水平井钻柱摩阻力几何非线性分析研究

针对石油钻井技术的特点,探讨了编制钻柱力学有限元专用程序所遇到的问题;并在国家级重点攻关课题"水平钻井"中,首先提出引入非线性力学分析的论点。在接触非线性分析中,使用了"约束-放松法";在几何非线性分析中,首次考虑了四次非线性对钻具弯曲应力的影响;还建立了一个方便于钻柱分析的坐标转换系统;据此编制的计算机程序,为大港油田官H1水平井提供了较为准确的力学参数预测。     

水平井钻柱强度分析

水平井钻柱承受自重、钻压、钻头阻力、扭转矩、钻柱与井壁间的接触力等的共同作用。水平井钻柱受力属于拉压、扭转、弯曲,剪切等并存的组合变形,也属于接触问题。本文用接触有限元理论对复杂的水平井钻柱受力进行了分段分析,并以某油田水平井钻柱作为实例进行了钻柱各节点的强度计算。计算结果已被实践证明,文中方法是正确的。     

水平井段钻柱稳定性分析的有限元法

水平井钻井技术已成为钻井领域中一个十分重要的研究方向。水平钻井进入水平段后，其轨迹控制的好坏直接影响整个工程的质量。因此，水平井段钻柱力学特征的研究占有重要的地位，钻柱的稳定性分析则是研究的主要内容之一［１］．本文提出用有限单元法对水平井中水平段钻柱进行稳定性分析。     

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.     

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。     

深层页岩气水平井钻柱动态摩阻扭矩分析

为了研究钻柱接触和钻柱振动对动态摩阻扭矩的影响,建立了实钻井眼轨迹的三维全井钻柱系统动力学数值仿真模型,针对深层页岩气水平井摩阻扭矩大的问题,分析钻进过程钻柱系统摩阻扭矩、应力分布及振动情况。研究结果表明：钻柱所受平均摩阻扭矩在增斜段处激增达到极大值,而进入水平段后,摩阻扭矩急剧减小,最后趋于稳定;水平段的平均摩阻扭矩略大于调整段,且摩阻扭矩的数值分布趋势与接触力、钻柱所受应力的分布趋势相同;钻柱所受的摩阻扭矩除了增斜段是连续分布的以外,水平段和调整段都是间歇性分布,但水平段比调整段分布更密集,同时钻柱接触力在水平段和增斜段都为低边接触;每当钻柱因井斜角、方位角变化而弯曲时,其所受应力、接触力和摩阻扭矩都会明显增加,且增加快慢与钻柱的弯曲程度呈正相关。所得结论可为深层页岩气水平井钻井参数优选及提速方案制定提供理论依据。     

定向井钻柱摩阻预测与应用

以弯曲圆管的钻柱摩阻力学模型为基础,对定向井的摩擦阻力问题进行了分析研究。通过实例分析和计算,给出了摩阻分布曲线和地面大钩载荷,并在江苏墩塘油田定向井D2- 20井进行了应用,预测结果与实测结果吻合度较好。该结论可用于指导钻柱设计和地面设备选择等。     

水平井钻柱摩擦力的计算

本文介绍了不同工况下水平井钻柱摩擦力的计算方法。计算结果表明,起钻和井底动力钻具钻进两种工况,钻柱与井壁间有较大的摩擦力。并指出降低摩擦力的有效措施是将造斜率较大的井段放在井眼下部,采用油基钻井液及轻质材料钻杆。     

水平井中测井管柱的力分析机理

水平井测井管柱细、重量轻,能否靠管柱自重把测井仪器下放到井底是一个十分重要的技术问题。为此,本文以水平井测井管柱为研究对象,考虑管柱与井壁的初始间隙和随机接触摩擦阻力,建立了测井管柱力分析模型,采用“多向接触摩擦间隙元”理论对该模型进行了接触非线性力学分析。经大庆油田MP1井测井管柱五种工况下的力分析表明,测井管柱井口最小悬重值为15.83kN,仍处于拉伸状态,测井仪器不需注入器,靠管柱自重完全可以下放到井底。这一结论已被工程应用和验证。由此,该研究为分析水平井测井管柱的受力机理提供了一种新的理论依据,为工程中预测测井仪器是否靠管柱自重或注入器下放到井底提供了一种技术手段。     

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。     

水平井管柱屈曲研究中的争议

在水平井管柱屈曲临界力和屈曲后管柱与井壁的接触力这两方面研究中存在着不同的结论。本文对理论和试验的不同结论进行了分析，指出产生这种不同结论的原因，一是推导方法不同，二是试验条件不规范。认为有关这方面的研究有必要在理论、试验和现场三者结合下，建立科学计算方法，以便得到更正确的结论。     

水平井压裂管柱受力变形分析的间隙元法

考虑压裂管柱的接触摩擦和弯曲效应,用多向接触间隙元(简称间隙元)和空间梁单元对压裂管柱的接触非线性问题进行了求解。该间隙元能正确方便地描述出压裂管柱与井壁(套管内壁)的接触状态、接触反力及相应的摩擦阻力,使压裂管柱计算力学模型简化少、受力变形分析值更准确。算例表明:用于压裂管柱井口负荷计算的结果与实验测试值符合很好,误差均小于10%;为水平井压裂管柱的受力变形分析提供了一种实用方法。     

辽河稠油水平井井身结构设计方法

辽河油田稠油水平井井身结构设计原则与方法研究,经过几年工作,已基本掌握了稠油水平井结构设计的基本思想、影响井身结构设计的主要因素和设计稠油水平井井身结构的方法。通过辽河油田几口稠油水平井的钻井实践,表明该课题所论及的内容有较强的科学性及现实性,完全满足稠油热采水平井的需要,而达到国内较高水平。     

大港油田水平井完井方法的研究

大港油田女MH-1长半径水平井为尾管射孔完成,官H1中半径水平井为套管射孔完成,官H2短半径水平井为割缝与不割缝筛管加管外封隔器完成。通过实践,总结分析了水平井完井方法的特点,并对今后水平井完井方法选择进行了探讨。     

非线性有限元在水平井中的应用

在钻探水平井尤其是大位移水平井中,事先较准确地预测出钻柱的钻进扭矩及钻头前进的方向,是取得水平井成功的关键条件之一.文中探讨了非线性有限元在预测水平井钻井中的钻柱扭矩及钻头前进方向方面的应用.利用有限元理论,着重分析了水平井实际钻进中的钻柱大变形非线性及钻柱与井壁的接触非线性问题,导出了一套非线性有限元钻柱力学模式,在此基础上编制了一套非线性力学计算程序软件,并在海洋石油南海西部石油公司一个钻井平台水平井钻井进行了5口井的实际验证,获得了一些带启迪性的结论.     

气藏水平井长度优化设计方法

首先推导了气藏水平井产能公式,在推导过程中考虑了天然气的非达西流动和气层各向异性等因素对水平井产能的影响。其次是建立了气藏内流动模型、水平井井筒内流模型、水平段最优长度数学模型,在建立模型过程中考虑了水平段内摩阻损失和流动状态对水平井产能的影响。所得到的方法对计算气藏水平井产能和设计水平段长度具有指导意义。