钻柱系统粘滑振动稳定性分析及减振方法探讨

随着深井、超深井的发展,钻柱系统粘滑振动严重影响着钻井速度、钻井成本和钻井安全。钻头切削岩石的摩擦力是钻柱系统发生粘滑振动的主要因素。针对钻头切削岩石的实际工况,分析了钻头—岩石的切削模型,建立了其相互作用的摩擦模型,得出钻头处扭矩随转速的变化趋势。从能量守恒出发,分析了钻柱系统粘滑振动的稳定性,计算得出了钻柱系统粘滑振动稳定时的临界钻压。将临界钻压公式描绘成钻柱振动状态的钻压—转盘转速关系图,并在此基础上探讨了粘滑振动的减振方法,以期为钻井过程中减少钻柱的粘滑振动提供参考。     

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。     

斜井复合钻具卡点测算新方法

众所周知,要处理卡钻事故首先必须知道准确的卡点位置。而以前的卡点计算公式在推导时未考虑钻杆接头及加厚部分对计算结果的影响,1000m卡深相对新公式计算结果误差约35m;斜井中仍使用直井卡点计算公式,误差还会更大。本文考虑钻杆接头及加厚部分的影响后,给出其影响系数计算方法,算出常用API对焊钻杆接头及加厚部分对卡点计算的影响系数。斜井情况下,通过对钻柱受力分析,发现应用胡克定律及两次拉伸法测算卡点时,两次拉伸时井壁对钻柱的摩擦力不相等,其差值与井斜变化率有关。笔者采用微积分求出摩擦力引起的钻柱伸长,进而根据线性叠加原理导出斜井中复合钻柱卡点计算公式,并给出相应测算步骤。该公式可以在任意段复合钻具使用,计算实例表明,新公式计算结果与现场实际相符。作为特例,直井及单一钻柱的卡点计算也很准确,测算方法简便可行。     

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。     

探井水平井整体钻柱摩阻力分析的间隙元法

建立了用于计算水平井整体钻柱摩阻的三维力学模型,提出用间隙元理论对钻柱摩阻力进行力学分析的方法.考虑到钻柱的抗弯刚度对钻柱受力变形和摩阻力的影响,给出了三维空间中的整体钻柱与井壁的接触力、摩擦力(包括摩阻力矩)及其沿钻柱轴线分布规律的计算方法,编制了相应的计算机软件.现场实验表明,实际应用效果良好,理论预测摩阻和现场实测结果的平均误差在5.5%以下.该力学模型和理论方法为水平井摩阻分析预测提供了理论依据,并具有较高的计算精度.     

基于Walker模型的空气钻井钻柱疲劳寿命算法

空气钻井工况中的钻柱受力非常复杂,钻柱在井下既自转又反转,且在空气锤的作用下不断地上下纵向振动,该振动对钻柱的破坏最严重,在复合载荷作用下常造成钻柱疲劳损伤。修正了钻柱轴向应力和疲劳裂纹计算公式,并运用第四强度理论计算出裂纹处的平均应力;提出新的基于Walker模型的钻柱疲劳寿命算法,并结合Walker模型的计算结果,解释了塔里木油田空气钻井钻具大量刺穿失效的原因。     

固液耦合工况下钻柱的扭振频率分析

采用ANSYS有限元分析软件对钻柱在固液耦合工况下的扭振频率进行分析,得到了钻柱的前5阶扭转振动固有振型,并对钻井液、钻铤长度、钻柱长度等因素对钻柱各阶扭振频率的影响进行研究.结果表明:钻铤长度、钻柱长度均对钻柱的扭振频率有较大的影响,可以忽略井筒中钻井液、轴向载荷等因素对钻柱扭转振动的影响.     

钻柱涡动特性分析

钻柱绕自身轴线旋转时,绕井眼轴线的转动叫涡动。介绍了钻柱涡动的概念、成因及状态描述,然后通过计算钻柱在不同涡动角速度时摩擦力所消耗的能量,分析了形成不同涡动形式的可能性和主要影响因素。认为钻柱在形成涡动过程中要消耗较多能量,涡动形成后就变成相对稳定的运动状态。认为,减小环隙不会引起钻柱内应力循环频率无限增大。根据钻柱涡动解释了钻铤偏磨和井底多凸图案的成因,并分析了涡动对并斜的影响。     

基于加速度传感器的钻柱振动测量方法研究

为了预防钻柱振动失效,采用加速度传感器测量钻柱的纵振、横振、扭振及耦合振动。给出了加速度传感器在钻柱上的安装位置和数量,建立了加速度传感器测试信号值与钻柱振动值的关系式。采用ANSYS数值仿真软件模拟了钻柱的4种振动工况,数值仿真得到的钻柱振动加速度值与理论计算结果误差<5%。为钻柱振动测量工具的设计提供了理论依据。     

直井钻井时基于截面法的中性点计算新方法

建立直井钻井时复合钻柱局部理论模型,根据截面法推导出复合钻柱任意截面的有效轴向力计算方法。建立直井钻井复合钻柱整体模型,结合局部理论模型结论推导出实际钻井工况下复合钻柱有效轴向力计算公式和考虑液体摩阻力下及射流冲击力下钻压增量计算公式,给出了新的中性点计算方法。经实例比较分析,推导出的中性点计算公式的精度高,但计算复杂,建议在深井和超深井的钻井设计中选用。     

长宁超长水平井钻井摩阻数值模拟分析

CN-H21-5井是四川长宁页岩气区块一口超长水平段水平井,存在高摩阻、高扭矩和钻柱屈曲变形等一系列页岩气水平井典型技术难题急需解决。为了控制钻柱屈曲变形和接触摩阻扭矩,基于Hamilton原理建立全井钻柱动力学模型并采用 ＨＨＴ-α法对模型求解,分析了造斜段造斜率和水平段钻具组合对摩阻扭矩的影响规律。通过数值模拟表明：增加造斜段的造斜率能够降低造斜段的接触摩阻总值,同时也能降低全井段的接触摩阻;小尺寸钻杆传递较大轴向力时会发生严重屈曲变形,导致接触摩阻不降反增;在水平段采用“大 ＋小”的钻具组合,既能减小钻柱发生严重屈曲变形的概率,也能降低水平段接触摩阻。结论认为,减少造斜段长度并提高水平段前半段钻柱尺寸能够有效降低全井的接触摩阻,该结论能为长宁页岩气超长水平井的降摩减阻提供理论支撑。     

ˮƽ��������Ʒ���

根据水平井造斜段长、造斜率大、并底有一段较长的水平并段等特点，文章论述了水平并钻柱应具有的特点以及设计水平井钻柱的原则和方法。指出在设计水平并钻柱时，应把钻铤安装在垂直井段或井斜角不大的井段，而在大斜度井段和水平井段使用加重钻杆或普通钻杆。钻柱设计的顺序为：首先根据井眼轨迹及钻压等工作要求，以不失德为条件设计钻柱，最后对设计出的钻柱进行强度校核。     

侧钻水平井钻柱摩阻力分析

建立了考虑井壁弹性及钻柱接头影响的侧钻水平井钻柱摩阻力模型,给出了受弹性井壁约束钻柱的三弯矩方程及其数值解法;数值计算表明钻压、井身曲率、地基弹性、钻柱刚度、长度、钻柱与井壁间摩擦系数等因素都影响摩阻力的大小及分布,对于侧钻水平井而言,井身曲率的影响更为显著;该方法可适用中短半径水平井的摩阻力分析,供实际钻井作业参考。     

水平钻柱的稳定性分析

在目前的水平钻柱稳定性研究中，都没有考虑构成水平钻柱的单根钻杆长度对钻柱稳定性的影响。普遍认为这一因素对水平钻柱的稳定性没有影响，但现场钻井资料表明构成水平钻柱的单根钻杆长度对水平钻柱的承压能力影响很大。在考虑这一因素的情况下对水平井眼中钻柱所能承受的临界载荷进行了分析计算，提出了水平钻柱临界压力的一种新的计算方法。研究表明水平钻柱所能承受的临界载荷和所使用的单根钻杆长度有密切的关系，单根钻杆的长度越短，其临界压力越大。     

大庆油田致密油平台三维水平井钻柱摩阻分析

平台水平井是大庆油田致密油开发的主要形式,平台布井的方式导致部分水平井轨道出现三维井段。钻井施工中三维水平井较二维水平井钻柱摩阻更大,限制着水平井的延伸极限。在软杆理论模型的基础上,通过分析三维井段钻柱与井壁的接触形式,给出钻柱挫动的计算模型,采用Landmark软件模拟与实际施工情况相结合的方法进行了验证。模拟结果表明,三维井段钻柱与井壁的接触面积大于二维井段,扭方位时的井斜角大小与钻柱摩阻正相关,三维水平井整体摩阻系数达到0.4以上。钻井设计和施工过程中应根据三维井段钻柱摩阻规律,优化设计水平井轨道和井身结构、合理分配钻具组合中加重钻杆位置、提高钻井液润滑性、采用降摩减阻工具等方式降低钻柱摩阻,提高平台水平井的延伸长度,以保证致密油平台的高效开发。     

定向井全井段钻柱下放过程应力及接触力分析

钻柱在下放过程中,由于井眼轨迹的影响和井壁的约束,钻柱会产生弯曲应力、接触压力和摩擦力等初始应力。忽略钻柱轴线与井眼轴线重合这一前提假设,模拟了整个钻柱的下放全过程,得到了真实的钻柱初始状态,对钻柱下放过程中的应力及接触力进行了分析。在有限元处理中把整体模型假设为细长梁在管内沿管轴线的下放过程,将井壁考虑为刚体。模拟结果表明,从全井段应力变化来看,直径段由于重力作用呈线性减小趋势,而进入造斜段时则迅速增加,在接触处和截面突变处变化剧烈,进入稳斜段后,在靠近钻头附近趋于平稳,维持在较低水平。     

铝合金钻杆在长水平井段延伸钻进的可行性

目前国内页岩气钻井的重点研究攻关目标是垂深4 000 m以深的长水平段水平井,长水平段钻柱需要钻杆传递更大的轴向力来抵抗沿程的摩擦阻力,采用轻质铝合金钻杆是一种具有较大实施可行性的延伸钻进变革性新技术,而对于其摩阻扭矩特性、钻压传递规律、屈曲特性以及安全可靠性等问题则尚未开展系统研究。为此,基于Hamilton原理建立多尺寸铝合金钻柱动力学模型,通过HHT-α法对模型进行求解,进而对比了水平井段铝合金钻具和钢钻具的接触摩阻、钻压传递规律及其影响因素。研究结果表明:①铝合金钻杆在水平段的压力损耗明显小于钢制钻杆;②因其材质较软,小尺寸的铝合金钻杆在钻井过程中极易发生屈曲,导致钻压传递效率下降,甚至发生"钻杆自锁"现象;③较大尺寸的铝合金钻杆屈曲变形较小,其减摩减阻效果优于小尺寸铝合金钻杆,外径147 mm的铝合金钻杆的摩擦阻力仅为外径129 mm铝合金钻杆的71.9%。结论认为,小尺寸铝合金钻杆的刚度无法满足苛刻的长水平段页岩气钻井条件,而大尺寸铝合金钻杆则是解决其延伸钻进难题的重要前提条件之一。     

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。     

水平井眼中受压钻柱的临界载荷计算

对水平井眼中钻柱所能承受的临界载荷进行了分析计算，推导出了水平井眼中钻柱临界压力的计算公式。研究表明，水平井眼中钻柱所能承受的临界载荷和所使用钻杆的单根长度有密切关系。钻杆的单根长度越长，钻柱所能承受的临界载荷越小。