定向井中采用曲线井眼轴线的理论研究

本文通过对采用圆弧、二次抛物线以及悬链线型等作为定向井井身轴线之后的井眼曲率、井段弧长、井斜角、起下钻附加阻力以及钻柱旋转摩擦力矩等的对比研究后认为,在理论上采用二次抛物线作为定向井的井眼轴线,比圆弧线好,比悬链线更好。文中还指出了用悬链线作为定向井几何轴线后存在的若干问题,及文献[4]对这一问题在理论分析上的某些缺陷。     

钻头与地层相互作用分析及井眼轨迹预测

本文对钻头与地层相互作用进行了全面的三维分析,在综合考虑钻头各向异性和地层各向异性对井眼轨迹影响的基础上,建立了钻头与地层相互作用的三维钻速模式.利用该模式并结合钻柱力学三维分析,可以预测定向井井眼轨迹,还可以利用定向井井史资料,反求有关系数.通过对大庆油田萨中区四口定向井井史资料的分析,得出该地区10个层段3种常用钻头的10组数据.在此基础上,对该地区两口实验井分四个井段进行了跟踪预测,其结果是,井斜平均误差为0.162°/100m,方位平均误差为0.988°/100m.     

弯曲井眼中下部钻具组合的有限元分析

定向井眼的弯曲形态,极大地影响了钻柱的受力状况,井眼轨迹控制特别要求对钻柱的最底端,即下部钻具组合进行深入的受力与变形分析。本文将有限单元法应用于下部钻具组合的三维静力分析。由于对处理方法做了一些改进,使有限单元法更适用于弯曲井眼中的钻柱受力与变形分析。针对钻柱与井壁的接触间题,文中提出了一种新的计算方法,大大缩短了这类问题的计算时间。对一些下部钻具组合进行了分析并论述了钻压、井斜角、井眼扩大、井眼三维曲率和钻头扭矩对钻头侧向力的影响。     

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科学的井眼轨迹设计方法和精确的井眼轨迹预测与控制技术是确保定向井、丛式井、水平井、大位移井、老井重钻、复杂结构井等一系列特殊工艺井钻井成功，降低钻井成本的关键技术。科学的井眼轨迹预测不仅可以指导轨迹设计、预测实钻井眼轨迹参数，而且可以优化下部钻具组合、提高轨迹控制精度。文章对井眼轨迹预测理论及方法作了简要的分类，介绍了几种目前常用的井眼轨迹预测方法及其特点；提出了基于钻井系统动力学的井眼轨迹预测理论及方法，建立了新的预测模式，提出了井眼轨迹不仅与下部钻具组合和钻头与岩石互作用有关，而且与钻柱的振动和钻井液水力作用有关。     

三维悬链线轨道的设计方法

悬链线轨道可以降低钻柱摩阻,利用钻头的自然漂移规律钻井,可以解放钻压、提高机械钻速。有机地融合了悬链线轨道和利用方位漂移规律钻井的优点,系统地研究了三维悬链线剖面的设计问题。建立了三维悬链线轨道的数学模型,分析了井斜单元和方位单元之间的耦合关系,提出了三维悬链线剖面设计的约束方程,形成了系统的三维悬链线剖面设计方法。最后,通过设计实例验证了理论模型的正确性。     

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本文采用有限单元法对下部钻柱静态力学性能进行了分析研究，讨论了静态条件下稳定器位置，井眼变化率，钻挺刚度等对钻头侧向力及其转角的影响。为现场更好地选取钻具组合和确定钻井参数提供了理论依据，为油田的定向井实践所验证。     

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定向井井身轨迹的选择对于钻井施工的安全、高效、低成本起着重要的作用。文章依据钻柱在定向井井眼内的实际受力分析，建立了追求钻柱起下钻摩阻力最小的最优井身轨迹目标泛函模型，并利用求泛函极值的变分原理，采用里兹法和多维寻优法求解了最优井身轨迹。结果表明：给定边界条件下的最优井身轨迹，既不是悬链线，也不是抛物线，而是一条复杂的超越曲线；最优井身轨迹有着良好的力学性态，可在定向钻井中广泛应用。     

井态悬链线方程及其井身轴线的设计技巧——定向井井身选线问题研究

本文导出了井态悬链线方程,澄清了有关井态悬链线的某些疑惑,并为井态悬链线的设计计算提供了一个直接准确的新方法。作者认为,从多角度看,悬链线与其它类型的井身曲线相比有较大的局限性,但给予悬链线的某些评论也值得商榷;不同曲线都有其自身的特点和适用条件,组合曲线具有组合的优势,在一定条件下圆弧线、椭圆线、抛物线、悬链线等的适当组合,都可作为定向井的优选线型。此外,还对定向井起钻净摩擦力及拉力的有关计算公式作了修正和补充。     

关于定向井井身剖面的选择问题

本文通过起下钻摩擦阻力的分析,对目前较先进的几种井身剖面进行了对比和评价,并提出了一种新的井身剖面——逆悬链线剖面。计算结果表明,这种新的剖面可以作为一种比较理想的井身剖面应用于定向井设计和施工。     

井眼轨迹预测研究的回顾和展望

<正> 一、前言 井眼的轨迹控制一直是钻井工程中最重要的问题之一。 影响井眼轨迹控制的因素很多,大致可分成三个方面:底部钻柱的力学性能、地层岩石的状态或应力和钻头与岩石的相互作用。地层岩石的状态和地层应力方面已有研究成果,并在井眼轨迹控制方面得到应用。人们对钻柱在井中的工作环境作适当假设后,已能近似计算或测量出钻头的方位和钻柱给钻头的侧向力(造斜力与方位力)。但是,牙轮钻头与岩石的相互作用至     

关于定向井轨迹曲线的几点讨论——兼答韩志勇同志质疑

本文再次讨论了考虑和不考虑钻柱自重时定向井起下钻摩擦阻力的计算问题。计算数值结果表明,这二者的相对关系是一致的,都证明了二次抛物线剖面比悬链线剖面起下钻阻力更小。文中还在分析悬链线方程选定的近似性,悬链线方程系数的可变性和不可控制性以及设计上的随意性后指出,悬链线理论剖面与实钻悬链线的不一致性,从而得不到预想效果。本文还从施工工艺上指出二次抛物线剖面远比悬链线剖面好。     

利用岩石可钻性预测井眼轨迹

本文利用我国各油田岩石可钻性研究成果及地层各向异性研究结论[1],分析钻碎各类岩石所表现的非线性位移性质对井眼轨迹的影响,在分析岩石可钻性的同时,还分析了地层各向异性、钻头各向异性等反映井下环境因素对形成井眼轨迹的影响。在给定钻头外力的前提下,运用钻速方程列出预测井眼轨迹的计算式,为反映井下环境的综合影响因素提供了定量计算方法。研究表明,由岩石可钻性决定的非线性位移性质、地层各向异性和钻头各向异性等三种性质是影响井眼轨迹的井下环境因素,在钻井设计和施工中都应计算其影响数值。由岩石可钻性级值Kd表示的井下环境因素,引入钻达预测方程中进行运算,可以获得影响井眼轨迹的定量结果,从而使定向井预测由定性进入定量研究阶段。     

悬链线轨道设计方法研究

悬链线轨道可以降低钻柱摩阻，改善钻柱的受力状况，有利于提高机械钻速和固井质量，在大位移井中具有显著的优越性。为此，系统地阐述了悬链线轨道的数学模型，并改进了无因次模型，使其更为简洁。分析了悬链线剖面的特征参数和设计条件，提出了新的悬链线剖面设计方法。新设计方法不需要进行迭代计算，可直接求解出井身剖面的待求参数，使悬链线轨道的设计过程大为简化。研究表明，悬链线剖面设计的实质就是确定悬链线井段的形状和位置；悬链线的特征参数决定了其形状，而悬链线井段的起始井斜角或稳斜井段的段长等参数决定了悬链线井段在井身剖面中的位置。最后，给出了悬链线剖面的设计与计算实例。     

大位移井轨道设计方法综述及曲线优选

井眼轨道设计是大位移井的关键技术之一。在总结前人工作的基础上．推导出了圆弧、摆线、悬链线、修正悬链线、拟悬链线、侧位悬链线、抛物线的统一计算公式。对于相同的目标点，计算出了这些曲线的井眼长度、最大造斜率、造斜段长度、下钻摩阻、起钻摩阻、滑动钻进摩阻和旋转钻进摩扭，通过赋给这些项不同的权值，然后用权值乘以各项的值与最小值的比值，最后累加，比较累加后值的大小，即可优选出最佳井眼曲线。     

钻柱扭转振动模型的建立及求解

在建立了牙轮钻头与井底岩石互作用模型的基础之上,将钻头与井底岩石互作用力矩作为钻柱的下端边界条件。在适当简化的条件下,利用弹性杆理论和单元法,建立了在钻井过程中由于钻头与岩石互作用和钻柱弹性变形而导致钻柱产生扭转振动的动力学模型。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扭振模型。为进一步弄清钻头、钻柱在井底的实际运动规律和动力学性能,控制井眼轨迹,预防钻杆早期失效奠定了理论基础。     

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本文在分析钻头对岩石破碎方式的基础上,综合考虑了钻头各向异性和地层各向异性对井眼轨迹的影响,建立了在岩石不同破碎方式下的钻头与地层相互作用的钻速方程并据该方程,得出了变井斜力和变方位力的计算式。     

井眼轨迹控制的多功能微机程序

本文在SHA变形分析及钻头与地层相互作用研究的基础上,从定向井轨迹控制的实际需要出发,研制了一个多功能微机程序。该程序的主要功能包括:(1)评估地层的各向异性;(2)预测二维井眼轨迹;(3)优化稳定器的安放位置;(4)进行钻压控制计算;(5)预测井斜方位漂移趋势。通过实际算例检验,说明该程序的计算功能稳定可靠,可在油田推广使用。     

整体钻柱力学接触有限元分析

考虑钻柱的扭转效应和接触摩擦,用有限元法建立了整体钻受力分析的三维准静力学模型和空间多向接触摩擦间隙元.用修正的牛顿迭代法进行迭代运算和用近似梯度增量法修改载荷增量,并对钻柱与井壁的接触摩擦和钻柱变形进行了分析计算.现场实验证明本文提出的理论和模型用于井眼轨迹跟踪预测结果与钻后实测结果符合很好,可作为定向井钻柱受力分析以及井眼轨迹设计和预测的一种基础理论和实用方法.     

定向钻井的计算机模式

定向钻井工程的重要问题是如何控制实际井眼轨迹,使其符合设计要求。井眼的任何不理想偏斜,都将增加纠斜次数,容易引起诸如键槽卡钻、套管磨损以及由于井下落物而必须侧钻等潜在问题,这就大大延长钻井周期,提高定向井生产成本。由于定向钻井工艺应用日趋广泛,如何控制井眼轨迹,就成为一个具有重要意义的研究课题。定向井的传统设计和操作方法都是建立在钻井工作者的经验之上。为此,本文在分析井眼控制各种因素的基础上,建立了定向井钻井的计算机模式,并介绍了摸式的基本原理,利用这个模式可以模拟定向钻井过程中井斜、方位沿井深的变化。为定量预测定向井井眼轨迹提供了较好的计算方法,使井眼轨迹控制由经验变得更加科学。模式的计算结果和现场实钻结果比较后可见,两者吻合程度令人满意。本文可供现场工作者进行决策时参考。     

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钻井界普遍认为，在弯曲的井眼中钻柱不会发生失稳现象，但未见到详细的理论论证。文中利用能量法，研究了等曲率井眼中钻柱的稳定性问题。在力学模型中，考虑了钻柱自重和井眼曲率的影响，给出了等曲率井眼中钻柱侧向失稳临界压力的一般形式，并讨论了弯曲井眼中，钻柱存在稳定问题的条件，所得结果可供工程计算参考。分析结果表明：在弯曲井眼中，钻柱临界压力不仅与钻柱的长度、截面尺寸等有关，还与井眼的曲率有关，且随着曲率的增大，其临界压力随之增大；当弯曲井眼的曲率增大到一定的数值时，钻柱由稳定问题转变为强度问题，其临界压力应由钻柱的强度条件确定。