推靠式旋转导向系统底部钻具组合动态安全评价方法

推靠式旋转导向钻进时巴掌对井壁的间歇性推靠致使钻柱处于非线性阻尼激励的复杂工作状态,剧烈的振动易引发钻柱的疲劳失效。建立考虑巴掌与井壁的接触碰撞及动态激励的底部钻具组合动应力计算模型,分析钻柱转速对钻柱动应力和钻头侧向力的影响。结果表明:钻井过程中底部钻具组合动应力和钻头侧向力处于剧烈波动状态,尤其在临界转速下运动的钻柱将产生剧烈的振动及较高水平的动应力,导致钻柱出现疲劳破坏;通过调节钻柱转速至两阶相邻转速中间值,可显著降低钻柱的振动加速度。现场试验验证了通过调节钻柱转速提高底部钻具组合动态安全的可行性,为推靠式旋转导向及同类工具安全钻进参数的优化设计提供了依据。     

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8 000 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。     

气体钻井中钻柱力学性能及冲蚀实验研究

由于在破岩过程中受到冲击,气体钻井中的钻柱产生了交变应力,而钻柱旋转加剧了交变应力的变化,同时气体携带岩屑对钻柱产生冲蚀,加速了钻柱的失效。钻柱主要失效形式为疲劳断裂,这跟钻柱所受应力大小及变化密不可分,因此,开展气体钻井过程中钻柱力学性能和冲蚀研究,掌握钻柱应力变化规律及岩屑对钻柱的冲蚀规律,是减小和防止钻柱失效的基础工作,对增加气体钻井过程中的安全性和降低钻井成本有十分重要的意义。通过使用一种已开发出的可同时模拟气体钻井钻具振动和冲蚀的装置,进行了不同钻具组合情况下,气体钻井钻柱同时受振动和冲蚀实验。实验结果表明,气体钻井过程中,配置扶正器将使钻柱所受交变应力值变化范围降低40% 以上,扶正器和减振器的配合使用将使交变应力值变化范围下降50%,因此,扶正器和减振器的配合使用,将大幅降低钻柱所受交变应力,并延长交变应力作用周期,从而降低钻柱失效的概率。     

导向钻井有关力学特性的分析

通过对导向钻具复合钻进的力学特征及影响底部钻具组合的设计因素分析,指出导向钻具组合利用弯螺杆的力学特性可以一趟钻实现增降稳等多种功能,有助于提高钻井效率;由于螺杆弯角对钻头侧向力影响较大,需合理使用;在倾角较大区块应综合考虑钻柱自身及地层特性的影响,同时可利用导向钻具复合钻进特点设计井眼轨迹。     

偏轴钻具组合防斜打快的强度分析

针对偏轴防斜打快技术中所用的钻具组合的受力状态复杂,对整个钻柱系统的安全性有较大影响的问题,考虑安全、有效的钻井施工特别需要对偏轴接头及接头附近的钻铤强度进行分析,找出钻具组合的危险点,以便于校核钻具组合的强度和改进偏轴钻具组合的结构设计的实际。以下部钻柱为研究对象,将钻头以上部分分成多个梁单元,进行结构离散,建立力学模型,采用有限元分析方法,进行偏轴接头强度分析。研究表明,偏轴钻具防斜钻具组合的最大复合应力发生在偏轴接头与下部钻铤的结合部位,主要由弯曲载荷和轴向力产生。在应力最危险部位,应特别注意钻具的强度安全问题。     

底部钻具组合二维分析新方法

提出一种用于分析底部钻具组合稳定器处的轴向力的新方法 ,即认为轴向力方向应与钻柱切线方向一致 ,其大小不应忽略井壁支反力的影响。在此基础上 ,采用加权余量法推导出一套用于计算底部钻具组合二维受力和变形的新的公式。实例计算结果表明 ,由于该公式考虑影响因素更全面 ,因而其计算结果更具合理性 ,与钻柱实际受力情况更加相符 ,且计算过程更为简便、快捷。     

底部钻具组合参数设计的评价方法

考虑钻具的设计参数对钻进趋势的影响,提出了钻进趋势角的概念,以此作为底部钻具组合设计效果的评价指标。结合底部钻具的力学分析方法与钻头和地层各向异性理论,建立了一套钻具参数设计效果的评价方法。该方法可分析钻具结构参数、地层参数、钻井施工参数等对钻进趋势的影响规律,从而可以为适应不同井眼条件对钻具性能的要求,提供合适的钻具结构设计参数和操作参数。理论及应用研究表明:(1)钻头侧向力等于零的位置并不是钻具钻进趋势发生改变的位置;(2)如果稳定器位置安放合适,钻压也可以在一定范围内改变钻具的钻进趋势;(3)在直井防斜作业中,使用牙轮钻头比PDC钻头可以起到更好的防斜效果。     

底部钻具组合参数设计的评价方法

考虑钻具的设计参数对钻进趋势的影响，提出了钻进趋势角的概念，以此作为底部钻具组合设计效果的评价指标。结合底部钻具的力学分析方法与钻头和地层各向异性理论，建立了一套钻具参数设计效果的评价方法。该方法可分析钻具结构参数、地层参数、钻井施工参数等对钻进趋势的影响规律，从而可以为适应不同井眼条件对钻具性能的要求，提供合适的钻具结构设计参数和操作参数。理论及应用研究表明：（1）钻头侧向力等于零的位置并不是钻具钻进趋势发生改变的位置；（2）如果稳定器位置安放合适，钻压也可以在一定范围内改变钻具的钻进趋势；（3）在直井防斜作业中，使用牙轮钻头比PDC钻头可以起到更好的防斜效果。     

直井眼钟摆钻具纵向振动特性的实验研究

为了了解直井眼中底部钻柱的纵向振动特性,利用根据相似理论设计出的钻柱动力学模拟试验装置,对不同参数组合下的钟摆钻具组合纵向振动特性进行了模拟实验研究。实验结果表明,钻柱的纵向振动主要与转速和钻压有关。转速一定时,提高钻压有利于减轻钻柱纵向振动;钻压一定时,降低转速有利于减轻钻柱的纵向振动;当对钻具施加的名义钻压一定时,随着转速的增加,平均钻压有减小的趋势。另外,在减小直井底部钻柱纵向振动的问题上存在钻压与转速的优化组合。     

钻柱轴向振动固有频率的计算和测量

钻柱振动的固有频率是钻柱在给定钻具组合（ＢＨＡ）条件下钻柱振动的固有特性,在钻进过程中钻头与地层相互作用对钻柱产生激励振动,如果某一激励频率与钻柱自身的固有频率相近时,钻柱将产生共振现象．共振对钻柱是有害的,它可以引起钻柱局部的应力集中,导致钻柱断裂,发生井筒事故．共振与钻井参数有直接关系,如钻压、转盘转数、泥浆性能等,因此,通过调整钻井参数可以避免钻柱的共振现象,达到优化钻井的目的．给出了钻柱轴向振动的固有频率和振动传输公式．现场测量及计算表明,不是所有的固有频率点都会引起钻柱的强烈振动,它取决于振动传输比,现场试验数据验证了计算公式．通过固有频率的计算,分析了减震器对固有频率的影响以及固有频率随井深增加的变化趋势．     

考虑连续特性的水平井钻柱轴向振动分析

为精确的描述水平井钻柱轴向受迫振动规律,本文以连续性波动理论为基础,考虑了钻柱连续特性、库伦阻尼及钻井液粘性阻尼作用和轴向振动工具对钻柱的位移激励,并采用等效粘性阻尼法对库仑阻尼进行线性化处理,建立了轴向振动工具作用下的水平井钻柱运动的动态解析模型;通过Burnett等人发表的轴向振动工具测试实验验证了本文所建模型,并利用数值模拟分析了轴向振动工具的频率及钻柱与井壁间摩擦系数对水平井钻柱轴向受迫振动的影响。结果表明：在一定范围内增加轴向振动工具的振荡频率可提高水平井钻柱的轴向受迫振动响应;钻柱与井壁间摩擦系数对水平井钻柱轴向受迫振动的影响随着钻柱长度的增加而降低。本文的研究方法和模型可为改善轴向振动工具在水平井作业中的作用提供理论指导。     

钻井流体粘度对钻柱纵向振动的影响

针对气体钻井技术在低压油气田开发中出现气体钻井的钻柱振动和钻具破坏的问题,概述了气体钻井面临的钻柱振动问题、钻具破坏问题和解决问题的途径。介绍了位移激励法的钻柱纵向振动分析的数学模型和力学分析软件。对钻井流体粘度对钻柱纵向振动的影响规律进行了研究。数据表明,钻井流体的粘度对钻柱的纵向振动影响较大。在一般情况下, 钻井流体的粘度越小, 钻柱的振动幅度越大。钻井流体的粘度对钻柱振动的共振频率影响不大。气体钻井虽然提高了钻进速度,但同时也对钻具防破坏技术提出了更高的要求。     

塔河油田同心随钻扩眼钻柱动力学研究

老井侧钻是解决塔河油田含水率增加的主要技术,但井眼直径变小会对后续作业产生很大的影响,应用随钻扩眼技术可以解决此问题。但也存在钻柱动力学稳定性差、扩眼效果不理想和钻速低等问题。基于弹性力学理论及有限元分析方法,考虑弯曲井眼中钻柱受力、钻柱结构和领眼钻头与扩眼工具处钻压扭矩分配等因素的影响,由该区一口实例井扩眼参数建立了侧钻井同心随钻扩眼钻柱瞬态动力学模型。并研究BHA在小井眼中的运动状态,全钻柱关键位置动应力变化、井口轴向力、井口扭矩、钻柱轴向加速度和钻柱等效应力随加载时间的变化,模拟结果可为研究同心随钻扩眼钻柱的动力学性能和优化随钻扩眼施工参数提供了理论支持。     

钻柱纵向振动模型的建立及求解方法

在牙轮钻头与井底岩石互作用模型的基础之上,将钻头在井底作纵向往复运动的位移作为钻柱纵向振动的下端边界条件,在适当简化的条件下,利用弹性杆理论和单元法建立了钻柱在钻井过程中由于钻头与岩石互作用及钻柱的弹性变形而导致钻柱产生纵向振动的动力学模型在给定初始条件和边界条件的情况下,采用数值计算方法求解了钻柱纵振模型。为进一步弄清钻头、钻柱在钻井过程中的实际运动规律和动力学性能,改进钻头、钻柱的设计方法,预防钻头、钻柱早期失效奠定了基础。     

水平井侧钻过程中钻柱振动规律的研究

当前在水平井的侧钻过程中,钻柱处于复杂的运动状态,钻柱的强烈振动是引发钻柱失效的主要原因,钻柱的振动形式一般可以分为钻柱的轴向振动、侧向振动和扭转振动,还可能存在各种振动的耦合,通常近井底钻柱振动较为强烈.以洼38区块洼38-东H2水平井为例,分析了钻井工程中侧钻水平段情况下的钻柱的振动,建立了各种振动的模型,获得了各种振动的规律.该分析为水平井钻井工程避免钻柱共振提供了可靠的理论依据.     

定向井轴向振动有限元分析

在定向井钻井施工中钻柱受力是很复杂的.仅钻柱振动就存在轴向振动、横向振动和扭转振动,其中钻柱轴向振动是导致钻柱失效的主要因素之一,因此需要进一步对定向井轴向振动进行研究.利用有限元方法分析了钻柱轴向振动规律.首先根据定向井特点建立全井钻柱模型,然后以钻柱单元为研究对象,建立了全井钻柱轴向振动的力学模型,采用线性代数方法,通过计算机分析获得了钻柱轴向振动的共振频率分布规律.钻柱轴向共振,其共振频率取决于钻柱的材料性能及形态特性,与钻柱的长度关系不大.在达到轴向共振状态时,钻柱与井壁激烈地碰撞,使钻柱短时间内产生严重破坏,同时还会造成井塌事件,给钻井施工带来经济损失.该问题的研究对指导钻井施工,减少跳钻、避免钻柱失效等情况有很大意义.     

钻进深度对煤矿水平井钻柱振动特性的影响

煤矿水平井钻柱在钻进过程中，随着钻进深度增加，钻柱在重力作用下与井壁产生复杂的碰撞接触，由此产生的托压效应更加显著，使得钻柱动力学特性随钻进深度增加而发生明显改变，进而影响钻柱的疲劳寿命。基于岩石-钻头-钻柱-井壁耦合动力学分析模型，通过有限元动态仿真，研究了钻进至不同深度下钻柱的纵向、横向和扭转振动特性，分析了钻进过程对钻柱振动特性的影响规律。结果表明：随着钻进深度增加，钻柱纵向跳钻现象呈现“平缓—剧烈—平缓”的趋势，横向扰动呈现“小范围蠕动—大范围扰动—小范围蠕动”的特点，扭转方向剧烈涡动占比呈现先增加后减小的规律，钻柱主要动力学指标与钻进深度呈非线性关系。因此在对钻柱系统进行动态分析及优化时，不能只分析特定深度，应包含整个钻进过程。