万米深井上部大尺寸井眼钻柱动力学特性研究

油气勘探已向更深、更复杂的超深层的万米勘探新领域推进,但上部大尺寸井眼给万米深井的钻井提出了巨大挑战:岩石硬和返速低导致钻速慢,大尺寸井眼内剧烈振动导致钻具裂纹多发,钻压小则钻速慢,钻压稍大则下部振动快速加剧从而导致大尺寸钻具使用寿命远低于预期。为此,在对比研究了深地川科1井(以下简称SDCK-1井)和毗邻8000 m超深井上部井段钻柱振动问题基础上,基于全井钻柱系统动力学模型和数值仿真方法,针对性研究了大尺寸井眼中的钻柱动力学特性。研究结果表明:①井眼尺寸越大,钻头和下部钻具的振动越剧烈,SDCK-1井二开大尺寸井眼与邻井中等尺寸井眼相比(井深500 m处),其钻头及下部钻具振动强度均值分别增加了48.0%和41.5%,比SDCK-1井三开中等尺寸3000 m井深的钻头及下部钻具振动强度均值分别高了29.0%和2.9%;②相同井眼尺寸和岩石特性情况下,下部钻具组合比钻柱整体长度对钻头振动的影响更大,优化下部钻具组合能够明显改善钻头振动,保护钻头,同时还可以提高钻头破岩能量利用效率实现钻井提速;③在大尺寸井眼中钻头破岩激励向上传播,横向振动衰减慢于轴向振动衰减,大尺寸钻头扭矩更大且钻压和扭矩波动更加明显,因此从保护下部钻具的角度出发,大尺寸井眼钻具组合对抑制横振更加有效;④大尺寸井眼中下部钻具弯矩和弯矩波动更大,现场频繁出现的钻具裂纹除受控于整体振动强度较大以外,交变弯矩是裂纹发生的重要原因。结论认为,该研究成果揭示了超深井大尺寸井眼中钻柱的动力学特性,指出了应着重控制横振和交变弯矩,该认识可以为超深井上部大尺寸井眼钻井提供技术指导。

特深井钻柱动力学特性模拟与分析

随着钻井深度不断增加,钻柱运动所涉及的力学问题变得更加复杂,钻柱动力学特性模拟及分析可为安全优质高效钻井提供支撑。为了探求特深井钻柱的运动特性,将钻柱运动的控制方程采用Newmark法对时间离散后,运用SOR节点迭代法,对每一时间步的钻柱整体构形进行求解,实现了总长超9000 m的钻柱动力学特性模拟,不仅给出了钻柱4个典型位置的涡动轨迹、涡动速度和横向加速度,还分析了钻柱的粘滑特性。分析结果表明,上部钻柱的涡动及粘滑现象不明显;随着位置下移,出现不规则涡动及不充分粘滑现象;近钻头位置的钻柱会出现较剧烈涡动,也会出现粘滑振动;中性点位置处钻柱的涡动最为剧烈、碰摩严重,可能给钻柱带来安全隐患。研究结果为特深井安全钻井提供了理论依据。

钻柱动力学研究进展及发展趋势

钻柱动力学是安全、高效钻井的基础,许多研究人员对此进行了深入研究,成果累累。然而,钻柱具有超大长细比,工作环境恶劣,非线性特征显著,使得钻柱的安全性面临严峻挑战,这在超万米特深井中尤为突出。因此,把握钻柱动力学研究历程,提炼钻柱动力学核心关键问题十分必要。本文在简要回顾3种基本钻柱振动形式的研究进展基础上,重点阐述了这3种基本振动的耦合振动的研究进展,详细讨论了粘滑和涡动这2种复杂振动的危害、形成机制、研究方法、测量技术和控制方法,并对近十年来备受关注的高频扭转振动(HFTO)的研究进展进行了归纳。现有研究成果表明,涡动是井下钻柱最易出现的一种复杂振动形式,包括向前、向后规则涡动和不规则涡动形式,且大都体现为不规则涡动。其中,反向涡动对钻柱的危害很大,不但会加剧钻具的疲劳破坏,而且会降低钻头的机械钻速。粘滑振动是另一种危害极大的复杂振动形式,其形成机制在于钻头与岩石之间的相互作用,并可用速度弱化效应进行很好描述;粘滑振动与涡动密切相关,粘滑振动中的滑脱阶段的最大转速可能达到地面转速的3倍以上,并伴随着剧烈的涡动。而振动频率远高于涡动和粘滑振动的高频扭转振动的危害不容忽视,但相关机理远未探明,迫切需要攻关研究。

小尺度水平井钻柱动力学实验台架研制及应用

水平井钻井过程中钻头与钻柱的运动规律非常复杂,通过现场测试研究钻头与钻柱振动的方法成本高,无法准确解耦各因素,且数据采样率低,不能进行系统分析。因此,以物理相似为基础,设计了一套基于微钻头−钻柱−岩石的小尺度水平井钻柱动力学模拟实验台架;在钻柱上设计分段套管,模拟套管对钻柱的约束;为更加真实反应钻头与岩石互作用对钻杆及钻头振动的影响,设计微型PDC钻头进行模拟破岩;开展了水平井钻柱室内试验研究,分析了钻柱系统的耦合振动、转速及钻压对钻柱系统振动的影响规律。结果表明:钻头的轴向振动对钻头的扭转振动有较大的影响,且当钻柱发生扭转振动时,其功率谱密度明显高于匀速转动下钻头的功率谱密度;随着转速增大,钻头和钻柱的横向振动加速度也随之增大,钻头扭转振动在主频上的振动幅值也随之增大;随着钻压增大,钻头粘滑振动和横向振动加剧,但对轴向振动的影响不明显。

基于钻柱动力学大位移井钻具接头可靠性研究

以埕海区块大位移井的钻具组合与井身结构为基础,通过钻柱动力学技术计算相同钻压、排量、转速条件下,不同井深底部钻具组合所承受的动态载荷。结果表明:随着井深的增加,随钻测量系统MWD承受的轴向载荷均值逐渐降低,扭矩载荷均值逐渐增大,弯矩与井眼曲率直接相关,且随着井深的增加载荷幅值在变大,并利用随钻测量数据对井眼狗腿度和钻具承受的弯矩载荷进行验证,证明了动力学计算的有效性。从动力学计算结果中选出2个工况环境恶劣的载荷谱,并将极限载荷施加在MWD工具接头上,分析螺纹静强度,结果表明:外螺纹应力最大位置都是位于距台肩面的第2个齿根部,内螺纹最大应力位于端面到第1个螺纹处,螺纹根部的Mises应力低于材料屈服强度;在交变载荷作用下分别循环作用1.0×10^(7)次,接头螺纹的疲劳安全系数为1.1~1.2,在井下工况复杂多变的情况下仍存在一定风险。

考虑钻头-岩石非线性相互作用的钻柱动力学研究

钻头作为底部钻具组合的重要组成部分,直接与岩石接触,其动态特性对底部钻具组合有重要影响。提出了聚晶金刚石钻头(PDC钻头)与岩石的非线性相互作用模型,采用PDC钻头动态特性作为钻柱动态模型的边界条件。为了更真实地模拟钻柱动力学,基于哈密顿原理,采用梁有限元法建立了钻柱动力学模型,通过广义-α法求解,并分析了PDC钻头的动态特性。研究结果表明:轴向振动是钻头最剧烈的振动形式,而当轴向振动传递到钻柱时,产生大幅度衰减,横向振动成为钻柱的主要振动;中性点附近的钻柱不再与井筒碰撞,其运动轨迹接近井眼轴线。

基于钻柱动力学的井筒摩阻系数预测与应用

井筒摩阻系数是钻井设计和施工阶段准确预测和控制摩阻扭矩的关键因素,对比摩阻扭矩的实测值与预测值可预防钻井事故的发生。为此,基于钻柱动力学摩阻扭矩计算模型,结合近钻头多参数测量仪实测数据,开展了大斜度井实钻条件下套管段和裸眼段摩阻系数的预测方法研究,结果成功应用于同类型邻井的三开钻进阶段摩阻扭矩分析与控制。现场应用结果表明,实钻井筒套管内摩阻系数0.27~0.29,裸眼段摩阻系数0.39~0.41,均高于经验值;案例井钩载和扭矩预测值与实际值的误差满足施工精度要求,依托摩阻扭矩预测图版实时监测实钻摩阻扭矩的异常变化,保障了该井顺利施工。研究结果可为大斜度井钻机设备优选、井身剖面优化和现场钻井施工方案决策等提供科学依据。

超深水平井钻柱动力学研究及强度校核

超深井钻井过程中钻具失效事故频繁发生,钻柱动力学特性研究对增加钻具安全性具有重要作用。考虑真实井眼轨迹、钻头与地层相互作用、钻柱与井壁接触及钻井液黏滞作用等因素的影响,建立了全井钻柱动力学特性仿真模型,模拟了不同钻压及转速下钻柱不同截面轴向力、扭矩、位移及等效应力等随时间的变化,采用第四强度理论计算了井口钻具的安全系数,校核了超深水平井钻具强度。分析结果表明,井口轴向力和等效应力表现为低频变化,MWD处等效应力和加速度表现为高频振动且其横向振动比轴向振动更加剧烈;在钻压和转速较小的情况下,钻压和转速对井口轴向载荷、井口扭矩、井口等效应力及井口安全系数影响不大;MWD处等效应力随钻压的增加而增大,其横向加速度随转速的增加幅值显著增大;对于井深超过8000 m、井眼尺寸φ120.65 mm及φ114.3 mm的G105钻杆,动力学分析得到的井口安全系数大部分时间内在1.2附近波动,钻具总体是安全的。

基于钻柱动力学的底部钻具组合疲劳寿命研究

底部钻具组合(BHA)在井下长期剧烈振动容易导致其疲劳失效,但目前多数研究均通过微分方程计算BHA疲劳寿命,与现场实际工况差距较大。为了更准确地预测BHA的疲劳寿命,借助以有限元法为基础的钻柱动力学理论,考虑钻柱初始裂纹缺陷,建立了基于钻柱动力学的底部钻具组合疲劳寿命预测模型,利用Newmark-β法对动力学模型进行求解,并与其他文献的研究结果进行对比,验证了模型的准确性;研究了钻压、转速、初始裂纹深度及稳定器安装位置等关键参数对底部钻具组合疲劳寿命的影响规律。研究结果表明:BHA横向振动比纵向振动更大,横向振动是BHA疲劳失效的主要原因;越靠近钻头横向振动越大,所以近钻头处BHA疲劳寿命更短;钻压越大,中和点下部BHA疲劳寿命缩短越显著;转速越大BHA疲劳寿命越短,低转速范围内转速对BHA疲劳寿命影响较小,高转速范围内转速对BHA疲劳寿命影响较大;具有更大初始裂纹深度的BHA,其疲劳寿命会更短;安装稳定器可以延长近钻头处BHA的疲劳寿命,算例中稳定器安装在距离钻头9 m的位置最佳。研究成果可为优选钻井参数以及确保钻柱安全提供一定的理论指导。

仿射坐标系在钻柱动力学中的应用

三维井眼中转动钻柱受力分析是钻柱动力学理论研究中的难点,首先要处理三维弯曲井眼中钻柱的初始弯曲,而且在分析过程中要考虑弯曲井眼方位、井斜对钻柱接触力的影响.引入仿射坐标系,建立三维弯曲井眼中转动钻柱力学模型,分析弯曲井眼中转动钻柱变形、接触力及摩阻扭矩,为钻柱动力学理论研究提供一种新的方法.

钻柱动力学仿真方法及模型研究进展

钻柱长期工作在充满钻井液的狭长井眼里,受力情况非常复杂。钻柱动力学研究对实际的钻井作业有重要指导意义。国外钻井服务公司在深入研究钻柱动力学理论的基础上开发出了各自的钻柱动力学仿真软件。介绍了美国Bakers Hughes、Smith Tool以及法国Drillscan公司开发的钻柱动力学软件及其理论模型,着重介绍了它们的建模方法及数值求解技术,最后指出了国内开发钻柱动力学仿真软件的重要性,提出在利用成熟商业有限元软件的基础上,通过二次开发实现钻柱动力学仿真的方法。

深水钻井钻柱动力学机理研究

深水钻井钻柱是我国新兴海洋石油工业中用量大、质量要求高的管材,由于作业环境和受力分析复杂,深水钻井钻具系统的强度问题是当代学者研究的热门话题。文章详细阐述上部和底部钻柱横向振动、纵向振动、扭转振动机理,介绍了纵振易引起横振,横振引起扭振原理,同时分析了三种振动、海洋载荷、隔水管、平台相互耦合振动机理,指出了钻柱动力学危害和采取的防范措施,其中隔水管、平台、钻柱内外流体和流体流态等影响因素同样不可忽视。

基于钻柱动力学的平磨优化设计及现场试验

在原有井眼基础上,进行小井眼加深作业可以加快开发进度,降低开发成本。在小井眼加深井作业时需要先用平底磨鞋磨穿人工井底,由于井底中心研磨线速度小限制了整个平磨作业的机械钻速。为了提高井底中心处的研磨速度,建立了磨鞋—钻柱动力学模型,研究了磨鞋直径、钻铤直径和转速等因素对井底研磨线速度分布的影响。数值模拟结果表明,磨鞋直径对磨鞋中心在井底的运动轨迹影响最大,进而影响平磨线速度分布,适当缩小磨鞋尺寸将极大地提高井底中心处的线速度和最终的平磨机械钻速,存在一个最佳的磨鞋直径;钻铤的影响较小,但没必要使用大尺寸钻铤;地面转速大小影响平磨的均匀度,转速越大研磨越均匀,转速过小容易导致井周磨损不到,增加后期修复井眼的时间,在设备允许的前提下应尽可能提高平磨转速。最后根据数值模拟结果重新设计了平磨钻具组合,并开展了3口井的现场试验,试验结果证明改进的设计可以大幅地提高平磨机械钻速,实验确定的最佳磨鞋尺寸和数值模拟结果相近,研磨机械钻速是原设计的3倍;磨鞋尺寸较小时,研磨机械钻速也远高于原设计,但此时后期修复井眼的时间也较长。

钻柱动力学仿真方法及模型研究进展

钻柱长期工作在充满钻井液的狭长井眼里,受力情况非常复杂。钻柱动力学的研究对实际的钻井作业有重要的指导意义。国外钻井服务公司在深入研究钻柱动力学理论基础上开发出了各自的钻柱动力学仿真软件。重点介绍了美国Bakers Hughes、Smith Tool以及法国Drillscan公司开发的钻柱动力学软件及其理论模型,着重介绍了它们的建模方法及数值求解技术。最后指出了国内开发钻柱动力学仿真软件的重要性,指出在利用成熟商业有限元软件的基础上,通过二次开发实现钻柱动力学仿真的方法。研究结果对于在石油工程中采用数值方法分析超细长杆管柱在复杂井身结构及拟实工况下的工作行为具有一定的指导意义。

匹配旋转导向的螺杆钻具钻柱动力学研究

随着钻井提速提效技术的发展,螺杆钻具匹配旋转导向工具的组合方式被大量使用。为了探究这种组合方式的优越性,本文以某油田现场使用的钻具组合方式为例,进行了全井钻柱动力学分析。为了较好地模拟出钻具在井下的受力情况,利用动力学软件Adams进行建模;为了得到较为准确的计算结果,根据井下的实际情况,考虑了钻头与井底的接触方式、排量与螺杆转速的关系、旋转导向工具推靠力及钻柱与井壁接触的属性等因素,在Adams软件基础上进行开发。随后,建立了全井钻柱动力学仿真模型,模拟了常规螺杆钻具和匹配旋转导向工具的螺杆钻具在相同工况下的动力学特性,对比两种方式下螺杆钻具的轴向力、弯矩、扭矩等随时间的变化,所得结果可用于指导钻具组合的设计。通过动力学分析发现:匹配旋转导向工具的螺杆钻具所受的弯矩增大明显;螺杆钻具配备下扶正器可以有效降低钻具的弯矩和振幅。

钻柱黏滑振动动力学研究

以四自由度钻柱动力学方程为基础,结合钻头–岩石的相互作用规律,分析了钻柱在直井眼内的动力学特征,研发了多自由度钻柱粘滑振动仿真软件。利用该软件开展了钻柱动力学行为影响的单因素分析,得出了管柱、钻头和转盘的刚度与转动惯量,以及钻压、转速等对钻柱动力学行为的影响规律,获得了钻柱运动的4种状态特征。通过对实际钻柱动力学参数的仿真分析,表明钻杆越长,钻铤越短,钻柱越容易处于黏滑振动状态。另外,改变钻柱的内外直径不可能有效抑制黏滑振动。研究成果对现场钻井作业具有非常实用的指导意义。

Power-V诱导的钻柱黏滑振动特征分析

黏滑是石油钻井过程中影响钻井效率和井下钻柱安全的一种振动形式.垂直钻井系统Power-V在提供有效控斜力的同时,还会诱导钻柱黏滑振动.通过研究垂直钻井系统Power-V与井壁的接触作用及钻头与地层的相互作用模型,基于钻柱动力学有限元方法,深入分析Power-V的作用机理,研究其对扭转振动的影响,指出Power-V和井壁间的相互作用会导致钻柱与井壁的摩阻显著增加,进而引起摩阻扭矩的增大,诱导井下黏滑振动.实测振动数据证实,Power-V与井壁间的相互作用是引起钻柱黏滑振动的关键因素.这对于揭示黏滑振动的成因和更好地发挥Power-V的作用具有重要意义.

考虑“筒中筒”耦合作用的深水隔水管柱与钻柱碰摩运动规律

深水钻井时,旋转钻柱与海洋环境力作用下发生振动的隔水管柱易发生接触,造成钻柱与隔水管柱的碰撞或者摩擦。为了解隔水管柱与钻柱间的运动状态,减轻两者间碰摩,保证作业安全性,提出了一种模拟深水隔水管柱-钻柱组成的“筒中筒”耦合系统模型,通过分析二者间的位移与接触力,实现海洋深水钻井作业时隔水管柱与钻柱的耦合动力学模拟的建立。模拟结果表明,考虑隔水管柱与钻柱接触的情况下,海流作用和涡激作用对钻柱的动力学特征具有较大影响;海流速度增加,隔水管柱弯曲程度变大,隔水管柱的振动特征会限制钻柱运动;井口转速增加对钻柱的涡动特征影响小,但会增大钻柱与隔水管柱内壁的接触力,增大钻柱与隔水管柱的失效风险。该理论为海洋深水钻井摩阻分析提供了新的借鉴。

煤矿坑道回转钻进动力学研究现状与展望

针对煤矿井下坑道钻探安全高效发展的技术需求,阐述了煤矿坑道回转钻进动力学技术系统组成及工作特征。从钻进装备系统动力学、钻柱动力学和钻头破岩动力学等3个方面评述了相关技术领域的主要研究成果。结合煤矿井下坑道钻探特点,分析了当前煤矿坑道回转钻进动力学研究现状及存在问题,包括亟待解决的多技术系统与工作环境的一体化动态模型建立,复杂交变载荷下的钻柱动力学研究途径以及PDC钻头高效破岩问题等。探讨了煤矿坑道回转钻进动力学研究的发展方向:其一,需实现煤矿坑道钻进系统多领域建模与仿真,初步建立钻探设备机械、液压、电气、控制、信息等模型库,针对钻探施工中钻机钻进参数、泥浆泵压及控制信息感知等具体施工应用中建立系统级模型,形成多学科耦合对钻进技术系统动力学性能进行综合分析和预测。其二,借助半物理仿真试验将钻探对象实体特性在虚拟环境下的动态特性试验中分析得出,通过建立数学模型、编程、交互反馈等技术流程在计算机上运行,进一步得到动力头转矩、给进/起拔力、泥浆泵压力等钻探系统主要参数的动态反馈。随着煤矿坑道回转钻进动力学研究的不断深入,有助于进一步提高煤矿井下钻探技术与装备设计水平,为实现煤矿安全高效智能钻探提供技术参考。

煤层气水平井钻柱摩阻计算与优化

煤层气的开发方式主要分为多分支水平井和从式水平井,由于两种生产方式均采用了水平井,因此钻柱在钻井过程中的摩阻和托压一直是业界关注的热点,但到目前为止,该问题仍未得到有效解决。为此,文章以大吉-吉县区块的深部煤层气水平井为例,通过对全井钻柱系统建立动力学模型和应用数值仿真方法进行水平井摩阻研究。研究结果表明:钻压对煤层气水平井造斜段的摩阻影响较大,其中小井斜造斜段的摩阻与钻压成反比,大井斜造斜段的摩阻与钻压成正比,稳斜井眼段的摩阻对钻压变化不敏感;受钻柱屈曲变形的影响,水平段钻柱摩阻上升10.2%。因水平井大井斜井眼段和水平段较长,因此煤层气水平井的总摩阻整体来讲与钻压成正比。文章通过建模和数值仿真方法,揭示了深部煤层气水平井各井段摩阻对钻压的敏感性,并可根据不同钻压条件下对井眼轨迹进行了优化,以此指导现场作业,降低井下摩阻,提高机械钻速。