气体钻水平井稳定器安放位置与井斜控制研究

针对XS–001H 气体钻井水平井段的井眼轨迹控制问题,建立了全井段水平井井斜控制的有限元模型,该有限元模型可以任意调整水平段钻具组合参数和稳定器的安放位置来进行井斜控制的力学机理研究。重点研究了钻铤钻具组合、无磁抗压缩钻杆钻具组合、稳定器不同安放位置与井斜控制的力学机理和关系,并得到了相应钻具组合下,钻头侧向力与稳定器间距的定量关系曲线,不同钻具组合在水平段的最大挠度与稳定器的变化关系曲线,这些结果为气体钻水平井段的井斜控制提供了定量的理论数据,并得到了现场应用。     

气体钻井上返岩屑对井斜影响的分析

气体钻井井眼环空的气固流动状态给固体岩石颗粒冲击井壁提供了条件。高速气流携带的岩屑与井壁碰撞的频率和剪切应力较大,因而井壁岩石更易破碎,井径扩大更为严重。井径的扩大导致底部钻具组合(BHA)受力状态发生变化,从而造成控制井眼轨迹的难度增加,引起井斜。同时,井壁岩石颗粒碰撞剥落在下井壁形成岩屑垫层,同样影响底部钻具组合力学特性,造成增斜力,从而影响井斜。为分析气体钻井上返岩屑对井斜的影响,根据气体钻井环空流动模型与颗粒碰撞的能量关系,建立了气体钻井条件下的井径扩大判别模型。实例计算表明该模型准确、有效,可以为气体钻井设计和井径分析提供依据。     

有限元法在钻柱力学中的应用

下部钻具组合的受力分析是水平井井眼轨迹控制技术的基础。有限元法是下部钻具组合受力分析高效的数值计算方法。本文全面系统地论述了有限元法在钻柱力学中的应用，建立了井下钻柱的有限元基本方程，研究了下部钻具组合的三维静力分析，非线性大变形分析，三维稳态动力分析，三维动力分析，全井钻柱摩阻力分析，钻柱与地层整体三维静力分析，并将有限元法计算的井眼轨迹与实测结果进行对比，两者取得良好的吻合。     

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。     

气体钻与泥浆钻全井段钻柱动力学对比研究

全井段钻柱在井内运动过程是一个非常复杂的非线性动力学问题,不可能得到比较完美的解析解,如果采用室内试验或者现场试验研究,其成本又会很高且很难实现。因此,在弹塑性力学、岩石力学和钻柱力学的基础上,以四川某井基本钻井参数和钻具组合为依据,采用有限元法建立了塔式钻具钻至1486m井深时的全井段三维钻柱模型和相应的井筒模型,并且建立了钻头与岩石以及钻柱与井筒之间的随时间变化且有摩擦系数的接触关系和相对应的泥浆钻井模型,对比分析了钻柱在动态钻进过程中的井口参数、钻头上压力和转动速度以及全井段钻柱的弯矩扭矩变化等结果,得出气体钻井与泥浆钻井全井段钻柱的运动规律以及钻铤失效机理的差异。为认识气体钻井全井段钻柱的运动规律提供了新的研究方法,对气体钻井中钻柱力学、井斜控制和设备等方面的研究都有较好的现实意义。     

直井防斜打快技术分析

钻井过程中影响井斜的因素很多,且井斜给钻井、完井等作业带来一系列的危害,并造成巨大损失。针对复杂深井钻井中多次出现井斜问题,目前在现场使用较多的除钟摆钻具和满眼钻具防斜技术外,主要发展了偏轴钻具防斜技术、螺杆钻具配合PDC钻头防斜技术等,但总体来看在直井防斜打快方面进展不大。国外近年来则研制了VDS、SDD、VertiTrak、PowerV等具有主动防斜能力的自动化井斜闭环控制系统,成功地解决了高陡构造、断层、盐层等情况下钻进时的井眼质量问题。复杂构造地区井斜问题非常普遍,因此应尽快开展新型防斜打快理论研究,研制新型工具和工艺技术势在必行。     

井壁变形和摩擦阻力对底部钻具组合的影响

将井壁变形与摩阻因素引入力学模型,以滑动摩擦为主建立了摩擦模式,用文氏弹性地基模拟井壁变形(即弹性井壁),应用有限元理论,研究了井壁与钻柱的相互作用对钻头侧向力的影响。计算结果表明,对较软地层井壁变形的影响不可忽视,尤其对三维井眼或造斜钻具,井壁变形对钻头侧向力的影响很大;摩擦与井眼弯曲共同产生了方位侧向力,而摩擦对井斜侧向力影响很小;稳斜钻具的钻头侧向力受井眼弯曲、井眼蚀变因素的影响较为突出。     

不同地应力状态下坍塌压力随井斜角与方位角的变化规律

文章讨论了在不同应力状态下,地层坍塌压力随井斜角、方位角的变化规律,以便对井网分布的确定、防斜打直、钻井井眼轨迹设计以及为减少或避免钻井复杂问题时的井位选择和钻井方向提供铺垫作用。     

浅谈石油工程气体钻井中井径扩大在不同钻压下对井斜的影响

气体钻井由于能够有效地保护油气层,解决恶性井漏、压差卡钻,提高机械钻速而得到了广泛的应用,但是在现场的应用过程中,井斜问题十分严重,下面分析气体钻井特点,并分析对井斜的影响。气体钻井过程岩屑的上返将对井壁有冲蚀作用。有研究表明,在钻井液钻井中,当1mm的岩屑颗粒以1m／s的速度冲击颗粒较细的井壁岩石时,作用于井壁岩石的有效剪切作用力将超过30MPa。岩屑持续不断地冲击井壁,将使井眼不断扩大。气体钻井条件下,上返岩屑与井壁的碰撞更剧烈,因而井壁岩石更易破碎,井径扩大更为严重,井径扩大的直接影响就是导致常规钻具组合中钻铤外壁与井壁之间的环空间隙大,本文对井径扩大在不同钻压下对井斜的影响作一浅析,与同仁共勉。     

浅谈复合钻井技术在油田的应用

复合钻井技术是采用滑动导向钻具组合进行钻井,可适时变更定向和开动转盘两种工况,连续完成定向造斜、绕障、增斜、稳斜、降斜及扭方位操作,而不用起钻变更钻具组合,就能快速钻出高质量的井眼轨迹,从而减少起下钻次数,提高钻井速度和精度。本论文从复合钻井技术特点出发,结合复合钻井技术在我国安塞油田和长庆油气田的应用现状,认为：（1）复合钻井技术的最大优点就是明显提高了机械钻井速度,采用复合钻井技术,可以使得轨迹控制简化,保证井眼轨迹圆滑,保障井身质量;（2）复合钻井技术能有效控制井斜,并提高井眼控制精度,实现连续控制井眼轨迹。     

钻软硬交错地层时钻头弯矩及转角的计算方法

本文详细地分析了从软地层钻入硬地层前后,钻头上产生弯矩的原因及计算方法。根据软硬地层的可钻性不同,钻速及相应的地层对钻头的反作用力也不同的原理,推导了在钻过交界面前后钻头的转角、钻具的反力矩及软硬地层中不同钻速与时间的关系式及微分方程,给出了方程的解。求解结果表明,钻头的转角和弯矩是随时间的延长而逐渐增大,在全部钻完交界面时达到最大值;钻头弯矩与交错层的可钻性、下部钻具的结构和钻头的几何尺寸有关,并且与所加的钻压成正比。     

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。     

钻柱振动失效控制装置井下通过能力评价

钻柱振动失效控制装置通过曲率段时会发生较大的弯曲变形、承受较大的弯曲应力,本文建立了组合钻具受力变形分析的三维有限元模型,应用ANSYS软件的大变形、接触非线性理论,对不同曲率井段的钻具强度进行了评估,为井下钻具的通过能力评价提供了新的研究方法。     

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。     

随钻扩眼钻井钻进趋势影响因素

以钻进趋势角作为评价指标,对使用随钻扩眼工具进行钻进时的钻进趋势进行了分析.结果表明:对于偏心扩眼钻头,钻压分配比在一定条件下能够改变钻具的钻进趋势,因此在钻具组合设计中不能按照常规钻头来对待;对于钻具组合设计,将扩眼体位于井眼高边时是否满足防斜要求作为设计依据;对于独立结构扩眼器,钻压分配比的变化通常对钻具钻进趋势的影响较小,独立结构扩眼器的防斜主要依赖于领眼钻头与扩眼器之间稳定器位置的调节.     

下部钻具组合的几何非线性分析

根据虚位移原理推导了两结点三维直梁单元几何非线性的单元切线刚度矩阵,建立了下部钻具组合(BHA)有限元分析的基本方程,考虑了井壁对下部钻具组合的约束,对BHA受力和变形问题进行了静力线性及非线性有限元分析,编制了相应的程序.利用该程序,计算和分析了曲率及钻压对钻头侧向力的影响及其非线性效应,得到了有关影响规律.     

定向井钻柱稳定性分析

在定向深斜井钻探中,一般采用钻铤和加重钻杆的浮重大于钻压的原理,来保持钻柱的稳定.但钻杆会因此承受过大的扭矩和拉力,加速早期疲劳失效.为此,基于斜井中井眼对钻杆具有弹性支承和约束的理论,通过定向井井眼尺寸及井斜角对钻柱稳定性影响分析,讨论保持钻杆稳定的边界条件和确定其底部钻铤柱的设计原则.结果表明,当井斜角大于45°时,有意让钻杆处于受压且不失稳状态下运行,既可使底部钻铤柱得以优化设计,又可大幅度地减少底部钻铤重量从而减小作用在钻杆上的扭矩和拉力,延长其使用寿命.     

机液控制可变径扶正器的结构及应用研究

在定向钻井中，造斜、稳斜及降斜是主要的工艺过程．目前在实际钻井时，实现这几个工艺过程，需要通过起下钻具，改变钻具组合来完成，这样就使得钻井作业辅助时间增长．本文将介绍一种机液控制的可变径扶正器．该扶正器的特点是工作时直径可调节，因而，不需要起下钻就可实现钻具组合的改变，从而完成造斜，稳斜及降伴等工艺过程．使用该扶正器将大大节约钻井成本，提高钻进速度．给出了这种可变径扶正器的主要结构设计、工作原理、主要的水力计算方法及简单的应用操作．通过计算分析可知：该扶正器可在任意深度的井段内实现变径，从而完成特殊作业要求．