水平井段管柱屈曲与摩阻分析

利用有限差分法和Ｎｅｓｗｔｏｎ迭代法,计算了斜直井段管柱螺肇屈曲临界力、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。     

富县浅层水平井钻柱摩阻影响因素分析

目前,大位移水平井、丛式井、分支井等特殊结构井在各个油田已普遍应用,成为提高采收率最直接有效的方法,因此对特殊结构井的研究也不断深入,特别是钻柱摩阻问题已成为长水平段顺利延伸的主要研究问题之一。对于陕北富县区块,由于储层埋深浅,施工水平井存在诸多困难,因此从加重钻杆放置角度、钻具组合、钻柱屈曲等影响摩阻因素出发,结合FZF47P1井设计施工情况,对钻柱进行摩阻受力分析,获取浅层水平井钻柱摩阻规律。为今后鄂南浅层水平井施工提供参考,同时也为后期压裂、采油施工提供指导和依据。     

钻柱与实钻水平井眼接触形态及摩阻影响分析

水平井钻进过程中,地层结构、钻具振动、钻头侧向力、岩屑沉积等因素易导致实钻井眼轨迹发生连续小幅偏斜。该种偏斜虽不会引起实钻井眼轨迹的严重偏离,但将改变钻柱与井壁的接触形态。受现有测井方法的限制,该种偏斜常被忽略。通过理论分析与仿真,研究水平段井眼轨迹在井斜平面内连续小幅偏斜波动条件下的钻柱与井壁接触形态及其对摩阻的影响。研究认为,钻柱与偏斜波动水平井眼间易发生"悬跨"接触,该现象降低了现有解析法求解钻柱力学相关问题假设条件"钻柱与井壁连续接触"的合理性。钻柱自重和轴向力对悬跨钻柱弯曲位移及悬跨接触最大临界跨距的影响最大。悬跨接触将减小钻柱与井壁的接触面积、增大钻进摩阻。     

小井眼长水平段水平井摩阻扭矩控制技术

小井眼长水平段水平井+ 分段压裂的开发方式在大牛地气田的开发中取得了理想效果,然而仍然存在一系 列的问题,尤其是水平段后期的摩阻扭矩控制问题。以理论分析和实钻工程特征为基础,建立了摩阻扭矩分段计算 模型,并对水平段长度、轨迹剖面、钻具组合和钻井液流变性等影响规律进行了分析,结果表明：随着水平段长度的增 加,钻进和起钻的摩阻扭矩均在增加,当摩阻扭矩不再增加时,此时便是水平段的极限长度;随着单增剖面靶前位移的 增加,摩阻扭矩增加;采用组合钻杆（?101.6 mm/?114.3 mm+?88.9 mm）既有利于水平段和大斜度井段携岩,同时又能 有效地控制摩阻扭矩;钻井液屈服值和塑性黏度越低,摩阻扭矩越小。将摩阻扭矩综合控制技术应用于DPH7 井,水 平段轨迹平稳,平均全角变化率1.79°/30 m。     

滚动钻柱摩阻研究

现有计算钻柱摩阻力矩的模型是在假设钻柱自转的条件下建立的，不适宜计算钻柱出现反转时的阻力矩。该研究成果有利于直井防斜和提高水平井钻井技术。     

基于钻柱动力学的井筒摩阻系数预测与应用

井筒摩阻系数是钻井设计和施工阶段准确预测和控制摩阻扭矩的关键因素,对比摩阻扭矩的实测值与预测值可预防钻井事故的发生。为此,基于钻柱动力学摩阻扭矩计算模型,结合近钻头多参数测量仪实测数据,开展了大斜度井实钻条件下套管段和裸眼段摩阻系数的预测方法研究,结果成功应用于同类型邻井的三开钻进阶段摩阻扭矩分析与控制。现场应用结果表明,实钻井筒套管内摩阻系数0.27~0.29,裸眼段摩阻系数0.39~0.41,均高于经验值;案例井钩载和扭矩预测值与实际值的误差满足施工精度要求,依托摩阻扭矩预测图版实时监测实钻摩阻扭矩的异常变化,保障了该井顺利施工。研究结果可为大斜度井钻机设备优选、井身剖面优化和现场钻井施工方案决策等提供科学依据。     

大斜度井作业管柱屈曲后摩阻模型的修正

作业管柱发生屈曲后,改变了与井壁的接触状态,同时改变了接触载荷的大小。一般情况下,由于屈曲作用,增大了作业管柱与套管之间的接触力,从而增大了摩阻。当管柱发生屈曲后,若还采用原有的摩阻模型进行计算,必将导致较大的误差。     

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。     

水平井钻柱摩阻力和摩阻力矩的计算

针对水平井的特点，提出对钻柱摩阻分段计算的方法，即对底部钻具组合（ＢＨＡ）段，采用纵横弯曲梁理论计算摩阻；对ＢＨＡ以上井段，用微单元力平衡分析法具体分析钻柱的受力，给出不同工况下水平井摩阻力计算的简化条件。探讨了泥浆粘滞力的计算公式和钻柱刚性效应的影响。在安塞油田、大港油田多口井的应用表明，在局部弯曲井段，钻柱的刚性对摩阻力有明显的影响；泥浆的粘滞力对摩阻力有一定的影响，所建模型与现场试验结果符合较好，能够为现场施工设计提供重要数据。     

三维复杂井眼上提冲放套管屈曲摩阻模拟研究

针对复杂井身结构、复杂井眼轨迹和井径变化导致的套管下放困难甚至不能到达预期井深的问题,开展了三维复杂井眼上提冲放套管屈曲摩阻研究。在螺旋屈曲套管附加摩阻理论的基础上,利用有限元分析,以H井实际工况参数建立三维复杂井眼套管“上提冲放”作业过程的有限元模型。利用该模型对全井段套管受力及屈曲变形情况进行了分析,结果表明,H井直井段套管在冲放瞬间及自由稳定后所受的轴向力大于其螺旋屈曲临界载荷,从2 000 m井深至造斜点之间井段发生了严重的螺旋屈曲变形,套管螺旋屈曲附加摩阻太大而自锁,下部套管无法传递动力出现下放困难。该类三维复杂井眼套管下放困难机理对复杂井眼套管柱屈曲形态损伤及其失效研究具有重要意义。     

水平井钻磨组合管柱载荷计算方法与应用

随着水平井水平段长度的增加,水垂比变大,管柱下入困难。油田现场钻磨作业采用两种线重油管的组合管柱方式提高下入能力,但是针对组合管柱载荷计算问题尚无基础研究。根据水平井的井眼轨迹、管柱自重以及管柱在各井段受力特点等因素,考虑流体对管柱相互作用力,建立了钻磨组合管柱载荷计算模型;通过C#语言环境采用迭代法、插值法及分段判别计算法编程求解模型,开发了组合管柱载荷计算软件,通过导入井眼轨迹参数、输入作业参数、设计管柱结构,实现载荷计算。应用编制的软件可实现对井眼轨迹的绘制和水平井钻磨作业组合管柱的多种载荷计算,为水平井钻磨安全作业提供了一定的指导作用。     

杆柱在水平井眼中的正弦屈曲

本文通过建立和求解杆（管）柱在水平井眼中的正弦屈曲方程，进一步分析了不同边界条件下，杆柱临界失稳载荷因子β０与杆柱长度因子α０之间的关系．杆柱在水平井眼中的稳定性取决于载荷因子β、长度因子α０及端部的约束条件．当β＜１时，柱杆不会发生失稳．当α０＜３，临界失稳载荷因子β０对边界约束条件较为敏感；当α０＞５时，β０对端部的约束条件不敏感．     

基于机械系统动力学自动分析水平井钻柱一井壁接触仿真分析水平井钻柱一井壁接触仿真分析

钻柱在高曲率、长水平段的水平井中与井壁接触状态十分复杂,接触状态又直接影响钻进过程中钻柱的摩阻扭矩,进而影响井的延伸极限。因而,较准确、全面描述全井钻柱系统与井壁的接触状态是保证钻柱摩阻扭矩分析结果可靠的前提。基于ADAMS软件,结合力平衡理论、Hertz接触理论和相似原理,建立了与真实测试试验装置具有一致钻井参数的水平井全井钻柱-井壁动态非线性接触模型,分析了全井钻柱接触力分布情况,研究了起钻速度、下钻速度、钻压和转速对接触的影响规律。结果表明：接触力峰值出现在弯曲段;起、下钻速度均对弯曲段钻柱接触状态影响明显,速度相同时起钻比下钻时接触力大;增加钻压可减小全井钻柱的平均接触力;钻柱旋转会在水平段中前部出现小幅密集接触。仿真结果为钻柱摩阻扭矩测试试验装置提供了合适的钻柱与井壁的接触力测量位置,便于利用该装置开展钻柱摩阻扭矩等相关研究。     

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。     

考虑摩擦时水平井钻柱的稳定性分析

分析摩擦对水平井钻柱稳定性的影响对于水平钻井作业的顺利进行是非常重要的．本文首先根据钻柱在水平井眼中的变形几何方程和静力平衡方程导出了钻柱的屈曲方程．通过线性化方程的小参数摄动解，讨论了不同边界条件下钻柱在水平并眼中的临界失稳载荷．绘制了不同摩擦系数（ｖ）下，无因次临界载荷（βｏｍ）与无因次长度（αＬ）之间的关系曲线；以及无因次钻压βＬ与临界无因次长度αＬＣ之间的关系曲线．本文的结果和有关的曲线可为水平井钻柱的稳定性计算和设计提供理论基础．     

水平井眼中管柱变形方程的实验仿真

以已有的三维井眼中管柱正弦屈曲和螺旋屈曲行为分析模型软件为基础 ,根据物理相似原理 ,设计了井眼中管柱屈曲变形的小尺寸模拟实验装置 .通过改变管柱变形微分方程中包含的无因次轴力 β、无因交摩擦及数 γ1和无因次轴力分布系数 γ2 的值 ,利用该装置对管柱在水平井中的临界载荷、载荷传递效率、变形效应等进行模拟实验 .试验结果表明 :钻压传递、位移与载荷的实验结果与理论计算值之间的最大差值不超过 1 0 % ,临界屈曲载荷的理论值与实验值之差不超过 6% .本文的结果可为修正理论模型提供指导 ,使理论模型能更好地指导现场的油井管柱施工作业     

钻柱抗弯强度分析

钻柱强度分析是钻具设计和选材的重要依据，对大中曲率水平并，抗弯强度是下部钻具强度分析中的首要问题．本文对弯曲并段内钻柱的抗弯强度进行了研究，给出了钻柱抗弯强度和极限转角的计算公式．提出了钻柱设计的极限转角准则：γｍａｘ＜β１／ｎｓ．文中计算了塞平－１井二开和三开段内所用钻铤的极限转角，并进行了抗弯强度校核，结果表明，所选钻柱满足强度要求．     

水平井完井管柱振动特性实验研究

为探索气体作用下完井管柱振动响应机理,开展了水平井完井管柱在开井工况下振动相似实验。实验采用PE管模拟完井管柱油管,采用透明的亚克力管模拟完井套管,并采用Froude相似准则进行尺寸缩放;基于应变片测试技术采集气体作用下完井管柱油管在水平和垂直方向的振动,并采用模态分析法分析了管柱应变、位移响应及振动模态。通过有限元分析管柱固有频率并与实验振动频率对比发现,管柱振动频率接近三阶固有频率,且会发生共振;实验管柱系统在弯曲段响应应力、位移量较大,振动较为剧烈;管柱在水平方向与垂直方向振动频率与模态一致,水平方向振动剧烈。     

考虑自重的斜井钻柱稳定性

钻柱轴向力是井眼倾角、钻柱摩擦系数及钻柱浮重的函数,将此函数代入斜井钻柱挠曲线方程,并采用无穷级数法求解,确定钻柱长度系数与临界屈曲压力系数之间的关系.结果表明:当钻柱长度系数增加时,临界屈曲压力系数趋于常数;钻进过程中钻柱很容易发生屈曲,在进行钻柱摩阻扭矩分析时,考虑钻柱的屈曲很有必要.     

水平井筒压降及其对产能影响的研究

根据水平井筒变质量流动特点,建立了水平井筒压力梯度模型,讨论了几种计算井筒压力降的方法.由于沿水平井筒段的压力变化直接影响油藏中的流体沿井筒生产段的流入,引入了考虑井筒压降时水平井产量的估算模型,并针对井筒为无限导流时的产能计算,计算了考虑井筒压降对水平井生产动态的影响.所得结果可为准确估算水平井产量以及合理预测水平井的生产动态提供理论依据.