常规钻具组合防斜打快钻压优选与应用

对于常规钻具组合防斜打快,目前国内主要采用轻压吊打和大钻压预弯曲被动防斜技术来实现复杂地层井斜的有效控制。然而较低的钻压导致机械钻速低,大钻压预弯曲技术使钻柱容易失稳而导致井下复杂,因此如何平衡防斜打直、机械钻速、钻柱失稳三者间的关系,合理选取钻压是常规钻具防斜打快的关键。为此,基于纵横弯曲梁及管柱弯曲理论,充分考虑地层造斜力对井斜的影响,以钻头综合作用力最小为准则,建立了常规钻具组合直井防斜打快钻压的优选模型,编制了计算机程序,并以伊拉克米桑油田BUCS-44H井为例,开展了现场试验。结果表明:不同倾斜程度的地层具有不同的钻压适用范围,在高陡构造中使用降斜特性较强的钻具,并在钻柱预弯曲的条件下,施加大钻压钻进可以平衡机械钻速与防斜打直间的矛盾;充分考虑地层造斜特性及钻具自身造斜特性选取的最优钻压,既能避免钻柱失稳,也能实现防斜打快,对现场井斜控制具有一定的指导意义。     

大钻压防斜技术在乌—夏断裂带新实践

大钻压动力防斜技术增加钻压引起钻柱屈曲,保特钻柱涡动,有井斜时使钻柱产生周期性变化的轴向附加力,无井斜时轴向附加力消失,克服了传统防斜技术中吊打的缺点,提高了钻井速度,达到了解放钻压的目的。大钻压动力防斜技术先后在新疆油田乌-夏断裂带乌-35、乌-36、乌-37井进行了实践取得了较好的降斜、防斜打直效果并对几口实验井进行了效果对比分析。     

气体钻井钟摆钻具组合的有限元分析法

在现行的钟摆钻具设计过程中,将第一个稳定器及其以下钻铤简化为简支梁进行计算。常规钻井液钻井时,钻压常远远大于稳定器以下钻铤浮重,忽略钻柱自身重力对轴向力的影响;而气体钻井时,钻压小,钻铤浮重大,此时钻铤自身重力的影响不得不考虑。以管单元模拟钻具的物理及几何特性,以间隙单元模拟钻具与井壁接触,采用有限元法,对气体钻井过程中下部钻具组合受力及变形进行了动态数值模拟,对单稳定器及双稳定器钟摆钻具组合进行了分析。该有限元模型不仅考虑了钻铤自身重力的影响,而且考虑了钻铤自转对其变形的影响,为钻柱力学分析提供了一种有效的手段,也为气体钻井防斜打直提供了理论依据。     

井底光钻铤钻具组合旋转及钻压波动规律模拟研究

利用根据相似理论设计出的底部钻柱动力学研究试验装置,进行了井底光钻铤钻具在不同钻压、转速条件下旋转及钻压波动规律的试验研究.试验结果表明:光钻铤钻具组合在井底的旋转大部分为正向涡动及谐波振动,要想使其产生反向涡动必须合理选择钻进参数;使用光钻铤钻具组合时井底钻压振动幅度较大;单从减轻钻柱振动危害方面讲,不建议采用光钻铤钻具组合,但从利用井下钻柱纵向振动能量提高深井机械钻速的角度看,该钻具值得推荐;光钻铤钻具组合的防斜机理有待于进一步研究.     

双扶正器钟摆钻具组合的优化设计

为了提高钟摆钻具的防斜侧向力,本文应用纵横弯曲连续梁理论,研究在井斜角很小的垂直井中,对双扶正器的钟摆钻具组合如何使用优化方法合理选择钻具参数。采用“对分法”和“伸缩保差法”作为搜索方法,得出防斜侧向力最大的并随着钻压增加而增大的“双扶正器柔性钻具组合”(即两扶正器之间为柔性钻杆)。又对“双扶正器刚性钻具组合”(即两扶正器之间用刚度较大的钻铤)进行优化设计,从而取得了对不同造斜地层打钻时进行参数优选的规律性。优化设计后具有双扶正器的柔性和刚性钟摆钻具可较光钻铤钻具的防斜侧向力有显著的提高(可提高40～60%)。     

带双心钻头底部钻具组合的分析

针对使用双心钻头钻进时扩孔尺寸不理想、钻具工作不稳定、井斜趋势引起钻头工况对钻压非常敏感等问题,对底部钻具组合的受力、变形和运动状态等方面进行了分析研究表明,由于双心钻头几何设计的独特性,工作时钻头上受有不平衡力,这使得钻头切削不稳定,且影响钻柱变形。钻柱变形后,钻头相对井底偏转,偏转的方向和角度影响钻头的有效切削面积;钻柱的运动方式,即自转和公转,也影响扩孔尺寸和钻头稳定性。通过简单试验,认为钻头的不平衡力使钻具倾向公转;另外井斜、井眼弯曲也对钻具运动状态有很大影响,表现为钻具稳定性对钻压的变化非常敏感。     

普光3井防斜打直技术

普光3井上部地层属于高陡构造,地层倾角大,极易发生井斜,地层可钻性差,憋跳钻严重,防斜打直是上部地层施工的难点。该井在施工过程中应用了钟摆钻具组合、大尺寸钻铤组成的塔式钻具组合和螺杆钻具组合。应用效果表明,钟摆钻具组合在表层钻进时,防斜打直要求钻压很小,因此制约了钻井速度;大尺寸钻铤塔式钻具组合防斜效果较好,匹配合适的钻井参数并优选钻头,则能有效提高钻井速度;螺杆扭方位钻具组合是一种较积极的防斜打直措施,有必要进一步探索。     

普光3井防斜打直技术

普光3井上部地层属于高陡构造,地层倾角大,极易发生井斜,地层可钻性差,蹩跳钻严重,上部地层防斜打直是施工的难点。该井在施工过程中应用了钟摆钻具组合、大直径钻铤组成的塔式钻具组合和螺杆钻具组合。应 用效果表明,钟摆钻具组合在表层钻进时,要防斜打直要求钻压很小,这样制约了钻井速度;大直径钻铤塔式钻具组合防斜效果较好,且匹配好合适的钻井参数并优选好钻头,能有效提高钻井速度;上螺杆扭方位钻具组合是一种较积极的防斜打直措施,有必要进一步探索。     

预弯曲动力学防斜快钻技术的试验研究

预弯曲动力学防斜打快钻井技术主要利用预弯曲动力学防斜打快钻具组合在井眼中的涡动特征，在钻头上形成一个远大于钟摆降斜力的防斜力，从而使井眼保持垂直。预弯曲动力学防斜打快钻具组合是一种带预弯曲结构的特种钻具组合，钻进时，其在井眼内形成特定的涡动轨迹，引起钻具组合以较大的不平衡几率向下井壁方向振动，从而实现向下井壁的冲击力。常规钟摆和满眼钻具组合的工作原理都是力求钻具组合发生尽可能小的变形，减小钻具组合因变形引起的增斜力。预弯曲动力学防斜打快钻具组合在胜利油田史138-6井进行的试验表明，这种方法具有很好的防斜打快效果。与邻井常规钟摆钻具组合相比，这种钻具组合的钻压提高50％以上，机械钻速则提高120％。文中给出了钻压和转速对预弯曲动力学防斜打快钻具组合防斜力的影响规律。     

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小眼井钻井、大斜度井和水平井钻井数量越来越多。在这类井中如何有效地向钻头施加钻压就成为人们普遍关注的问题。在转盘钻井和井下动力钻具钻井中一般都是靠钻柱重量向钻头施加钻压的。然而，在大斜度井和水平井钻井中，这种传统的加压方法存在一些缺陷：①由于钻柱重力在井眼方向的分量小或近似为零，很难满足预先设计的钻压；②由于钻柱自重对井壁的正压力大，因此增大管柱摩阻和转盘功率损失。摩阻问题又是制约大斜度井和水平井发展的重要因素之一。为此，研制了一种新型的利用钻井液压力为动力的加压装置———水力加压器。它可以平稳地对钻头施加钻压，可以减少钻头的振动传向水力加压器以上钻柱，减少钻铤和钻杆的疲劳破坏，可提高钻柱和钻头的使用寿命，降低钻井成本。现场试验表明其可靠性、安全性高，不仅能有效地解决大斜度井、水平井中钻压不易施加的问题，而且能较好地改变钻具受力。     

塔式钻具组合对气体钻井井斜影响研究

气体钻井技术由于其具有保护储层、防止井漏和大幅度提高钻井速度等优势而被广泛应用。但在实际钻井过程中暴露出一定程度的井斜不易控制问题制约着此技术的发展。为探讨塔式钻具组合对气体钻井井斜的影响,基于塔式钻具组合在钻井时的力学受力分析,建立了塔式钻具组合在气体钻井条件下的有限元静力学模型,并通过理论计算验证了其正确性。结合川西某气井实际钻井资料,进行了塔式钻具组合的防斜效果研究,探讨了井斜效果影响因素,表明其降斜能力随着井斜角和钻压的变化而变化,使用空气锤的塔式钻具组合比使用牙轮钻头的组合有更大的降斜防斜能力,为塔式钻具组合在气体钻井中的井斜控制研究和现场施工提供了理论指导。     

铅垂井段钻柱的动力分岔研究

基于弹性大变形理论,考虑到轴力沿钻柱轴线的变化及其对钻柱弯曲变形的影响等因素,将受自重作用的铅垂井段钻柱在波动钻压激励下的振动转化为一个参数激励系统,用Galerkin方法首次得到了描述此系统的Mathieu方程,并通过将方程的解展成富里叶级数的方法,得到了该振动系统的动力分岔值曲线及其所包围的动力不稳定区。当钻井作业参数落在动力不稳定区时,钻柱将发生破坏性振动。根据钻柱的物理与几何性质及钻柱的工作状态,首次推导出了参数激励系统分岔参数的计算公式,并据此开发了相应的程序模块。该模块可以根据钻井现场的实际情况,提供合理的转速和钻压等作业参数,以避开动力不稳定区,改善钻柱的工作状态,延长其工作寿命。     

不倒翁式偏心防斜钻具的设计

目前所使用的各种钻具主要是靠钻具本身的重力来产生降斜力,在井斜角很小时,降斜力一般很小,在某些区块钻井时不能满足防斜要求。据此,设计了一种不倒翁式偏心防斜钻具。该钻具有1段钻铤,钻铤的两端各有1个偏心稳定器,钻铤外表面有一半圆形的偏心块,在钻铤和偏心块之间有轴承结构。利用不倒翁原理,当井斜超过一定值时,偏心块会在重力作用下自动停留在井眼低边,这样就可以将此处的钻柱顶到井眼的高边上去,从而产生一个很大的降斜力,使井斜得以有效控制。     

扭矩和边界约束对水平井钻柱静力分岔的影响

分析了轴向力和扭矩对钻柱弯曲变形的影响,推导出在井孔约束下水平井段钻柱的非线性静力分岔微分方程。采用Galerkin方法对其简化形式的研究表明,在钻井工程中,水平井段钻柱的静力分岔主要取决于钻压和井孔尺寸,扭矩产生的影响可以忽略。在不计扭矩情况下,用解析法求得的两端铰支模型钻柱的临界钻压与用能量法得到的结果相同。对铰-固模型钻柱静力分岔的研究表明,当钻柱屈曲后形成的半波数达到4以上时,两种模型计算的临界钻压差别很小。因此,对水平井段较长的钻柱可用比较简单的两端铰支模型计算其临界钻压。     

三牙轮钻头钻进时钻柱轴向振动的特征

由于三牙轮钻头的特殊几何结构,钻进过程中在岩层顶部容易形成一个三脊状井底,正是这一三脊状井底,当钻头旋转一周时钻柱轴向三次凸凹变化,由此在轴向产生1倍、2倍和3倍及其更高次倍于转盘转速rpm的谐波振动.另外,三牙轮钻头与地层作用破岩时牙轮牙齿产生啮合振动,由于三脊状井底对啮合振动进行幅度调制形成调幅信号,根据调幅信号的频率特征,振动信号在频域表现为具有一定边带的一束谱线,它是钻头工作正常的“健康信号”.本文总结出了三牙轮钻头钻柱轴向振动的一般规律,并通过华北油田固108井实际测量数据分析,这一特征已经得到现场数据的验证.     

定向井钻柱强度分析

本文对不同工况下的定向井钻柱进行了力学分析,建立了钻柱内力及应力的计算方法。实例计算表明,采用转盘钻进时,钻柱受压段较短;采用井底动力钻具钻进时,井口处钻柱扭矩、轴向力和相当应力较小。     

自动防斜钻井钻具设计

目前所使用的各种钻具主要是靠钻具本身的重力来产生降斜力,在井斜角很小时,降斜力一般很小,在某些区块钻井时不能满足防斜要求。据此,设计了一种自动防斜钻井钻具,该工具包括钻铤体、偏心套筒、钢球、活塞及螺栓等。偏心套筒通过钢球挂在钻铤体外表面上,该偏心套筒一端部的内壁上有一环槽,并且该端部上位于薄边处还沿轴向延伸出一个凸台,该凸台内有一与有环槽贯通的两端封闭的弧形半环槽。在钻铤体上,与环槽对应处有与该钻铤体内腔贯通的通孔,与半环槽对应处有导流孔,该导流孔通过流道与钻铤体上的活塞腔相连通。在活塞腔内有一活塞。该钻具根据不倒翁原理和千斤顶原理,能够自动利用液压力量来产生降斜力,从而防止了井眼的偏斜。     

气体钻井钻柱抗疲劳短节设计与应用

气体钻井过程中由钻柱运动（包括公转和纵向共振） 引起的钻具疲劳断裂,造成了大量的井下钻具事故,成为推广应用气体钻井技术的障碍。为此,设计开发了气体钻井用抗疲劳短节：该短节组装采用花键联接;通过对轴向冲击力作用的下部钻具力学仿真分析,钻进中抗疲劳短节的花键芯轴与花键外筒产生相对位移,压缩筒内二甲基硅油吸收冲击力,从而使安装抗疲劳短节的钻铤应力水平降低30%。现场应用结果表明：安装应用抗疲劳短节的钻柱扭矩参数变化不大,钻进平稳且未发生跳钻现象,钻头受力均匀,钻时比较稳定;出井的短节经探伤检测合格级别为I级,进一步验证了抗疲劳短节可以有效预防钻柱在气体钻井中所产生的钻具疲劳断裂问题,有利于钻柱在气体钻井中长期安全工作。