。它是钻柱部件过早失效和钻井效率低下的主要原因。
图1 钻进过程有限元模型
为了分析振动冲击钻井对粘滑效应的影响,建立了包括转盘、钻杆、钻铤、钻头及岩石的有限元模型,通过快速傅里叶变化处理了钻柱振动信号。
图2 原始扭矩信号
图3 优良降噪前后扭矩对比
图4 钻进过程示意图
图5 粘滑特征随时间分布规律