地面钻柱扭摆导向钻井的理论建模及应用研究

在滑动导向钻井中,钻柱的扭摆可以将钻井过程中井眼与钻柱的静摩擦改为滑动摩擦,可有效减少钻探摩阻,并缓解滑动钻井中普遍存在的“托压”情况。基于滑动钻井技术,分区域构建了钻柱扭摆运动控制方程,通过理论模型研究扭摆角度(100°~600°)和扭摆速度(20~80 r/min)对扭摆深度、钻压及工具面变化的影响,并利用钻柱扭摆试验装置进行了试验。研究结果表明:随着扭摆角度、扭摆速度的增加,扭摆深度不断增加,钻压趋于平稳,扭摆减阻效果更好;过度增加扭摆角度、扭摆速度会造成工具面波动,影响钻井效率。现场应用结果表明,工具面平稳度高符合率达到96%,防“托压”效果明显,能够满足现场作业要求。研究结果可为钻柱扭摆导向钻井技术提供技术参考。

旋转钻柱与井壁的碰撞摩擦边界问题研究

旋转钻柱与井壁的碰撞摩擦边界是钻柱动力学研究和摩阻扭矩计算的基础研究内容。介绍了6种钻柱与井壁边界问题的研究方法,借助有限单元法中构造形函数的思想,提出了时间历程形函数法,构造钻柱与井壁的动态边界。将构造的动态边界模型融入全井钻柱系统动力有限元模型中,研究了钻柱的动力学特性,根据仿真结果与现场实测数据的对比,验证了该研究方法的正确性和合理性。

摩擦系数与摩阻系数及其控制方法探讨

大位移井井下管柱的摩阻和扭矩一直是限制大位移井延伸的主要因素。"摩擦系数"和"摩阻系数"是两个不同的概念,这两个概念对大位移井钻进和下套管时的摩阻计算至关重要。摩擦系数,在大位移井中,是指管柱下入过程中与井下已有套管的内壁或者与裸眼地层之间接触,钻井液作为界面产生的一个系数,分为动摩擦系数和静摩擦系数两种;摩阻系数则是一个综合性系数,它包含摩擦系数以及所有如"键槽"、"缩径"等附加阻力引起的等效摩擦系数。在计算摩阻时应该采用摩阻系数而非摩擦系数,而摩阻系数受井眼状况等因素的影响在管柱不同位置都不同,难以准确确定。阐述了目前大位移井摩阻系数的确定方法,以及钻进和下套管过程中常用的降摩手段。文章的探讨结果对大位移井的设计和施工有一定的指导意义。

气体钻井钻柱振动特性及控制措施

为解决气体钻井钻柱频繁失效的实际问题,综合考虑钻柱纵横扭耦合振动,根据气体钻井全井段钻柱系统动力学模型分析了气体钻井钻柱的振动特性,并从减振抑振角度提出了空气锤钻井工艺和采用减振减阻工具两种振动控制措施。以川西某实钻井气体钻进段为例,在利用美国ESSO公司现场数据验证全井段钻柱系统三向耦合振动力学模型可行性与结果可靠性的基础上,量化评价了常规气体钻井和采用振动控制措施气体钻井工艺的钻柱振动特性。对比分析表明,这两种工艺措施的减振抑振效果明显,不仅能够有效减弱气体钻井中下部钻柱的振动强度,而且使上部钻柱的动态应力也大大降低。

基于钻柱系统动力学的摩阻扭矩计算新方法

回顾了已有的摩阻扭矩研究工作;探讨了基于全井钻柱系统动力学模型的摩阻扭矩计算方法,全井钻柱系统动力学模型综合考虑了钻柱纵横扭耦合振动、钻柱与井壁摩擦碰撞、泥浆对钻柱的粘滞阻尼、内外环空泥浆对钻柱的弯曲效应与压差效应、钻柱屈曲对摩阻的增益等因素。基于前述系统模型开发了专用的摩阻计算软件,分别以实钻定向井和实钻直井为例给出了部分仿真结果,从仿真结果中获得了许多有价值的结论性认识。首次探讨了动态摩阻的计算方法,提供了较为实用的摩阻计算软件,研究工作对指导钻井施工和丰富钻柱动力学理论都具有较重要的意义。

水平井钻井水力振荡器安放位置优化与试验

水平井钻井中时常遇到摩阻高、托压、钻速低的问题,而水力振荡器是解决这类问题的有效手段之一,由于常规钻柱摩阻预测无法考虑水力振荡器影响,对水力振荡器的最佳安放位置仍然存在争议.为此,考虑水力振荡器产生轴向振动的影响,基于Dahl动态摩擦模型和常规刚杆模型建立了钻柱动态摩阻计算模型,并以井口实测的大钩载荷验证了该模型的准确性,分析了水平井摩阻分布特征和规律,并优化了水力振荡器的安放位置,最后开展现场验证试验.结果 表明,钻柱动态摩阻计算模型计算得到的大钩载荷与实测数据一致性好、精度高,最大误差13.19%,平均误差仅4.90%;苏里格气田试验区水平井斜井段的最佳安放位置距离钻头60~ 80 m,水平井段的最佳安放位置距离钻头60 ~ 100 m;现场试验结果表明,斜井段械钻速提高了39.01%,水平段机械钻速提高了41.57%,提速效果明显.

水平井段管柱屈曲与摩阻分析

利用有限差分法和Newton迭代法 ,计算了斜直井段管柱螺旋屈曲临界力、沿螺旋段分布的管柱与井壁接触力以及后屈曲平均侧向接触力。分析了钻杆接头对水平井段钻柱屈曲临界力和弯曲应力的影响 ,提出了计算钻柱正弦屈曲临界力的新方法。结果表明 ,当轴向压力较小时 ,钻杆接头引起钻柱弯曲应力 ;当轴向压力较大时 ,接头会抑制螺旋屈曲的发生 ,降低钻柱的弯曲应力。另外 ,给出了水平井段钻柱出现反转的判别式。

南海东部油田水平筛管井酸化工艺改进及应用

南海东部油田水平井多采用悬挂筛管完井,油田储层具有胶结疏松易出砂、边底水活跃综合含水率高、渗透率非均质性大、注入液体易漏失等特点,为酸化增产带来较大困难。通过利用海上平台钻杆或油管作为酸化管柱,提出了水平井钻杆多点拖动酸化工艺,该工艺综合优选酸化点和设计工艺参数,可以实现大排量酸洗效果。截至2014年底,水平井钻杆多点拖动酸化工艺已在南海东部油田应用10井次,累计增油27.11万m3,增产效果显著,可为类似水平筛管井酸化提供借鉴。

吉林油田大位移水平井钻柱摩擦阻力计算的间隙元法

针对吉林油田大位移井的钻井实际,建立新的大位移井整体钻柱摩阻力分析的间隙元模型.根据钻柱在井眼中的受力状况,给出大位移井钻柱摩阻力沿轴线的分布规律.依据该模型和理论编制了软件,进行扶平24大位移井的摩擦阻力计算.通过与现场实测值的比较,理论计算值的平均误差为6.94%,能满足石油钻井工程现场的需要.

基于全井钻柱系统动力学的摩阻扭矩分析

在回顾钻柱力学发展进程的基础上,总结了摩阻扭矩的研究现状,探讨了基于全井钻柱非线性系统动力学的摩阻扭矩计算方法,获得了一些有价值的结论性认识,并针对大位移水平井给出了解析式。

尾管固井过程中钻柱的动态摩阻力与变形研究

针对尾管固井送入钻柱动态受力和变形开展了系统地研究,主要目的是评价送入钻柱的安全性问题。首先,根据送入钻柱的组合结构尺寸和井身结构尺寸,建立了钻柱承受摩阻力的力学模型,推导出了尾管固井过程中,由注入流体流动引起的钻柱摩阻力和变形计算的解析数学模型;其次,根据钻柱的组合结构尺寸、钻柱内多密度和变体积流体性质,推导出了尾管固井过程中多密度流体位置在钻柱内随注入时间变化的解析数学模型。模型已在四川龙岗Lg63井得到了应用,并验证了其可靠性和适用性。研究结果表明,在送入管柱内多密度流体作用下,建立的数学模型可以实时计算出避开送入钻柱发生交变载荷作用的排量参数,并能优化出送入尾管柱安全工作的最优工作参数,为尾管固井过程中钻柱动态摩阻力与变形引起的安全性评价提供了可靠的手段和方法。

钻柱拖扭阻力的计算分析

考虑钻柱主要部分的刚度，对水平井乃至其它井中的整个钻柱的拖扭阻力，进行深入分析，提出了系统的计算模型、方法及其功能与适用范围，并对起下钻及钻进时的大钩载荷、摩阻、水平段长度设计、井身优化等问题，进行了计算分析。

超深水NGH无隔水管取样钻柱非线性静力学分析

绳索式钻探取样系统取样过程中,钻柱受到海流、波浪、岩土、钻井船漂浮及其他载荷因素的影响,其静态特性非常复杂,具有几何非线性与接触非线性的特点。鉴于此,考虑海洋环境载荷及海底岩土等对取样钻柱的作用,建立了完整的取样钻柱力学分析模型,研究取样钻柱非线性静力学特性,分析不同外界因素对取样钻柱静力学特性的影响规律。分析结果表明:超深水天然气水合物取样钻柱等效应力和最大弯矩均位于钻柱顶部迎流处,钻柱的最大弯曲变形发生在其顶端1/3偏下位置;海流流速、拖曳力系数及作业水深的增加均使得钻柱弯矩和弯曲变形增大。研究结果可为无隔水管取样钻柱的受力分析和现场施工提供参考。

大位移井规律性阻卡力学机理与控制措施研究

随着大位移井和水平井横向延伸距离地不断增长,裸眼中钻柱力学行为更加复杂,钻柱规律性阻卡问题频发,对安全高效钻进造成严重威胁。本文在经典摩阻扭矩模型基础上考虑接头局部阻卡效应、接头对屈曲临界载荷和接触力的影响等,建立了修正的摩阻扭矩模型。结合规律性阻卡现象的定性分析以及接头局部阻卡力的定量分析,明确了裸眼键槽是导致规律性阻卡的主要原因。计算结果表明,随着裸眼段的延长和机械阻力系数地增大,规律性阻卡问题更加频繁和严重。当机械阻力系数比较大时,接头阻卡和钻柱屈曲存在耦合效应,导致无法继续钻进。为了缓解规律性阻卡问题,需从设计和施工两个方面采取措施。设计方面包括优化井身结构、钻柱组合、导向控制模式等,施工方面包括主动划眼起下钻、安装横向振动减阻器等。

钻杆减阻工具减阻效果计算与分析

通过全井钻柱系统动力学模型和计算软件,以某已实施水平井为例,计算了井口至不同井段的动态摩阻扭矩,根据计算结果初步设计了多种减阻工具安放方案,完成了不同安放方案动态摩阻扭矩的计算与分析,通过分析发现动力学计算方法能较好地反应摩阻扭矩的波动情况;具体井况中减阻工具的安放数量存在一个临界值,并非越多越好;安放位置必须经过对比计算确定,合理的安放位置不仅可以有效降低摩阻,而且可以减少安放工具数量。文中的钻柱系统动力学特性分析技术可以为减阻工具选型及安放位置优化提供有力的支撑。

径向振动对旋转钻柱摩阻扭矩的影响

大位移井已被广泛应用于非常规油气资源的勘探开发当中,但在大位移井大斜度稳斜段钻进过程中,如果扭矩过大易造成钻柱失效,而目前关于水平段径向振动对于旋转钻柱摩阻扭矩影响规律的研究则较少,并且多集中于产生径向振动工具研制和摩擦系数测量等方面。为此,在分析径向振动对于旋转钻柱摩阻扭矩影响原理的基础上,设计了不同型号截面外形为椭圆形的钻杆减磨接头模型;采用自行研制的减摩降扭工具性能试验装置,对不同钻速、转速条件下安装有不同钻杆接头模型的水平旋转钻柱进行扭矩测试;进而探究了径向振动对钻柱摩阻扭矩的影响规律。研究结果表明:①随钻杆接头椭圆截面长短轴半径比的增大,扭矩均值和扭矩波动最大幅值均先减小后增大,长短轴半径比为1.065时,扭矩的均值和最大幅值均明显降低,可以起到减摩降扭的作用;②减小钻速和转速,可以降低扭矩均值;③转速超过45 r/min后,扭矩最大幅值随转速的增加变化不大;④扭矩波动基频与转速呈近似线性关系,与钻速和长短轴半径比无关。结论认为,该研究成果可以为大位移井水平井钻柱接头设计与应用提供帮助。

考虑接头的钻柱摩阻扭矩分析

钻柱接头的直径大于管体直径,在通常情况下钻柱与井壁间的接触发生在接头上。建立考虑接头钻柱的力学模型,并用迭代法进行求解,成功地分析了考虑接头钻柱在钻进、起钻、下钻、空转及倒划眼时与井壁的接触力、摩阻扭矩,并能预测各接头处接触力的大小、方向。通过与现场试验数据相比较,对钩载的预测误差小于5%,对扭矩的预测误差小于7%。该模型为预测钻柱摩阻扭矩提供了一个快捷准确的方法。

悬杆线井眼轨道设计方法

基于弹性杆力学模型建立了悬杆线井眼轨道设计方法,对比了悬杆线轨道在降摩减扭等方面的优势,分析了悬杆线轨道降摩减扭效果的主控因素及其影响规律。研究表明,相对于常规轨道,悬杆线轨道在一定的参数区间内能够有效降低摩阻、扭矩,相对于悬链线轨道,悬杆线轨道具有更多的可控参数。影响悬杆线轨道降摩减扭效果的主要因素有摩擦系数、造斜点至靶点的水平距离和垂直距离、悬杆段起始点井斜角,摩擦系数、悬杆段起始点井斜角越大,降摩减扭效果越差;当造斜点至靶点的水平距离和垂直距离均超过3 000 m且两者比值接近1.5时,悬杆线轨道的降摩减阻效果最为理想,滑动钻进摩阻最大可降低60%,旋转钻进扭矩最大可降低40%,在深层大位移井中有独特的应用前景。图8表6参28。

钻柱摩阻扭矩测试试验装置设计

现有的钻柱摩阻扭矩理论模型假设较多,导致计算值与真实值有较大差异,这严重制约了钻柱力学行为研究和钻井参数的优化。鉴于此,基于相似理论,考虑井斜角和方位角的变化,设计了可模拟不同井身结构的钻柱摩阻扭矩测试试验装置。该装置可有效测量不同钻井参数对钻柱摩阻扭矩的影响,可对任意角度的井斜角、方位角的井身结构的整体钻柱进行模拟。结合运动学和强度分析,验证了试验装置设计合理、安全可行。钻柱摩阻扭矩测试试验装置可用于竖直井、大位移井和水平井钻柱的摩阻扭矩分析、运动学和动力学等方面的研究,也可用于自动化钻井和页岩气开采等相关的科研及教学。

摩阻扭矩装置钻柱稳定性分析及可视化应用

钻进过程中钻柱的非线性屈曲影响着摩阻扭矩试验装置的安全和平稳运行。针对现有的水平井摩阻扭矩试验装置,基于动力学软件ADAMS,结合力平衡理论和相似理论,建立了与真实试验装置具有一致钻井参数的水平井段钻柱-井壁动态非线性接触模型。研究了不同钻压下钻柱在井筒中的运动状态与钻柱系统各测点的偏移量,通过分析得到钻柱屈曲的临界预警钻压为29 N,进一步保证了装置的安全运行,提高了钻柱摩阻扭矩装置的试验效率。另因钻柱系统在井筒中的钻进过程难以观测,结合仿真结果,基于Keyshot软件重现了井下钻具组合钻进过程,实现了井下钻柱系统工作状态的可视化。在试验和理论相互补充、支撑的同时便于利用该装置针对钻柱摩阻扭矩开展更深层次的研究。