钻柱动力学研究及监控技术新进展

钻柱是石油钻井中用量大、质量要求高的管材,长期处在充满钻井液的狭长井眼里,受力情况非常复杂。每年国内外都会发生大量钻柱失效事故,造成重大经济损失。在国内外钻柱失效研究方法分析的基础上,阐明了国内外钻柱失效研究方法的区别,指出了钻柱动力学研究的重要性,较详细地叙述了国内外钻柱动力学研究及应用方面的最新进展,重点介绍了Baker Hughes INTEQ公司在钻柱动力学特性监测方面的研究成果及钻柱动力学特性监控方法,指出了国内钻柱动力学研究的重点。

斜直井眼中钻柱的动力学特性分析

为研究和控制钻柱动力学特性,分析斜直井眼中全井钻柱的受力变形特点,建立了钻柱动力学模型,利用节点迭代法解决了利用整体有限元法计算钻柱动力学特性较困难的问题,并应用节点迭代有限元法研究了钻柱的涡动轨迹和涡动速度等动力学特性。在转盘转速为120r/min时,在给定的钻柱结构下,井深5256m处的涡动速度达252r/min,井深261～732m处的钻柱应力波动幅值约为15MPa。结果表明,钻柱内的这种应力波动或涡动特征是导致钻柱失效的重要因素,控制钻柱内的动态应力水平对钻柱失效事故的降低十分重要。

带旋转导向工具底部钻具组合的动力学特性分析及参数优化

带旋转导向的底部钻具组合(RSBHA)在钻井过程中发挥着极其重要的作用,现场更多关注的是其导向能力,对它的工作状态平稳性没有严格要求。为防止RSBHA的剧烈振动和失效事故,建立了RSBHA的动力学模型,运用有限元法分别计算分析了不同结构、不同转速、不同钻压条件下的底部钻具组合的动力学特性,求得了动态位移和动态弯曲应力。结果显示:合理安放稳定器能够有效地减弱RSBHA的横向振动,降低其动态弯曲应力;转速对RSBHA的动态弯曲应力影响很大,当转速为100 r/min时应力水平最低,180 r/min时应力水平最高;带旋转导向的钻具组合结构合理时,增大钻压时,其横向位移变化较小,动态弯曲应力分布比较合理。该结果为进一步研究RSBHA提供了理论依据。

铝合金钻杆的动态特性及磨损机理分析

根据塔里木油田某井铝合金钻杆材料特点和实际磨损情况,运用有限元法分析了铝合金钻杆在地面旋转驱动时的涡动轨迹、涡动速度、轴向速度和加速度。将其与钢钻杆的动力学特性进行的比较结果表明,铝合金钻杆在接近井壁区域内大部分时间作向前涡动,且涡动速度较大,使得铝合金钻杆易产生划痕、压痕等损伤。这也解释了俄罗斯在使用铝合金钻杆中要求尽可能采用井下动力驱动的力学机制的原因。与钢质钻杆相比,铝合金钻杆的轴向加速度较大,但其轴向力及波动幅度较小。

钻柱动力学研究及应用进展

石油钻井钻柱是石油工业中用量大、质量要求高的管材,处在充满钻井液的狭长井眼里工作,受力情况非常复杂。每年国内外都会发生大量钻柱失效事故,造成重大经济损失。在钻柱失效调研分析的基础上,阐明了钻柱失效的主要原因,指出了钻柱动力学研究的重要性,详述了国内外钻柱动力学研究的历史和最新进展,介绍了钻柱动力学研究的应用现状,分析了现存模型的优缺点和国内外研究的差距,总结了钻柱动力学的研究方法,强调了钻柱动力学研究急需解决的核心技术问题。现有钻具材质及结构条件下,减少钻柱疲劳破坏的最有效途径是根据钻柱的动态应力特征,优化钻柱结构和工作参数,使钻柱尽可能在低动态应力水平下工作。

柔性短节位置对带旋转导向工具底部钻具组合动力学特性的影响

针对具有超长细比特征的底部钻具组合(BHA),运用有限元结点迭代方法,研究柔性短节在不同位置对带位移工作方式旋转导向工具RSBHA的三维动态变形和动态应力的影响,并且分析在不同钻压和转速情况下柔性短节位置的变化对最大动态应力的影响。结果表明:在合理的位置加入柔性短节能够减小RSBHA的横向动态位移,并且使得最大动态应力明显下降,起到减振的效果,反之将会明显增加动态应力;柔性短节位置对最大动态应力的影响远大于钻压和转速,合理地确定柔性短节位置对提高井下工具的安全性和测量数据的准确性有重要作用。

底部钻具组合动力学模型及涡动特性仿真

根据转子动力学理论,把底部钻具组合(BHA)简化成Jeffcott转子模型,同时考虑不同钻压形式对BHA的作用建立BHA的动力学模型,并对BHA的动力学特性进行数值仿真。结果表明:钻压的形式只影响恢复力项,对动力学模型的一般形式无影响;在不同钻压形式的作用下,BHA的动力学特性总体上保持一致;钻压为常数时BHA主要体现为经过一段时间的波动后转为规则向后涡动的特性,钻压为波动值时底部钻具组合也主要体现为向后涡动的特性,但BHA更容易贴着井壁运动。

空气钻井斜直井眼中钻柱的动力学特性及失效机理

钻柱涡动是钻柱失效的主要原因之一。应用有限元方法,仿真了空气钻井时斜直井眼中带牙轮钻头钻柱的动力学特性,比较了空气钻井和钻井液钻井条件下钻柱的涡动、变形以及动态应力状况,探讨了空气钻井钻柱失效的动力学机理。结果表明,钻柱在不同时刻的动态应力与静力学条件下计算的结果有宏观上的一致性,空气钻井时钻柱的应力波动较钻井液钻井的要大,钻柱涡动更加频繁。

定向井抽油杆柱空间形态的计算方法

以曲率半径法描述井眼轨迹的空间形态,从空间杆单元入手,建立细长杆的有限元模型,并考虑井眼轨迹多支点的几何约束,以迭代法循环求解每一结点抽油杆柱的空间载荷及变形,再结合细长杆的屈曲模型,分析比较不同位置安放扶正器后抽油杆柱空间构形的变化。结果表明,通过计算实际井眼轨迹中抽油杆柱的三维受力及变形屈曲状态,能够判断扶正器安放的合理性,掌握杆柱的工作状况,预测杆/管偏磨位置。

气体钻井钻柱失效机理分析

川东北地区气体钻井中钻柱失效情况的统计资料表明,钻柱失效主要表现为磨损和断裂,分析可知,气体钻井时钻柱失效严重除与高速岩屑的冲蚀、井壁岩石的磨损、酸性介质环境的腐蚀有关外,还与钻柱承受更为复杂的动态应力密切相关。动力学分析结果表明,与钻井液钻井相比,气体钻井时钻柱的动态应力明显增大,动态应力的变化幅度和变化频率也明显提高,这是造成钻柱失效的主要原因之一。因此,防治气体钻井钻柱失效应切实重视钻柱动态应力的控制,目前条件下,加强钻柱的探伤工作,确保入井钻柱的抗疲劳破坏能力和使用减振工具是较为有效的预防钻柱失效的技术措施。

底部钻具组合的涡动特征分析

编制了井底钻具组合动力学特性的模拟程序,模拟结果与文献中的结果对比表明,所编模拟程序的模拟结果正确。利用井底钻具组合动力学特性的模拟程序模拟了钻铤形心的径向速度、径向加速度、涡动加速度、涡动速度功率谱以及相图,较全面地反映了井底钻具组合的动力学特性。结果表明:井底钻具组合在特定的情况下可以做规则涡动,更多的是做非规则涡动,没有运动周期;做规则涡动时,钻铤形心的涡动速度较小,其径向速度、径向加速度和涡动加速度均为0。在文中条件下,钻铤形心的涡动速度高达568.73 r/min,远大于规则向后涡动速度(79.41 r/min),该种状态的出现对钻具组合的导向能力及安全性将造成很大的的影响,值得进一步探讨。

柔性短节对RSBHA导向力特征的影响分析

旋转导向系统是实现井眼轨迹精确控制的核心工具,代表了当前井眼轨迹控制技术的最高水平。在带旋转导向工具的底部钻具组合(RSBHA)中,都带有柔性短节,但至今未发现有关柔性短节对旋转导向工具控制效果影响的文献。文章在建立了带位移工作方式旋转导向工具的底部钻具组合(RSBHA)的三维小挠度力学分析模型的基础上,加入柔性短节的连续条件,采用加权余量法对模型进行了求解。分析了柔性短节位置及长度对RS-BHA侧向力的影响规律,并对RSBHA进行了实例计算分析。静力学结果表明,在不同的RSBHA工作模式下,柔性短节长度和位置对钻头侧向力的影响规律不同,柔性短节材料对钻头侧向力的影响较小,而稳定器间距具有较大影响,国外公司的RSBHA结构已经过优化。

塔里木油田井口偏心对套管偏磨的影响

井架不正或井口偏心,会造成近井口套管(或套管防磨套)的磨损。针对深井钻井中的井口附件套管偏磨问题,以动力学为基础,建立了钻柱偏磨力学模型,推导出了套管/钻柱正压力的近似计算公式,分析了影响偏磨的主要因素。计算结果表明,有效偏心距和上部钻柱的提升力是影响近井口套管偏磨的主要因素。有效偏心距越大,上部提升力越大,套管/钻柱之间的正压力将越大,磨损将越严重。由于上部钻柱的提升力随井深的增加而增加,因此应当尽量避免井口偏心或井架安装不正,防止有效偏心距过大而造成近井口套管的严重偏磨。

空气钻井中颗粒对排气管的冲蚀分析

空气钻井中,携带岩屑颗粒的高速气体对管柱、尤其对地面的排气弯管会造成严重的冲蚀。利用CFD软件计算了90°弯角的排气管中气体的压力和速度分布,仿真了弯管中颗粒的运移轨迹,对比了不同弯角下颗粒对排气管的冲蚀速率,定性地分析了岩屑颗粒对排气管的冲蚀规律。结果表明,在弯管外侧壁面的气体压力明显大于弯管内侧壁面,速度则体现相反规律;弯管外侧是最易发生冲蚀的位置;颗粒对弯管的冲蚀速率是随着弯角的增大而增大,但是在不同的弯角范围内,冲蚀速率的变化趋势不同,在20°～40°范围内冲蚀速率变化较缓慢,在100°～140°范围内冲蚀速率变化速度明显增加。

空气水平井中钻柱冲蚀模型与分析

空气钻水平井中,水平段携岩是一技术问题,但携带岩屑颗粒的高速气体对水平段钻柱的冲蚀也非常引人关注。利用计算流体动力学(CFD)软件计算了给定偏心距条件下水平井水平段环空中气体的速度分布和环空中岩屑的运移轨迹。通过分析了岩屑对钻柱及下井壁的冲蚀,给出不同偏心距下岩屑对钻柱的冲蚀速率,从而定性上得到岩屑颗粒对钻柱的冲蚀规律。结果表明,大环空中空气流速随着计算段长度的增大而增大,小环空中则呈现相反的规律;小部分岩屑将滞留在小环空中;岩屑对钻柱的冲蚀速率随着偏心距的增大而增大,而且偏心距在0.04m～0.06m范围内冲蚀速率达到最大。

基于DEM的流域相似性数值识别与应用

剔除流域输入端降水的因素,流域水文特征与流域面积大小、形状、流域坡度、河道坡度以及河网密度等地貌特征关系紧密。本文利用数字高程模型,按照流域几何特征测量方法,进行分区分水系流域几何特征测算,并分析同水系内特征参数随面积变化规律,基此研究流域之间相似性识别,成果可直接为设计洪水计算提供参考,是无资料地区面积比拟、产汇流参数移植、流域水文模型参数调试的基本依据。

斜直井眼中转速对钻柱动力学特性的影响

针对钻柱和井壁之间的接触非线性特点,运用节点迭代有限元法计算钻柱的动态响应,研究了转速对钻柱动力学特性的影响,计算了钻柱涡动速度、涡动轨迹和横向加速度、纵向加速度。结果表明:钻柱和井壁之间碰撞频繁,过大的横向加速度、纵向加速度会使钻柱进入涡动状态甚至混沌运动状态,使钻柱产生较大的交变应力,导致钻柱的过早失效和井下测量工具的损坏。通过转速优化,可较大幅度地减弱钻柱的振动,降低钻柱的动态工作应力。该方法和结果对于工程实际具有指导意义,并为现场操作提供理论依据。

石油钻柱的动态安全评价分析方法

在钻柱动力学模型的基础上,运用有限元法仿真模拟钻柱的动力学特性,计算钻柱动态应力,提出了钻柱动态安全判断准则,并计算了单扶正器钻柱和多扶正器钻柱的动态安全系数。结果表明:钻柱涡动特性直接关系到钻柱的动态安全,危险截面主要分布在中和点以下的下部钻具组合部分。合理地调整转盘转速和安放扶正器,可以降低钻柱的动态应力,提高钻柱的动态安全系数。钻柱动态安全系数能够反映钻柱井下运动情况,是衡量钻柱动态安全的重要指标。