水平井BHA控制井斜与方位机理及影响因素分析

根据间隙元法对水平井中各类钻具在不同钻井参数、不同井深和井斜条件下的受力变形计算结果，论述了水平井ＢＨＡ控制井斜与方位的机理是由下部钻具与井壁的不同接触状态来实现的。在转盘钻井时，ＢＨＡ控制井斜与方位是由近钻头稳定器与井壁的接触方位角、接触反力及摩擦阻力综合作用的结果；而在定向钻井中，是由动力钻具弯外壳与井壁的接触角和接触反力作用的结果。同时，对影响下部钻具与井壁接触状态的三类因素（井身形态、钻井参数、下部钻具结构）进行了分析讨论，为水平钻井中合理选择钻具组合和钻井参数、实施井斜与方位控制提供了理论依据。

水敏性复杂地层深孔绳索取心钻进工艺研究与应用

宝山矿区地质构造较复杂,存在多个断裂破碎带,地层软硬互层交替,炭质页岩厚度大,遇水膨胀,钻孔缩径严重,钻进过程中易发生粘附卡钻、坍塌及埋钻等事故,属于典型的水敏性地层。针对该类地层在钻进过程中出现的这些问题,通过优化钻孔结构、合理钻具级配,采用金刚石绳索取心钻进工艺和低固相钻井液护壁技术,适当控制回次进尺长度和回次进尺时间等措施,保证了钻孔孔壁的稳定性及工程安全,有效地解决了水敏性地层钻进中出现的问题,加快了施工进度,取得了较好的钻进效果,使项目得以顺利完成。本次钻探施工完成了钻探进尺9500余米,达到了地质找矿目的,取得了较好的经济和社会效益。此外,希望适用于该矿区的钻进工艺方法对其他相似水敏性复杂地层的钻探施工具有一定的参考意义。

475型静态推靠式旋转导向钻具组合的弯曲应力分布规律

旋转导向钻井系统(RSS)是定向钻井的核心装备.经过多年攻关,中海油田服务股份有限公司(简称中海油服)研制出了475型旋转导向钻井系统.为了降低该系统在高造斜率井段的疲劳失效风险,本文采用纵横弯曲梁理论建立了475型静态推靠式旋转导向钻具组合(RSBHA)力学分析模型,模拟分析了RSBHA的弯曲应力总体分布规律、最大弯曲应力影响因素及变化规律.研究表明,限定导向头结构参数条件下,适当加长挠性短节并合理调控钻压和导向合力有助于获得较高造斜率并降低BHA(Bottom-Hole Assembly,底部钻具组合)最大曲率和弯曲应力,最终降低挠性短节疲劳失效风险.研究成果能够为提升该系统的工作能力和安全可靠性提供支持.

小井眼深层侧钻井钻柱力学分析与应用

江苏油田老区挖潜不断深入,小井眼深层侧钻井增多,施工难度增大,针对深层侧钻井特点,以Cao32C井为例,分析摩阻系数、井眼轨迹、BHA底部钻具组合等因素对深层侧钻井钻具屈曲的影响,通过优化钻井液性能,调整BHA钻具组合,控制轨迹,保障了深层侧钻井顺利钻进,为今后类似井的钻井优化设计和施工提供参考。

预弯曲动力学防斜快钻技术的试验研究

预弯曲动力学防斜打快钻井技术主要利用预弯曲动力学防斜打快钻具组合在井眼中的涡动特征,在钻头上形成一个远大于钟摆降斜力的防斜力,从而使井眼保持垂直。预弯曲动力学防斜打快钻具组合是一种带预弯曲结构的特种钻具组合,钻进时,其在井眼内形成特定的涡动轨迹,引起钻具组合以较大的不平衡几率向下井壁方向振动,从而实现向下井壁的冲击力。常规钟摆和满眼钻具组合的工作原理都是力求钻具组合发生尽可能小的变形,减小钻具组合因变形引起的增斜力。预弯曲动力学防斜打快钻具组合在胜利油田史138—6井进行的试验表明,这种方法具有很好的防斜打快效果。与邻井常规钟摆钻具组合相比,这种钻具组合的钻压提高50%以上,机械钻速则提高120%。文中给出了钻压和转速对预弯曲动力学防斜打快钻具组合防斜力的影响规律。

应用相似方法模拟研究底部钻具组合的公转运动规律

应用相似理论及相似转换法,推导出了模拟实验研究底部钻具组合(BHA)运动状态所遵循的相似指标及相似准则,简单介绍了如何应用该相似准则建立底部钻具组合运动状态模拟实验装置.本文采用BHA运动微分方程为基本方程推导相似准则,推导出的相似准则物理意义明确,可以用来指导BHA运动状态实验研究.

基于钻头破岩钻进的下部钻具横向振动特性研究

针对横向振动引起下部钻具失效的问题,基于钻头破岩钻进,并考虑钻具纵横扭耦合以及钻具与井壁随机接触,建立了系统非线性动力学模型,研究下部钻具横向振动特性。结果表明:在常用的牙轮钻头单扶下部钻具组合钻进过程中,钻头横振表现出较强的随机性,根据贝克休斯公司对钻具振动的量化标准,其强度属于剧烈分区;钻铤横振强度随其与钻头距离增大而近似呈指数递减,并在距钻头约50 m以后趋于稳定;钻铤上接的钻杆与近钻头钻铤的横振强度相当;下部钻具横振强度随钻压、转速增大而增大。考虑了牙轮钻头破岩钻进与下部钻柱的交互影响,对进一步揭示下部钻具的横振特性以及参数优选具有积极意义。

气体钻井轨道易斜原因及对策

气体钻井能有效地保护低压油气层和提高钻进速度,在地质条件适合的区域获得了比较广泛的应用。实践中发现,钻井液钻进时的有效的防斜钻具组合和钻进参数在气体钻进时,效果不佳。分析了钻压、钻井流体密度对钻具增斜能力的影响。研究表明,钻井流体密度降低使钻进速度增加,钻进速度增加使近钻头稳定器下沉量减小,近钻头稳定器下沉量减小导致增斜能力增强,是钻井液钻进时的有效的防斜钻具组合和钻进参数在气体钻进时效果不佳的主要原因。提出了气体钻井的防斜措施。

φ139.7套管内侧钻水平井弯螺杆钻具通过能力分析

考虑 139.7套管内侧钻水平井环空间隙小、曲率大等因素 ,应用间隙元法对下部钻具组合进行非线性静力学分析 ,求得钻具的变形、应力、摩阻力和接触力 ,结合 139.7套管内弯螺杆钻具的提放试验结果 ,建立了弯螺杆钻具组合通过能力的判定条件和计算公式 ,并在大庆油田侧钻水平井中得到应用和验证。

对不同轴式下部钻具组合动态特性的初探与思考

地面驱动的带弯角或偏轴的不同轴式导向钻具和防斜钻具组合已经广泛应用于水平井、大斜度井、大位移井、分支井和直井钻进中。由于对该类钻具的动态特性和轨道控制理论研究不足,使得应用效果不稳定。欲较好地解决该类钻具的轨道控制问题,必须深入研究该类下部钻具组合的稳定性判别、钻具各点的运动状态判别和参数分析、钻具动力学分析的数学模型和井眼轨道预测方法。本文仅从问题的性质、可能遇到的问题和解决问题的可选途径等方面进行了初步探讨。

小井眼钻具非线性力学分析及应用

考虑钻具沿井深和井眼圆周方向的随机接触摩擦以及钻具在钻压、自重作用下的纵向弯曲，建立起小井眼下部钻具双重非线性力学分析模型，运用空间梁单元和多向接触摩擦间隙元进行求解。经现场试验表明：用该理论方法所设计组配的三稳定器和四稳定器防斜钻具组合起到了良好的防斜效果，机械钻速得到明显提高，为小井眼钻具设计提供了一种实用的计算方法。

钻具稳定器结构对复合钻井导向力的影响

单弯螺杆钻具+PDC钻头复合钻井已广泛在钻井提速和井眼轨迹控制作业中应用,对该类钻具组合导向力分析也有成熟的方法,但常常忽略螺杆稳定器结构的影响。为此,基于油气田现场作业应用的直棱和螺旋棱稳定器结构,讨论了螺杆稳定器外径和支点位置变化对钻具导向力的影响,建立了稳定器实际偏心距计算模型,提出了考虑螺杆稳定器结构影响的钻具复合钻井导向力分析方法。通过对单弯螺杆单稳定器钻具组合、单弯螺杆双稳定器钻具组合复合钻井导向力的分析,结果发现:①忽略螺杆稳定器结构的复合钻井导向力分析方法计算结果与钻具导向合力差别较大;②直棱稳定器由于棱槽包角的存在,等效外径周期性变化使得钻具组合导向力发生周期性增加或降低,变化幅度最高达50%,影响钻具导向稳定性能和疲劳寿命。进而提出建议:①计算复合钻井导向力时应采用考虑螺杆稳定器结构影响的钻具复合钻井导向力分析方法;②现场复合钻井时选用带棱槽包角为零的螺旋式稳定器或选用带棱槽包角小的直棱稳定器的螺杆钻具。

带旋转导向工具的底部钻具组合横向振动特性研究

为了提高旋转导向工具的井眼轨迹控制效果及作业安全性,研究了带静态推靠式旋转导向工具底部钻具组合(RSBHA)的横向振动特征。静态推靠式旋转导向工具通过控制3个导向翼肋的驱动压力实现井眼轨迹控制,可以将其等效为偏心距和偏心方位角已知的偏心稳定器;建立RSBHA的三维小挠度静力学模型,基于加权余量法确定RSBHA在钻压作用和井壁约束下的空间构形,获得上切点的位置;以上切点到钻头的距离作为横向振动的有效长度建立有限元模型,利用振型叠加法求解RSBHA的横向振动响应,分析工作参数和结构参数对其横向振动的影响。算例结果发现:转速约为138 r/min时,RSBHA的动态位移在距钻头8.20,18.10,24.60和31.60 m处较大;钻压对RSBHA最大弯曲应力的影响较小;偏心距和偏心方位角对RSBHA横向振动特性的影响较大,对于某些特定的偏心距和偏心方位角,RSBHA最大弯曲应力会明显增加。研究结果表明,结构参数和工作参数对RSBHA的横向振动影响较大,应对其进行优化设计,以确保旋转导向工具的应用效果和钻井作业安全。

下部钻具纵横弯曲非线性有限元分析

用虚功原理推导了钻具在集中载荷钻压和均布载荷自重分力作用下的纵向弯曲几何刚度阵 ,结合间隙元对钻具的纵横弯曲和接触非线性进行了有限元分析 .工程算例表明 ,纵向弯曲能够加剧钻具的横向变形 ,钻压产生的纵向弯曲明显大于自身重力分力产生的纵向弯曲 ,当钻压达到某一临界钻压后 ,平衡方程无法求解 ,此时钻具处于不稳定工作状态 ,井眼轨道难于控制 ,临界钻压随着井斜角的增大而增加 .计算结果与实际钻井情况相吻合 ,该计算公式可作为分析钻具纵横弯曲几何非线性的有限元列式 .

预弯曲动力学防斜技术在空气钻井中的应用

针对高陡构造地层自然造斜能力强、空气钻井井斜控制难度大的难题,文章基于空气钻井条件下的钻具组合动力学特征研究,将预弯曲动力学防斜技术应用于空气钻井中,利用带预弯曲结构的特种钻具组合空气钻井时在井眼内形成特定的涡动轨迹,引起钻具组合的统计质心向下井壁方向震动,从而实现向下井壁的冲击力。预弯曲防斜钻具组合在A井试验表明,该方法纠斜防斜效果明显,最大井斜仅1.14°,满足钻井设计要求,与邻井相比机械钻速提高了273%。

螺杆防斜快速钻井机理探索

对螺杆和常规钟摆防斜组合的防斜、纠斜能力进行了对比分析 ,得出螺杆防斜组合在提高机械钻速的同时 ,其纠斜能力仍然要高于常规钟摆组合。并给出了螺杆防斜组合的接法及在实际应用中注意的问题 ,可作为现场技术人员的参考。

推靠式旋转导向工具造斜能力影响因素

旋转导向工具相比于滑动导向工具具有机械钻速快、摩阻扭矩小、水平位移延伸能力强、井眼轨迹易调控等优点。推靠式旋转导向工具引入国内市场后,总体应用情况较好,但在部分地区也出现了工具造斜能力不足的问题。根据底部钻具组合纵横弯曲梁方法,建立了推靠式旋转导向工具变截面BHA力学模型以及井斜趋势角分析模型,并在此基础上分析了BHA结构参数、钻压、钻头各向异性和岩石可钻性对工具造斜能力的影响规律。分析结果表明,偏置力、第1跨钻柱长度及外径、第2跨钻柱外径、钻头侧向切削能力对工具造斜能力的影响较大。根据分析结果对推靠式旋转导向工具的底部钻具结构进行了优化,在塔中地区取得了较好的应用效果。

柔性钻具组合防斜钻快的强度分析

在倾角大、岩石硬度高、自然造斜能力极强的地层中,采用常规塔式钻具组合、刚性满眼钻具组合和钟摆钻具组合均难以控制井斜,而采用柔性防斜钻具组合控制井斜则为大倾角硬地层防斜钻直提供了一种新型的技术手段。但是钻具强度问题一直是倍受关注的焦点。文章以固体力学有限元理论为基础,建立了柔性下部钻具组合在弯曲井眼或斜直井眼中的有限元力学模型,求解并得到了下部钻具组合的应力场。研究结果揭示了柔性防斜下部钻具组合的变形、应力分布规律、下部钻具组合的强度特征和失效的力学机理,为钻具组合安全使用和优化设计提供了参考依据。

侧钻水平井下部钻具造斜性能的预测

用有限元法的间隙元理论对侧钻水平井下部钻具进行了力学分析研究，考虑了钻柱与井壁之间的接触摩擦阻力和阻力矩对钻具受力变形的影响，从而计算钻头处变井斜力．根据钻压和钻头处变井斜力，对钻具造斜性能进行预测，为１３９．７ｍｍ套管内侧钻水平井钻具的工程设计和施工决策提供了理论依据，为优选下部钻具组合提供了实用计算方法．经现场应用，钻具造斜率平均误差为８．６％．

声波钻杆信道及信息传输仿真研究

为利用声波沿钻杆有效地随钻传输钻井数据,提出应用声波无缝传输模型将任意井下钻具组合(BHA)分解为单个声波无缝传输模型(RATO)的级联。建立了BHA中每个钻具的RATO,分别设计FIR滤波器模拟该模型,根据对信道通带位置最佳逼近原则应用相位均方误差最小准则获得最佳FIR长度;将子双口网络参数连乘得到模拟的多钻具级联构成的BHA的系统函数;应用有加工误差为±4%的5in同规格钻杆随机级联为例仿真声波钻柱信道验证了FIR滤波器的方法的正确性和可行性;在该信道上采用2FSK调制解调方式进行信息传输仿真,信号载频位于信道子通带内,约2 500m信道、传输波特率为20bit/s时误码率小于3%。可以应用FIR滤波器仿真声波钻柱信道进行信息传输研究,为随钻声波传输仪器的研制提供测试平台和技术支持。