弯外壳螺杆钻具在套管内通过能力的有限元分析

应用非线性有限元方法,研究了侧钻水平井钻井过程中,弯外壳螺杆钻具在套管内下入可行性的问题,计算了φ120单弯螺杆钻具结构弯角、稳定器间隙以及井斜角对螺杆钻具下入摩阻的影响,并给出了使得螺杆顺利下入时螺杆之上钻具的长度,以此判断螺杆是否需要借助外力就能安全下入套管内。计算结果表明,结构弯角小于2．75°时,单弯螺杆钻具的能够顺利下入φ177．8套管内,当螺杆结构弯角大于3°时,下入困难,甚至需要借助于外力才能将螺杆钻具强行压入位于井口附近的套管内。     

φ177.8 mm套管内大角度单弯螺杆下入阻力分析

钻中短半径水平井,在采用弯角较大的单弯螺杆钻具以满足高造斜率的需要时,由于套管内径较小,螺杆钻具钻头处位移比较大,螺杆钻具能否顺利通过直井段是钻中短半径水平井面临的一个重要问题。研究大角度螺杆钻具通过直井段时的力学特性对于合理选取螺杆钻具组合具有重要意义。文章采用有限元方法,以φ177.8 mm(7英寸)套管内单弯螺杆钻具为例,分析了单弯螺杆通过直井段时的应力分布规律及不同弯角大小对单弯螺杆通过直井段的影响。     

中短半径双弯螺杆钻具在套管内的通过能力分析

套管内侧钻中短半径水平井,由于造斜率比常规的中半径水平井要高得多,结构弯角必然较大,因此提出了这种钻具在套管内能否顺利下入的问题.采用纵横弯曲法,对在φ139.7 mm套管内带垫块的双弯螺杆钻具组合建立了受力与变形分析模型,重点分析了双弯螺杆参数对底部钻具组合与套管壁摩擦力的影响,由实例数据计算出此钻具组合在套管内的摩擦阻力,分析了螺杆钻具在套管内下入的可行性.结果表明,双弯螺杆钻具在φ139.7 mm套管内能顺利下入.     

弯螺杆钻具力学特性分析与设计

设计或选择弯螺杆钻具组合时，既要确定弯螺杆钻具的总体方案结构参数，还要预测该钻具组合的造科能力。利用结构弯角的等效角和等效横向载荷，推导了用以分析具有结构弯角的螺杆钻具组合力学特性的三弯矩方程组，并应用它确定钻具组合的平衡曲率。根据实钻结果研究了弯螺杆钻具组合造斜能力与平衡曲率间的关系，得出了平衡曲率系数的数学表达式，并将其应用于φ39．7mm套管侧钻水平井的φ89mm弯螺杆钻具总体方案设计。计算表明，这种φ89弯螺杆钻具应设计成传动轴本体上带有稳定器的单弯钻具。     

中短半径造斜螺杆钻具在套管内的通过度

套管内侧钻中短半径水平井，由于造斜比常规的中半径水平井要高得多（１／ｍ以上），因此，结构弯角必然较大，这就提出了这种钻具在套管内能否顺利下入的问题，文中根据最小变形原理钻具在套管内下入过程中变形进行分析，解决了变形过程中边界待定问题，并对φ１２０双弯螺杆钻具和φ９５双弯螺杆钻具的φ１７８套管内的下入作了验证和验算，证实了能量法分析的可行性和有效性，并将原方案的φ１２０双弯螺杆钻具改为φ９５双弯螺杆     

大弯角螺杆钻具过窗口通过能力分析

绥中某油田E井是在老井244. 5 mm套管内开窗侧钻215. 9 mm井眼,采用大弯角螺杆钻具组合进行中短半径钻进作业,而大弯角螺杆钻具组合通过侧钻窗口问题比较突出。鉴于此,考虑有效窗口长度和马达弯角大小等参数的影响,利用ANSYS有限元计算软件,对螺杆钻具组合过窗口进行模拟计算。计算得到钻具组合下入的最大应力及总摩阻力,利用许用摩阻力和许用应力判断螺杆钻具组合下入能力。当螺杆钻具马达弯角分别取1. 50°、1. 75°和2. 00°时,综合考虑强度和摩阻两个条件,能通过的最短有效窗口长度分别为1. 0、1. 0和1. 5 m。研究结果可为现场最终确定钻具组合方案提供理论依据。     

弯外壳螺杆钻具窗口通过能力有限元分析

大弯角螺杆钻具组合能否通过开窗侧钻窗口是决定工程顺利作业的关键因素。基于此,开展了弯外壳螺杆钻具窗口通过能力有限元分析。根据SY-4试验井相关参数,考虑下部螺杆钻具刚度、马达弯角、斜向器角度、重力和扶正器等参数的影响,建立了螺杆钻具动态下入套管开窗段力学模型,利用有限元法进行模拟计算。计算结果表明:螺杆钻具强度、接触力和摩阻力均满足要求,结果与SY-4试验井非常接近。研究结果对侧钻水平井套管开窗后螺杆钻具下入通过能力分析具有理论指导作用。     

高效螺杆钻具在大牛地气田的应用

为了减少水平井造斜段滑动钻进比率,提高施工效率,实现降本增效,公司研发人员积极探索,与螺杆厂家合作开展7LZ165mm×7.0MPa\DW1.5°高增斜率单弯螺杆钻具试验和改进工作。经过科研理论分析及室内实验提出了7LZ165mm×7.0MPa\DW1.5°单弯螺杆钻具的可行性,为了确保螺杆的实用性,在鄂北工区进行了现场跟踪和数据收集,优化后的螺杆钻具与没有改良的螺杆相比平均滑动比例减少了27.65%。     

中短半径水平井造斜率与螺杆钻具应力研究

应用非线性有限元法，建立了中短半径水平井螺杆钻具力学模型。分析了不同井眼曲率和不同弯角下120 mm大角度单弯螺杆钻具组合应力分布情况，最大等效应力随着曲率的增加先减小后增大，随着弯角的增大而增大；采用平衡曲率法，对大角度单弯螺杆造斜率进行了计算。确定了螺杆钻具组合极限应力与造斜率的关系， 等效应力线与分界线交点的左侧随井眼曲率增加而减小、等效应力线与分界线交点的右侧随井眼曲率增加而增加。该项研究为中短半径水平井大角度单弯螺杆钻具的安全使用、轨迹控制设及螺杆钻具的改进提供了依据。     

双弯螺杆钻具几何造斜率计算式的修正

准确地设计螺杆钻具的造斜率是实现滑动导向钻井的关键技术。鉴于此,考虑下稳定器与井壁的间隙对双弯壳体钻具几何造斜率的影响,定义了间隙影响产生的附加造斜率,改进了几何造斜率的计算公式,并用改进公式分析了影响造斜率的几个因素,同时结合现场实例对改进公式的精度进行了验证。分析结果表明:对于同向和反向双弯螺杆造斜工具,当下稳定器与井壁的间隙增加时,造斜率都呈线性减小;下弯角对造斜率的影响是上弯角的4.6倍,下弯角对造斜率的影响非常显著;无论是同向双弯还是反向双弯,都有最优的造斜率,钻井现场下稳定器至钻头的距离一般选择1.0~1.5 m为宜。所得结论可为螺杆钻具的现场应用提供指导。     

KXS203井口设备偏磨原因分析

KXS203井在钻井过程中井架底座基础非均匀下沉,套管头和防磨套严重偏磨,随后套管柱试压发生了泄漏。为了搞清该井井口设备偏磨原因,防止此类事故再次发生,对该井井口设备和钻杆磨损情况进行了研究,对井架基础下沉造成的井口偏心程度进行了分析计算,并从钻杆接头与井口设备尺寸匹配、井口偏心、防磨套及顶丝性能、钻柱旋转和起下钻、钻柱转速等方面对井口设备偏磨影响因素进行了分析。认为井口设备与井架基础下沉、钻杆接头与井口设备尺寸匹配、井口偏心、防磨套及顶丝性能、钻柱旋转和起下钻、钻柱转速等对井口设备偏磨等有关,但该井井口设备偏磨主要原因与井口偏心和防磨套失效有关。提出了防止井口设备偏磨的建议。     

SHW01深水平井钻井工艺技术

新疆石西油田第一口水平井──SHW01水平井,φ339.7mm表层会管下深500m,φ244.5mm技术套管下深4013.37m。三开用φ216mm钻头,第一次在井深4060m造斜钻至4390.18m(井外角69°)卡钻,经多次处理无效,注水泥封固。第二次在4066.21m侧钻,用双弯和单弯螺杆钻具增斜,于4472.05m(井斜角88°)进入水平段。后用转盘钻、单稳定器钻具钻进,于4484.70m进入水平段窗口,并较好地控制了稳平钻进,因冬季施工和井下情况复杂,为确保安全提前完钻。完钻井深4800.10m,垂深4385.20m,开封角90.3°,闭合方位7.06°,水平位移550.33m,采用φ177.8mm×4288.43m+φ139.7mm×503.67m复合油层套管,油层段为打孔套管和普通套管相间的结构完井。     

5LZ95×7.0同体双弯螺杆钻具研制

侧钻中短半径水平井钻井技术是国家"九五"期间的攻关研究项目。螺杆钻具是其中的一项关键技术,其主要目的是研制满足侧钻中短半径水平井需要的小尺寸高造斜率的弯外壳螺杆钻具。文中从双弯与单弯螺杆钻具的结构等效关系等多方面进行了探讨,根据油田需要设计和制造了5LZ95×7.0同体双弯螺杆钻具,在油田得到了现场验证,受到了使用单位的好评,为我国水平井钻井技术增添了一种新型实用工具。     

庆深气田致密砂砾岩气藏小井眼水平井钻井技术

为提高大庆油田深层致密砂砾岩气藏的勘探开发效益,缩短钻井周期,降低钻井成本,开展了小井眼水平井钻井技术研究。首先,按照套管允许的弯曲半径必须小于井眼实际弯曲半径的原则,在分析φ215.9 mm弯曲井眼安全下入φ177.8 mm技术套管和φ152.4 mm钻具组合通过φ177.8 mm技术套管能力的基础上,对井身结构进行了优化;其次,考虑到目的层可能提前或滞后的情况,利用探气顶稳斜角公式计算了不同厚度储层的稳斜角,同时考虑造斜井眼尺寸以及实际地层造斜能力,对井眼轨道进行了优化;最后,根据钻遇地层的特点,对钻头进行了选型,设计了钻具组合,优选了钻井参数,最终形成了庆深气田致密砂砾岩气藏小井眼水平井钻井技术。该技术在徐深平3X井成功实施,钻井周期与常规水平井相比缩短了32.83%。这表明,该技术可为深层砂砾岩气藏的勘探开发提供新的技术手段。      

剪切帽技术对PDC切削齿的保护原理及应用

套管开窗侧钻施工或套管钻井结束后,需要使用专门的钻头或磨铣工具磨铣套管或钻穿浮鞋、套管钻头等套管组件,然后才能进行后续地层的钻进。传统工艺是采用两趟钻或一趟钻完成,两趟钻浪费时间和成本,一趟钻对PDC切削齿的伤害较大。Varel钻头公司研发的剪切帽技术,其原理是在套管开窗或钻穿浮鞋、套管钻头等套管组件时可提供剪切作用,同时保护主PDC切削齿面。进入地层后,剪切帽快速磨损脱落,使切削齿高效钻进地层。现场测试结果表明,剪切帽可有效保护PDC切削齿不受损坏,提高机械钻速。介绍了剪切帽技术原理及其现场测试情况,以期推动我国用于套管开窗和套管钻井施工的一趟钻系统的发展。     

新型特殊结构钻杆在塔河油田超深井的应用

井底水力能量是影响超深井钻井速度的主要因素之一,通过对超深井水力能量进行分析,采用Ф177.8 mm小接头外径和Ф101.6 mm大水眼的Ф139.7 mm双台肩钻杆,能有效降低循环压耗,增加钻井排量,提高超深井的机械钻速。6 000 m井深使用Ф139.7 mm双台肩大水眼钻杆,在相同排量下循环压耗比普通Ф139.7 mm和Ф127 mm API钻杆分别降低3.47 MPa和10.91 MPa;相同压降下排量比普通Ф139.7 mm和Ф127 mm API钻杆分别提高4.5 L/s和10 L/s。子母接头钻杆配合气动卡盘使用,实现了超深井单吊卡起下钻,有效减少了钻杆本体的损伤,可节约起下钻时间。现场试验表明,新型特殊结构钻杆可有效提高超深井钻井速度。     

5LZ172-Ⅲ型长寿命螺杆钻具的研制

针对5LZ172-Ⅱ型螺杆钻具使用寿命短,难以满足施工要求的问题,通过改进旁通阀结构、研制等壁厚定子及配套转子、采用油密封传动轴以及挠轴等结构,研制出5LZ172-Ⅲ型高性能长寿命螺杆钻具。现场应用情况表明,5LZ172-Ⅲ型螺杆钻具在钻井液大排量条件下使用寿命为316 h,该钻具在多口井的应用中均获得了260 h以上的长寿命,同时减少了钻井过程中不必要的起下钻作业,提高了机械钻速,缩短了建井周期。     

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南海西部石油公司自营钻探成功的崖城２１－１－３井,井深４６８８ｍ,是一口高温高压并存的天然气深探井。测试证实,地层孔隙压力达１０４．７０ＭＰａ,井底温度为２０６℃,压力梯度为２２．７６ｋＰａ／ｍ,地温梯度达４．４２℃／１００ｍ。崖城２１－１－３井是在对同构造上的１井和２井的认识基础上,应用成熟、实用的先进技术,克服了施工中出现的复杂情况钻成的。通过分析总结１井和２井的资料,在充分识别地层压力和地层