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。     

全井中钻柱的有限元模型及应用

运用定向井或水平井眼中钻柱的有限元分析模型,将钻柱的总量变形分为钻柱相对于井眼轴线的变形和弯曲井眼迫使钻柱产生的初始变形,使复杂的钻柱非线性问题得以简化。通过一口水平井在其增斜段钻柱全氏的受力与变形的计算,可以看出不同载荷条件下,钻柱和井壁的接触状况,以及大钩载荷。用该模型对下部钻具组合进行了非线性分析,将非线性分析结果和线性结果做了比较。对钻柱的摩阻负荷进行了计算,提高了准确性。算例表明结果是合理的,为钻柱及下部钻具组合的力学分析提供了一个新的计算方法。该方法同样适用于套管柱的力学分析。     

钻柱力学研究中几个值得探讨的问题

钻柱力学主要研究钻柱的强度和井眼轨迹控制问题。近年来，在钻柱稳定性研究和下部钻具静动态力学分析方面，有些研究人员采用的钻柱在钻头处不受弯矩的边界条件、几何非线性分析方法、斜井段钻柱的稳定性分析方法和下部钻具组合动力分析的定解条件值得探讨。通过分析，指出了某些不确切的提法及症结所在。确切的提法应是：（１）钻柱在运动开始之前处于静力变形状态；（２）钻柱在井底钻头处为铰支座约束。     

女MH—1水平井下部钻具组合优化分析

将摩擦引入用动坐标迭代法分析大挠度钻柱受力变形中，对大港油田女ＭＨ－１水平井下部钻具组合进行优化计算和事后分析。计算分析结果与现场施工相吻合，并说明所用钻具都比较合理。     

下部钻柱反向涡动机理研究

钻井过程中，下部钻柱通常处于反向涡动状态，易造成钻具和钻头的损坏。因此，分析研究下部钻柱的涡动机理十分必要。考虑下部钻柱与井壁之间的碰摩作用，应用转子动力学理论建立了下部钻柱的反向涡动机理分析模型，探讨了下部钻柱反向涡动的原因和形成备件，以及下部钻枉反向涡动频率与自转频率的关系等，并利用室内模拟试验验证了下部钻柱反向涡动的机理及规律。     

下部钻柱组合的变形及应力研究

应力集中是钻具疲劳破坏的一个关键因素,定量计算钻具在井下所承受的应力水平及其分布规律显得尤为重要。建立了带扶正器下部钻具组合在垂直井和斜直井眼中的有限元力学模型,用编制的软件求解并得到了下部钻具组合的形变和弯曲应力。揭示了下部钻具组合失效的力学机理。下部钻柱组合在长跨距内变形挠度最大。钻柱变形后,危险点不在挠度最大处,而在钻柱变形转角大的位置。在扶正器附近的转角大,因而弯矩也大。扶正器附近是应力集中区,而远离扶正器的两跨之间应力水平相对较低。从钻具的结构上看,钻具的连接螺纹正处在这些最大应力集中区,这是连接螺纹疲劳失效的根本原因,而扶正器或配合接头的失效多发生在连接螺纹部位。     

用加权残数法计算弯曲井眼内钟摆钻具的变形及扶正器位置的优化设计

本文用加权残数法分析弯曲井眼内多扶正器组合钻具的静力问题,推导出能适用于任何下部组合钻具的变形和受力的理论公式。将其用于钟摆钻具,给出了该钻具的钻头侧向力、扶正器处的内弯矩等计算公式,讨论了扶正器位置的优化设计。     

防卡钻具组合及其受力分析

钻柱受力分析准确与否,对于提高钻井水平具有重要意义。由于钻柱是一根细长杆件,虽然每小段(如一根9m长单根)具有较大的抗弯刚度,但对整个长钻柱而言,几乎没有什么抗弯能力。而钻柱的变形又要受到井壁约束,钻柱与井壁接触处又有摩擦力作用,这就使得对钻具在进行受力分析时变得复杂和困难。为此,本文利用有限元法和接触理论对整体钻柱进行了三维静力分析。考虑到钻柱的刚性特征和井壁接触摩擦问题,引入空间多向接触间隙元(简称间隙元)理论,编制成相应的计算机程序。运用该程序,对定向井稳斜钻进中,常用的5种防卡钻具和1种满眼钻具进行了受力分析计算。结果表明,在一定的钻井条件下,防卡钻具能够取代满眼钻具进行稳科钻进,并可避免满眼钻具由于扶正器与井眼间隙太小而引起的卡钻现象。     

建立在钻柱受力变形分析基础之上的钻柱摩阻分析

在定向井和水平井中,钻柱的摩阻负荷分析是一个不容忽视的问题。本文把钻柱整体看成是一弹性梁,按钻柱与井壁的接触情况计算摩阻负荷,而没有采用以前的"软模型"。它能够考虑钻柱刚度、钻柱与井壁的间隙、下部钻具组合扶正器的安置等因素,从模型上进一步接近了钻柱的实际工作状况,提高了摩阻分析的准确性。并对一口水平井增斜段的钻柱上提和下放时的摩阻负荷进行了分析计算,能看出钻柱在上提和下放时的受力及变形状况,为钻柱的摩阻负荷分析提供了一种新的计算方法。     

深井钻具纵向振动规律分析研究

以深井中的整体钻柱为研究对象 ,建立了深井钻柱一维纵向振动分析模型 ,采用动力有限元理论建立了描述钻柱振动的动力学方程 ,并且编制了一套钻柱纵向振动分析软件 ,最后使用该软件对深井实用的钻具组合针对不同的工况进行了分析计算。通过对现场的统计分析发现 ,该分析计算结果具有很高的实用价值 ,对今后深井钻进中提高钻井效率、减少钻具失效有一定的指导意义     

连续管可控偏心垫块BHA滑动钻进导向性能分析

针对小井眼连续管水平钻井过程中导向控制的要求,提出采用可控偏心垫块控制井眼轨迹的方法。在下部钻具组合(BHA)中按照一定的分布规律安装可独立控制的偏心垫块,通过控制偏心垫块的伸出与缩回,使BHA产生相对于井眼轴线的偏心位移,从而改变钻具组合的力学特性;对该钻具组合形式采用纵横弯曲连续梁法,建立了连续管可控偏心垫块BHA滑动钻进导向性能的力学模型与控制方程,并针对具体算例采用控制方程进行了求解。计算结果表明,在不同钻压条件下,钻头井斜力、钻头方位力、井斜平面内钻头转角和方位平面内钻头转角均随偏心稳定器在井斜平面与方位平面内的偏心位移呈线性变化;钻铤内径增大,钻头井斜力、方位力均表现为先缓慢减小后快速降低,钻头转角的变化很小。研究表明,控制钻具组合偏心垫块的伸出与缩回可以改变BHA的力学性能,使BHA产生相对于井眼轴线的偏心位移,达到控制井眼轨迹的目的。      

顺北油气田超深高温水平井井眼轨迹控制技术

顺北油气田储层埋藏深、井底温度和压力高,导致MWD仪器故障率高,超深高温水平井下部高温井段有时无MWD仪器可用,井眼轨迹控制难度较大。为了降低该油气田超深高温水平井轨迹控制难度并提高钻井效率,对水平井井眼轨道设计与井眼轨迹控制进行一体化规划,将顺北油气田超深高温水平井井眼轨道设计成造斜率“前高后低”的多圆弧轨道,优化钻具组合和钻进参数;对于下部无MWD仪器可用的高温井段,采用单弯单稳定器螺杆钻具组合进行复合钻进,以控制井眼轨迹。研究和应用结果表明,采用单弯单稳定器螺杆钻具组合进行复合钻进,根据复合钻进井斜角变化率预测结果优化钻具组合和钻进参数,可以解决顺北油气田超深高温水平井下部高温井段无法应用MWD控制井眼轨迹的问题,降低井眼轨迹控制难度,提高钻井效率。     

气体钻井钻具组合瞬态动力学特性初探

钻柱转动时切向摩擦力会引起钻柱侧向位移,但采用钻井液钻井时其摩擦系数较小,因此该位移常被忽略不记。但在气体钻井时,其摩擦系数增大,该部分位移则不得不考虑。以弹性力学、材料力学为基础,考虑切向摩擦力对钻柱变形的影响,建立了转动钻柱在斜直井中三维瞬态动力学模型及力学方程,并采用龙格-库塔法求解方程数值,分析了钻井参数、滚动摩擦系数、滑动摩擦系数及井眼结构参数等对下部钻具组合变形的影响。分析结果表明:钻压增大,钻柱的变形量加大,钻柱变形节距减小,钻柱振动加剧,但对下部钻具的摩擦扭矩影响不大;井斜角增大,钻柱与井壁的接触力及摩擦扭矩增大,钻柱的变形节距减小;环空间隙减小,钻柱变形角增大,钻柱变形节距减小;钻井流体的密度越大,下部钻柱变形角越小;井斜角增大,不仅影响下部钻柱变形的大小,而且影响着变形方向。     

底部钻具组合力学特性模拟试验研究

底部钻具组合(BHA)的力学特性直接影响井身质量、钻井安全与钻速,因此,需要从理论和试验2个方面去研究BHA的力学特性,然而目前试验方面的研究很少。根据相似理论,利用底部钻柱力学装置,模拟研究了钻压和转速对井斜力、方位力、钻头合侧向力及其方向角的影响规律。结果表明:合侧向力随钻压的增大而增大,转速对合侧向力的影响较小;随钻压增大,井斜力增大,转速越大,井斜力越大;方位力随钻压增大而增大,转速对方位力的影响较小;合侧向力方向角随钻压增大而减小,随转速增大而增大。研究结果可为井斜控制机理研究和防斜打快提供理论依据。      

A finite element model for analyzing horizontal well BHA behavior

Horizontal wells are proven to be better producers because they can be extended for a long distance in the pay zone. Engineers have the technical means to forecast the well productivity for a given horizontal length. However, experiences have shown that the actual production rate is often significantly less than that of forecasted. There are a number of reasons for the discrepancy of predicted to actual production rates in horizontal wells. However, it is a difficult task, if not impossible, to identify the real reason why a horizontal well is not producing what was forecasted. Often, the source of problem lies in the drilling of horizontal section such as permeability reduction in the pay zone due to mud invasion or snaky well patterns created during drilling. Although drillers aim to drill a constant inclination hole once in the pay zone, the more frequent outcome is a sinusoidal wellbore trajectory.Logging while drilling (LWD) and real time measurement of resistivity at bit help drill in the pay zone by constant monitoring of borehole trajectory and formation boundaries. Rotary steerable tools (RTS) allow spontaneous intervention to drilling direction and inclination if run with LWD tools. Nevertheless, there are still many cases where LWD cannot be deployed due to technical difficulties. One such case was noticed in the Middle East where LWD sensors were worn out completely during 1 h run time due to extreme formation abrasiveness. In the absence of LWD and RTS, it becomes a challenging task to drill a constant inclination borehole which will be addressed in this paper.The two factors, which play an important role in wellbore tortuosity, are the inclination and side force at bit. A constant inclination horizontal well can only be drilled if the bit face is maintained perpendicular to the longitudinal axis of bottom hole assembly (BHA) while keeping the side force nil at the bit. This approach assumes that there exists no formation force at bit. Hence, an appropriate BHA can be designed if bit side force and bit tilt are determined accurately.Finite element method (FEM) used in this study determines the bit side force and bit tilt simultaneously. The FEM is superior to existing analytical techniques because it can accommodate many more independent parameters which otherwise cannot be taken into account. As a matter of fact, it is believed that oversimplification of actual physical phenomena with unacceptable assumptions is the major source of error with existing BHA designs.This paper presents an FEM technique in assessing the bit tilt and side forces and compares the results with the existing techniques.     

分支水平井技术在半潜式平台的首次应用

文昌14-3油田井槽较少,为提高该油田最终采收率,达到高产的目的,同时减少投资,降低开发风险,经济有效地开发油藏,该油田设计了文昌14-3-A3水平分支井,并获得成功,得到预期效果,这是在南海西部的首次应用分支水平井技术.由于采用半潜式平台作业,受海况影响较大,平台始终存在升沉,钻井参数较难稳定,给悬空侧钻造台阶带来很多不便.通过优选钻头及钻具组合,利用近钻头井斜控制井眼轨迹,放慢钻井速度等措施,顺利钻完成了该井眼,为分支水平井技术在南海西部的推广提供了有益的参考.     

弱胶结地层水平井钻井技术探讨

水平井井眼轨迹控制的核心问题在于如何把握相对合理的全角变化率，而地层胶结状况（或地层物性）是影响全角变化率的关键因素之一。弱胶结地层水平井钻井主要存在全角变化率偏低、MWD信号传输不及时、底部钻具组合及钻进参数选择矛盾突出等技术难点。因此，应根据弱胶结地层的分布层位和厚度制定有针对性的技术方案和应急预案，宜使用大角度单弯动力钻具定向造斜钻进，而且钻具组合中要使用无磁承压钻杆和加重钻杆，尽量少用或不用钻铤，以保证井下清洁，提高井眼轨迹控制精度。以胜利油田埕52-平2井和草128-平4井为例，从钻井工程设计、钻井参数优选、底部钻具组合优化等方面对弱胶结地层水平井钻井技术进行了探讨。     

定向钻井中托压机理分析及对策探讨

为了解决定向钻井过程中的托压问题,通过分析下部钻具组合的受力,研究了托压产生的机理,并分析了影响托压的主要因素,给出了主要技术对策。分析研究表明,托压主要是由钻柱与井壁之间的摩擦阻力造成的,其影响因素主要包括井眼轨迹、井眼清洁程度、钻具组合、钻井液的润滑性及地层类型等。控制托压的技术对策包括优化井眼轨道和钻具组合、提高井眼清洁程度和钻井液的润滑性及采用改善托压的井下工具等,并介绍了控制托压技术措施在D15-X14井和Y123-5HF井的应用情况。研究与应用表明,控制托压的技术对策具有较强的针对性,不但能有效降低托压的频率与程度,而且能有效提高机械钻速,能够为定向钻井提供指导和借鉴。      

巨厚砾石层气体钻井井筒不规则性对井斜的影响研究

直井易斜和下套管困难是巨厚砾石层气体钻井存在的2个亟需解决的问题.现场测试数据表明,即使使用普遍认为具有较好控斜效果的空气锤钻井技术,井斜控制依然困难,且井筒的规则性很差,这很难用现有的控斜理论解释.现有底部钻具组合(BHA)受力模型均未考虑井筒的不规则性,都假设井筒光滑规则.为此,基于现场实测数据,利用有限元方法建立...     

定向井钻压传导计算方法

在定向井、水平井钻井过程中,钻柱摩阻的存在直接影响了钻压传导,井底钻压往往低于预定施加钻压,严重影响了钻井效率.因此,科学地进行钻压传导分析,准确地计算井底实际钻压是保证定向井快速钻井的关键.考虑钻井液对钻柱轴向力的影响,并结合定向井钻柱结构特点,分别对上部钻柱和底部钻具组合进行受力分析,建立了上部钻柱和底部钻具组合轴...