浅层水平井管柱摩阻与力学分析

针对浅层水平井的"浅"、直井段短、水平段长的特点和直井段的钻具重量不足以推动钻具前进与井眼延伸,管柱的受力及安全问题突出的难点,通过软件对楼平2井的管柱摩阻与力学进行分析,成功克服浅层水平井钻柱在造斜率高达(58°～65°)/100m中的大摩阻,合理优化井口大尺寸钻具倒装加压技术,保证了浅层水平井最大限度地实现地质设计目标,降低了井下管柱的复杂情况发生,使楼平2井的实钻位垂比达到2.51,对其它类似水平井的施工有着重要的指导意义。     

川渝地区三维水平井钻柱力学模型研究

近年来川渝地区的水平井多设计为三维水平井,特别是页岩气井多设计为丛式三维水平井井组。三
维水平井大幅度扭方位后均不同程度的出现摩阻、扭矩增大、钻具偏磨、定向托压等严重现象,严重影响了钻井安
全和钻井速度。为此,在调研分析国外钻柱力学试验数据的基础上,研究三维水平井整体钻柱三维力学模型,结合
有限元理论对钻柱受力力学分析方法,考虑井眼几何形状、钻柱屈曲、钻柱刚性对钻柱力学的影响,提出了三维空
间中的整体钻柱与井壁接触力、摩擦力分布的计算方法,采用微软ｎｅｔ平台ｃ^＃语言编制了相应的计算机软件,使现
场施工人员能够根据钻柱力学仿真数据及时了解井下钻柱形态与受力状态,及时调整施工参数,避免井下复杂情
况的产生。     

水平井管柱力学研究现状分析和发展趋势

水平井管柱力学是水平井技术应用的理论基础和施工依据。通过深入分析水平井管柱在井下的受力与变形情况,能够准确判断管柱的强度、刚度和稳定性,合理的设计管柱组合及完井方案。本文通过对大量国内外现有文献的分析讨论,总结了目前国内外关于水平井管柱力学方面的研究成果,归纳了研究水平井管柱力学的几种常用方法,以及影响水平井管柱屈曲的几个主要影响因素,并对水平井管柱力学研究的未来发展趋势进行了探讨。     

径向水平井转向器内柔性管力学模型研究

准确预测柔性管在转向器内的受力状况是实现超短半径顺利转向的重要保障,也是转向器轨道设计及施工工艺参数设计的重要依据。在刚杆模型的基础上,考虑了管内流体作用力及柔性管与转向器轨道粘卡力等因素,建立了转向器内柔性管的受力分析模型。同时也考虑了轨道偏差对摩阻系数的影响,对摩阻系数进行了修正。模型采用有限差分方法进行计算,并编制了计算程序。模型计算值与室内试验测量值有一定误差,但误差值仅为4.5%,计算精度在允许的范围之内。建立的模型可以用于预测转向器内柔性管的轴向力。     

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。     

连续管水平井钻磨作业力学分析

连续管在水平井钻磨作业时,易发生屈曲变形而使轴向力传递效率降低,严重时可能由于轴向力降为0而发生自锁。在充分考虑屈曲、摩擦、弯矩、内外液体阻力等因素的影响下,建立了连续管在水平井钻磨作业过程中的力学模型,并分别推导出直段和弯曲段有效轴向力、接触力和摩阻力的数学模型。由所得的理论模型计算可知,连续管失稳屈曲类型主要是螺旋屈曲;改变连续管初始端的注入力大小对最大注入深度和增加钻压几乎没有影响,而不同管柱尺寸对等效轴向力分布影响很大。研究结果对连续管现场作业有借鉴意义。     

水平井管柱摩阻扭矩的计算模型

根据水平井的轨道设计、管柱与井壁接触和受力特点,利用分段计算方法,建立水平井管柱摩阻扭矩计算模型。根据水平井的轨道,采用三维纵横弯曲梁模型,计算处于增斜段管柱的摩阻扭矩;采用修正软模型,求 解处于直井段、稳斜段、水平段管柱的摩阻扭矩;并考虑管柱屈曲的影响,建立适合水平井的摩阻扭矩三维分段计算模型。利用该模型,对现场实际问题进行计算,结果表明,该模型计算精度较高,可为现场实践应用提供技术参考。     

水平井双封隔器管柱力学分析

水力压缩式封隔器在坐封时会使管柱产生轴向应力,严重时会影响管柱的强度。以水平井双封隔器管柱为研究对象,考虑2个封隔器分别坐封时井口压力的大小,基于拉梅公式、广义胡克定律和杆件变形理论,推导了在井口压力的作用下管柱的轴向力、轴向应力及变形量计算公式。计算结果表明,当封隔器Ⅰ、Ⅱ先后以10 MPa和15 MPa井口压力坐封时,封隔器Ⅰ、Ⅱ之间的管柱轴向应力由49.94 MPa降低为15.08 MPa,而弯曲段到封隔器Ⅱ之间的管柱轴向应力由58.05 MPa 增加到107.96 MPa。由此可知,后坐封的封隔器会使其到弯曲段的管柱轴向应力增加,而使其到先坐封封隔器的管柱轴向应力降低,所以管柱的危险截面出现在后坐封的封隔器到弯曲段之间。     

水平井钻井摩阻影响因素分析及减摩技术

摩阻问题是制约水平井发展的瓶颈。根据现场资料统计,并结合有限元计算,分析了钻柱的屈曲行为、轨迹控制及钻井液密度对水平井钻井过程中摩阻的影响。分析结果对钻机的能力评价及长水平井轨迹的优化设计及有效控制提供了强有力的分析和评价手段。设计了一种减摩降阻工具,该工具不仅可减少摩阻-扭矩,还能减少套管与接头磨损,防止压差卡钻,可提高机械钻速,特殊设计的导流槽还能提高井眼净化效率,为提高长水平段钻具延伸能力和解决脱压问题提供了有力的技术支撑。     

长水平段水平井冲砂管柱摩阻分析及应用

针对水平井垂深浅、水平段长,因水垂比高带来作业管柱下入摩阻大,直井段油管重力不足导致冲砂作业管柱下入深度受限的问题,开展了冲砂作业管柱下入摩阻仿真模拟研究。基于水平井井眼轨迹、管柱组合结构和流体摩阻等影响因素,同时考虑冲砂作业管柱存在多变径部位的特点,结合变径部位的轴向力计算模型,建立了冲砂管柱下入摩阻的预测模型。对CP11水平井的冲砂管柱进行了下入摩阻分析。分析结果表明:采用73.0 mm+88.9 mm两种规格工具油管组合的作业管柱改变了直井段的油管重力,增大了管柱的有效推力,提高了冲砂作业管柱的下入能力。同时分析表明冲砂管柱下入速度不宜过大,管柱下入速度过大会增大管柱的流体摩阻,影响管柱下入能力。研究结果可为油田长水平段水平井作业管柱优选及现场安全施工作业提供理论指导。     

水平井套管柱可下入性摩阻计算三维力学模型

水平井井眼轨迹的复杂性导致套管柱在下井过程中的受力非常复杂。由于井斜以及水平段可能使下套管受阻,甚至导致套管柱卡在井眼的弯曲段无法下入,造成水平井完井作业失败。以水平井三维井眼轨迹描述为基础,建立了综合考虑套管柱重力、浮力、摩擦阻力、弯曲应力和接触应力等作用的套管柱下入摩阻计算三维力学模型。在此基础上开展了套管柱可下入性研究,对其下入过程进行分析判断,这对水平井套管柱结构设计以及套管的顺利下入具有重要意义。     

基于ANSYS软件的钻柱纵向振动分析

结合钻柱振动分析的常见力学模型和分析方法，给出了ANSYS对钻柱纵向振动分析的模型假设、分析步骤和分析结果。通过谐振分析，给出了减震器刚度和安装位置对钻柱振动和钻头动载的影响。考虑系统的阻尼和钻井液浮力使计算结果更加精确；利用ANSYS APDL的对话框语句实现了人机交互，简单方便，可以用于现场计算。     

水平井智能分段开采工艺管柱的研制与应用

目前的水平井多段找水、堵水作业须各下1次管柱,存在作业费用高、占产时间长、多次污染地层的问题。为此,研制了水平井智能分段开采工艺管柱。该管柱主要包括Y441堵水封隔器、K341堵水封隔器、智能开关和安全接头等。智能开关的工作采用"定时+休眠"模式,并在过夜通道处设计有球阀,保证正加压时压力上升可靠。K341封隔器具有逐级解封功能,解决了上提整体管柱载荷大的问题。现场应用结果表明,水平井智能分段开采工艺1趟管柱完成了水平井多段找水、堵水和生产过程,降低了管柱的作业风险,直井、斜井和水平井均可使用。     

大位移水平井完井管柱力学分析研究

采用管柱动力学的原理和方法建立了可用于大位移水平井生产、作业管柱的设计与校核方法;编制了井下管柱力学分析软件.在大港油田大位移水平井(张海502FH井)现场试验效果表明,该项技术能较为准确地预测管柱起下过程的井口的动态载荷和管柱受力剖面,确定不同的管柱组合在特定的井筒中的最大下入深度,可以用来设计、校核大位移水平井的生产与作业管柱.     

国外水平钻井应用及技术现状

水平井钻井一直是国外各大油气田促进油气勘探开发的主要手段之一,文中结合美国德克萨斯州Bryant-G-Devonian气田,阐述当今国际水平井技术的应用现状,详细分析水平井钻井过程的技术要点,并介绍经济有效的进行水平井钻井的成功经验。     

基于水平井的修井作业组合管柱载荷模型研究

针对水平井水平段长度不断增加的情况,为了提高修井作业管柱的下入能力,现场采用管柱组合两种线重油管的方式下入进行修井作业,而组合管柱的下入能力主要取决于摩阻和钩载。以组合管柱为分析对象,充分考虑井眼轨迹、环空流体摩阻力、流体粘滞力、管柱在各井段受力特点以及井眼尺寸等因素的影响,分析组合管柱与井筒内壁之间的摩阻和钩载与管柱下入能力之间的关系,将水平井划分为4段,建立了组合管柱在水平井各段下入过程中与流体相互作用情况下载荷计算模型。运用插值法和迭代法开发了相应软件,实现了水平井修井作业组合管柱的载荷模型求解。对比软件计算结果与实测数据,钩载和摩阻的平均误差分别为7. 25%和9. 50%。计算结果表明,建立的载荷模型精度较高,完全能够满足工程需要,可为现场组合管柱修井作业提供技术参考。     

用非线性有限元法预测南海水平井摩阻

将非线性有限元的力学方法应用于水平井钻井摩阻的预测,在此基础上编制了一套大位移水平井摩阻计算软件,并于1997年底用软件为南海西部涠洲12-1平台的4口水平井作了钻井摩阻预测。以涠洲12-1-SI2井为例,给出了各种预测和实钻数据,通过讨论,得出了一些有价值的结论。     

深水钻井隔水管与地层管柱耦合力学分析

在深水钻井作业过程中,隔水管的安全对整个钻井过程至关重要。为了研究钻井系统在复杂海洋环境以及海底地质条件下的力学行为,综合考虑了海流载荷、海底地基反力、张紧力以及平台偏移量等因素,建立了隔水管与井口系统耦合的力学模型。采用解析法和有限元法结合,对力学模型进行了求解,并分析了张紧力和平台偏移量对隔水管和地层组合管柱力学行为的影响。分析结果表明:随着平台偏移量的增大,隔水管与地层组合管柱的横向位移相应增大;增加张紧力可以减小隔水管和地层组合管柱的横向位移和截面弯矩,有利于隔水管的稳定。研究结果对深水隔水管钻井作业具有指导意义。