预弯钟摆BHA在不同钻井介质中的动力学特征及其应用

带预弯结构的钟摆钻具组合(简称预弯钟摆BHA)既可适用于气体钻井,也适用于泥浆钻井,并在直井控斜、提速方面得到了较好的应用。但在不同钻井介质中,预弯钟摆BHA的应用效果体现出了较大的差异。从动力学角度出发研究钻井介质对预弯钟摆BHA力学特性的影响鲜有报道。通过研究钻井液附加质量引起的非线性惯性力及流体阻力特征,分析了气体钻井和泥浆钻井中预弯钟摆BHA动力学模型的差异。基于旋转Rayleigh梁模型,推导了预弯钟摆BHA钻头上的动态侧向力和动态轴向力,研究在不同钻井介质中预弯钟摆BHA的运动特征及受力特征,分析其对实际钻井的控斜、提速效果的影响,并研究了弯角大小对不同介质中预弯钟摆BHA的动力学特征的影响规律。结果表明,预弯钟摆BHA在不同钻井介质中的动态特征差异显著,气体钻井中的运动特征更为稳定,动态侧向力和轴向力较高;不同介质中的弯角影响规律有其各自的特点,在现场实际应用中,应根据需要进行合理的选择。

气体钻井预弯曲钟摆钻具控斜的动力学行为

井斜控制困难一直都是制约气体钻井技术发展的难题之一。为此,在研究带预弯结构的井底光钻铤钻具组合(BHA)动力学行为的基础上,基于拉格朗日方程建立了预弯钟摆BHA的非线性动力学模型,由简支梁静态模型求取钻头上的动态侧向力,进而设计、评价不同结构的预弯钟摆BHA在气体钻井中的控斜能力,并进行了现场验证。研究结果表明:①合理的预弯钟摆BHA在气体钻井中可以提供较大的动态降斜力,从而发挥出很好的降斜效果,当预弯短接弯角为0.75°时,BHA形心运动的最大半径较小,说明0.75°的弯角时BHA具有最佳的稳定性;②当钻头与近钻头稳定器之间为两根钻铤时,BHA的运动稳定性大幅提高,基本上处于井眼中心,这对于井眼质量控制十分有益;③所设计的预弯钟摆BHA在现场应用中能够较好的控制气体钻井井斜。结论认为,预弯钟摆BHA的动力学控制方程能够很好地描述预弯结构的运动特征,所设计的预弯钟摆BHA不仅适用于常规地层,而且在非均质性较强的砾石层钻井中控斜效果也同样显著;该研究成果对于气体钻井低成本控斜技术发展具有很好的推动作用。