不同类型扶正器对水平井下套管摩阻的影响研究

摩擦系数是应用水平井下套管摩阻计算模型计算水平井下套管大钩载荷和摩阻的基础,关系着大钩载荷和摩阻计算的准确与否。加入不同扶正器的套管在水平井中下入的摩阻系数不同,分析了影响水平井下套管摩阻系数的因素,研制了水平井下套管摩阻系数实验装置,通过实验装置测定水平井在各种井眼条件下加载不同扶正器的摩阻系数,分析了不同扶正器类型对摩阻系数的影响,可以看出,加入扶正器会使套管的摩阻增加,但是 刚性扶正器的摩阻明显小于弹性扶正器的摩阻;随着沉砂厚度的增加,不同扶正器的摩阻系数都在增大,加有弹性扶正器的摩阻系数在沉砂中增加最大,刚性扶正器次之。并结合软件对NB31-1-3H井加载不同扶正器进行下套管摩阻分析,为现场选择合适的扶正器,减小下套管摩阻有很好的指导意义。     

复杂井眼条件下扶正器对套管下入摩阻的影响研究

在水平井、大位移井等复杂井的固井过程中,套管下入摩阻的大小关系着固井作业的成败,安装了扶正器的套管下入摩阻和不安装扶正器的套管下入摩阻之间的大小关系在固井工程界一直存在争议。为此,对井眼 内安装扶正器和不安装扶正器的套管柱进行了受力变形分析,根据套管在井内的实际情况对各自的摩阻系数进行研究,并通过计算机编程对两者建立的模型进行计算比较。以德阳新沙某井为实例进行计算,并与实测值对比得出两者之间的关系,为固井下套管摩阻的预测提供了参考依据。     

液压扶正器在胜利油田非常规油井固井中的应用

为提高胜利油田非常规油气区块水平井水平段的固井质量和压裂效果,针对该类水平井水平段应用常规刚性扶正器时套管下入困难、居中差等问题,研制开发了内置滑套式、易下入、能撑开防止退、扶正力强且满足非常规油气区块高压压裂的φ139.7 mm液压扶正器。采用双级球座+液压扶正器套管组合、投球胀封的方式,同时对液压扶正器管串的下入摩阻、固井质量进行了分析。该液压扶正器在胜利油田非常规油气区块进行了现场应用,结果表明,带液压扶正器完井管串的下入摩阻小于带刚性扶正器完井管串的下入摩阻,提高了水平段的固井质量,可为非常规油气井固井提供技术支持。      

大位移井套管轴向力对套管挠度的影响

大位移井套管在重力效应作用下使套管偏心并产生挠曲变形,大幅降低水泥浆的顶替效率,影响固井质量,现场一般采用安装扶正器的方法改善套管的偏心;而两扶正器间的套管在井斜的影响下,套管自重会在轴向上产生一定的分力,井斜角越大其分力越大,对套管的挠度产生的影响也越大。采用纵横弯曲梁理论建立了套管挠度计算模型,并定义了挠度影响因子的概念,在此基础上研究了挠度影响因子随轴向力的变化规律及轴向力对套管挠度的影响。研究结果表明:在轴向力对套管挠度的影响方面存在1个临界力,小于临界力时轴向力对套管挠度的影响可以忽略,大于临界力时轴向力对套管挠度的影响显著;临界力的大小与扶正器间距、套管的弹性模量以及套管截面的轴惯性矩的相关性可以忽略。研究结果间接证明:大位移井中下套管作业时,现场利用套管的自重使套管下入预定深度的正确性,可以有效地减小两扶正器间套管的挠曲变形,并对大位移井扶正器的优化设计具有一定的指导意义。     

垦东405-平1大位移井摩阻扭矩预测及分析研究

为了分析垦东405-平1大位移井钻井施工的可行性，预测起下钻、下套管和钻进时的摩阻、扭矩，分析了各种摩阻扭矩计算模型的优缺点，选择了计算方法可靠、适合于现场应用的软模型，但考虑到大刚度管柱在高曲率井眼中的摩阻扭矩计算误差较大，引入了附加刚性力的概念对其进行了修正，通过管柱力学平衡方程建立了摩阻扭矩计算的修正硬模型。根据该井二开和三开下套管过程中大钧载荷与套管下深关系的预测结果和实测结果的对比情况，所建模型可以满足现场工程要求，且预测结果可指导大位移水平井的施工。     

大位移井减阻工具合理安放位置研究

大位移井技术因其具有巨大经济效益并能够满足特殊作业的目的而得以迅速推广应用，但水平井段摩阻扭矩又成为了制约大位移井推广应用的关键因素。为了减少大位移井摩阻扭矩的目的，首先根据用测斜数据，应用3次样条函数拟合井眼轨迹。将多维井段装有减阻工具套管柱作为类连续梁，并考虑弯曲载荷的影响，综合考虑了井斜角、方位角以及套管柱自身几何参数等多因素对套管柱挠曲变形综合影响，以此建立大位移井不同井段套管柱力学模型，完善了部分国外学者计算套管柱挠度“软模型”的不足；进而给出了优化大位移井减阻工具合理安放位置理论计算方法。     

吉木萨尔页岩油水平井JHW00421井钻完井关键技术

JHW00421井是吉木萨尔油田第1口超长水平段页岩油水平井,设计水平段长度3 027 m,面临钻进摩阻及扭矩大、井壁易失稳、井眼轨迹控制难度大、井眼清洁难度大、油层套管下入困难等诸多钻井难题。为攻克以上技术难题,开展了以下技术研究和现场实践:优化井身结构并将?244.5 mm技术套管下至A靶点以实现水平段专打;采用旋转导向工具对水平段轨迹进行精准控制并减小井眼曲折度;采用油水比85∶15的油基钻井液,降低长水平段井壁失稳风险、钻井管柱与井壁摩阻系数;基于水平井井筒清洁“传输带”理论,制定详细的井筒清洁技术方案以确保井筒“干净”;优选套管柱摩阻计算模型并合理选取摩阻系数,准确预测套管柱下入能力并优选下套管方案;采用多扶正器通井钻具组合、优化套管扶正器类型及安放位置以降低下套管阻力;采用油基冲洗型隔离液并优选注水泥参数来提高水平段固井质量。该井完钻井深5 830 m,实际完成水平段长度达3 100 m,水平段固井质量测井解释为优质,对今后同类超长水平段水平井设计和施工有借鉴和指导作用。     

BPX3X1大位移井下套管摩阻预测

受多因素的影响,大位移井摩阻因数较难确定,应用现场通井上提、下放载荷数据,利用软件反算摩阻因数,并指导现场下套管作业.通过实测下套管载荷与设计对比分析,充分说明采用通井数据反算的摩阻因数可以指导现场施工.另外,下套管作业配套应用了滚轮扶正器、循环解卡装置、漂浮接箍等工具也保证了套管的顺利下入,为同类井的摩阻确定提供了理论方法.     

摩擦系数与摩阻系数及其控制方法探讨

大位移井井下管柱的摩阻和扭矩一直是限制大位移井延伸的主要因素。"摩擦系数"和"摩阻系数"是两个不同的概念,这两个概念对大位移井钻进和下套管时的摩阻计算至关重要。摩擦系数,在大位移井中,是指管柱下入过程中与井下已有套管的内壁或者与裸眼地层之间接触,钻井液作为界面产生的一个系数,分为动摩擦系数和静摩擦系数两种;摩阻系数则是一个综合性系数,它包含摩擦系数以及所有如"键槽"、"缩径"等附加阻力引起的等效摩擦系数。在计算摩阻时应该采用摩阻系数而非摩擦系数,而摩阻系数受井眼状况等因素的影响在管柱不同位置都不同,难以准确确定。阐述了目前大位移井摩阻系数的确定方法,以及钻进和下套管过程中常用的降摩手段。文章的探讨结果对大位移井的设计和施工有一定的指导意义。     

水平井内套管柱下入过程的数值模拟

利用有限元软件建立了水平井中弯曲井眼段套管柱下入的力学模型,动态模拟了水平井眼造斜段内套管柱的下入过程,并对套管柱在下入过程中的受力情况进行了分析。结果表明,套管柱进入弯曲段后,最大等效应力首先发生在套管柱的底部,随着套管柱下入深度的增加,套管上的等效应力值不断变化,同时套管柱在下入过程中会发生塑性变形。下入过程中,由于套管的弯曲和阻力作用会促使套管与井壁呈交错接触状态。大曲率井眼中管柱下井所需的下入力比小曲率井中所需的下入力要大,这与实际的管柱下入过程相吻合。井眼的摩阻条件对套管的安全下入有较大影响,光滑的井眼条件产生的摩阻力更小,更加有利于套管柱的下入。     

套管扶正器的正确安放间距研究

在不同形状的井眼中,套管柱的受力变形计算模式是不一样的。如在变方位的弯曲井眼中,两扶正器间的套管段由于所受重力和轴向载荷不再位于一个平面内,因此将发生非平面弯曲挠曲变形,同时套管扶正器所承受的侧向压缩力也将发生相应变化。此外,扶正器的正确安放间距应当由控制套管弯曲变形和扶正器压缩变形所引起的套管总偏心距不超过某一规定值来确定,而不能仅按这两种变形中的某一种变形来确定。本文较全面地考虑了上述问题,采用瑞利—里兹能量法计算套管的弯曲变形,按扶正器承受的实际侧向力计算其压缩变形,在变方位的弯曲井眼中采用两平面弯曲变形方法研究实际发生的空间非平面弯曲变形,最后以位移的几何迭加原理求出套管在各种井眼中将发生的最大偏心距表达式,控制最大偏心距不超过许可偏心距(文中取等于许可偏心距[c]),建立了斜直、等方位弯曲和变方位弯曲井眼中的一整套套管扶正器安放间距计算公式。通过计算并绘出斜直井眼和变方位变井斜弯曲井眼的两组套管扶正器间距曲线。     

高温高压超深气井油管柱屈曲行为研究

对于超深、高温、高压以及高产等复杂工况的气井,前人推导的管柱屈曲行为经典理论公式无法完整或准确地描述油管柱底部非均匀或非完整的正弦屈曲或螺旋屈曲形态。为此,采用ANSYS软件,建立了超深井全井筒油管柱屈曲行为分析的有限元力学模型,并以塔里木油田某超深井为例,针对管柱屈曲行为开展了油管柱屈曲形态与其横向位移、油管—套管接触压力分析。结果表明:(1)所建立的高温高压深井超深井油管柱屈曲分析有限元模型可以对油管柱屈曲形态进行全井段分析,复杂力学工况下的油管柱中和点到封隔器处的油管柱处于非均匀或非完整的正弦屈曲或螺旋屈曲;(2)油管柱底部轴向压力为205 k N时,油管柱接触段的顶部和底部分别发生正弦屈曲、螺旋屈曲自锁现象,该自锁现象可能导致油管柱处于永久性的屈曲状态。结论认为,所建立的模型可用于分析油管—套管屈曲过程中的屈曲形态、接触压力及其摩擦力,为油管柱屈曲形态、摩擦损伤失效分析及预防措施制定等提供了方法和依据。还提出了延长管柱使用寿命的措施建议:油管柱坐封前在井口施加适当的提拉力、增加底部油管柱结构尺寸、提高井口油压或适当降低产量等。     

古平1井设计井眼与实钻井眼井下钻具的摩阻力计算分析

在水平井钻井施工中,大斜度段(50°～80°)和水平段钻进时的机械钻速低及采用井下动力钻具进行调整工具面角困难的问题,至今没有得到充分解决.其中一个不可忽视的重要影响因素就是井下钻具与井壁之间的摩阻.文中采用国际通用的WellPlan软件对大庆油田的一口探井水平井-古平1井的设计井眼轨迹和实钻井眼轨迹参数,针对不同的井深,不同的钻具组合进行了相应的摩阻力计算,从而摸索出井下钻具组合的摩阻力变化规律,对古平1井及今后水平井施工有一定的指导作用.     

水平井完井管柱力学-数学模型建立

根据水平井井眼轨迹数据以及管柱上封隔器位置，建立了水平井完井管柱受力的力学模型，同时推导出了水平井完井管柱的有效轴向力的数学模型、管柱与井壁摩擦引起的附加力数学模型、流体摩阻引起的附加力的数学模型以及水平井造斜段曲率半径产生的轴向力的数学模型等。根据这些模型，文章开发了相应的水平井完井管柱强度设计的通用设计软件，建立了API油管和玻璃钢油管强度数据库。此力学-数学模型、油管强度数据库和所开发的软件在四川水平井气井中得到了应用，用开发的软件验证了4口井完井管柱强度设计。同时设计了两口水平井完井管柱的强度设计，证明了此力学-数学模型以及所开发的软件的实用性和可靠性。     

在水平井、大位移井中选用合适的套管扶正器

在水平井、大位移井中选用合适的套管扶正器不仅能使套管顺利下入,而且能确保套管在井眼中的居中度,提高固井质量。介绍了几种新型的套管扶正器,并介绍了国内外在水平井、大位移井固井中使用的套管扶正器的性能特点及应用情况,得出了常规的套管扶正器很难满足水平井、大位移井需要的结论。     

在水平井、大位移井中选用合适的套管扶正器

在水平井、大位移井中选用合适的套管扶正器不仅能使套管顺利下入,而且能确保套管在井眼中的居中度,提高固井质量。介绍了几种新型的套管扶正器,并介绍了国内外在水平井、大位移井固井中使用的套管扶正器的性能特点及应用情况,得出了常规的套管扶正器很难满足水平井、大位移井需要的结论。     

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在油气井测试过程中，为了保证测试安全，必须准确掌握油管的轴向力与变形情况。测试油管下部因受压会发生螺旋屈曲，并与套管接触产生摩擦力。屈曲后油管进一步变形时，油管轴向力与变形的关系非常复杂。常规计算方法没有考虑摩擦力对变形的影响，其结果不适用于高温高压井测试管柱安全分析。文章经过把塑性力学应力一应变关系与油管轴向力一变形关系进行对比，提出了用塑性力学增量理论的思想，来计算油管轴向力与变形的增量计算模型。通过现场应用，证明了这种计算方法的科学性和实用性。     

页岩气水平井卡钻主要原因及预防对策

四川盆地长宁—威远国家级页岩气示范区目前已经实现了埋深3 500 m以浅海相页岩气的规模化、效益化开发,但随着该区页岩气水平井段长度的延伸,管柱下入过程中摩擦阻力、扭矩增大,易造成频繁遇阻、卡钻等现象。为此,在分析卡钻原因的基础上,从预防钻井过程中井眼力学变形的角度出发,以提高页岩长水平井井段的钻井液封堵性能为重点,协同优化影响井眼轨迹和井眼环空岩屑浓度的钻具组合与钻井参数,通过优化井身结构、井眼轨迹、钻井液性能等技术措施,配套降摩减阻及提速配套工具,制订了页岩气水平井防卡钻技术措施,并进行了现场应用。研究及应用结果表明：①对于水基钻井液采用加入适量复合盐抑制剂的方式并配合固控设备的应用,可有效控制钻井液中的有害固相含量,而对于油基钻井液则采用提高油水比、增加乳化剂等方式以增强其稳定性;②井眼轨道设计优化为三维轨道二维化后,钻柱最大摩阻较之于优化前降低了20%;③高效随钻震击器的钻具组合,配合以合理的钻井参数控制机械钻速,可以达到满足井眼环空携岩要求的岩屑浓度,减少岩屑床的厚度;④现场12井次的应用效果表明,水平井段阻、卡等复杂事故时率由2.3%降低至0.92%。结论认为,该研究成果为解决页岩气长水平段卡钻难题提供了有效的技术途径。     

水平井固井液压扶正器的研究与应用

水平井固井时套管往往偏向下井壁,居中度差,固井后形成的水泥环薄厚不均,导致水平井固井质量差,严重制约了水平井优势的发挥。现场多使用扶正器来提高套管居中度,但是常规扶正器存在外径大、下入困难、破坏井壁的问题,为此专门研制开发了水平井固井液压扶正器。该工具原始外径小、下入安全,膨胀后外径大、扶正能力强,能够显著提高水平井套管的居中度,扶正器上的扶正片能够对固井水泥浆产生扰流作用,大大提高了水平井的固井质量。该类扶正器现场应用简便,不影响正常的施工程序,在胜利油田进行了多口井的现场应用,效果显著。