小钻杆欠扩孔超短半径转向过程仿真研究

为使超短半径水平井技术应用在小扩孔空间内,设计了转向空间在300～450 mm之间的转向轨迹,建立了小钻杆和小型转向轨迹的有限元模型,并对钻杆转向过程进行了有限元仿真模拟。模拟结果表明,钻杆通过滑道时所受阻力随滑道曲率的变化单调增加,阻力的大小受曲率变化及其在滑道中所处位置的影响;钻杆截面变形量由于塑性因素变化具有累加性,在滑道内随曲率变化呈阶段性增加,但最终变形量不影响钻杆性能。     

径向井造斜器滑道设计的仿真分析

目前，径向井是一种新型的钻井技术，其造斜器滑道设计还没有形成模式，滑道轨迹设计采用分段圆弧拼接，滚轮载荷按梁弹塑性弯曲估算，实验中的造斜器表现出阻力大、阻力波动大、滚轮轴承易失效等诸多问题。由于滑道中钻杆所受载荷随钻井进尺变化，钻杆在滑道中的住形也在不断改变，因此采用分析法设计最小阻力滑道十分困难。鉴于钻杆在运动中主要是弯曲变形，文章将钻杆简化为平板，采用有限元法对板通过弯道进行了仿真，根据仿真结果对摩擦因数、板端反力、滑道轨迹与滑道临界阻力的关系进行了分析，得出了它们的阻力特性及对阻力的影响程度，建立了滑道阻力模型，对造斜器设计与评价提供了依据。     

径向水平井弯曲转向机构影响因素仿真研究

针对径向水平井钻进中钻杆弯曲转向前进运动困难的问题,通过建立弯曲转向机构仿真有限元模型,对其主要影响因素:滑道轨迹曲率、间隙、工作压力、滚轮形状与位置和钻杆壁厚等用ANSYS软件进行仿真研究。研究表明:影响截面变形的主要因素是滑道曲率的改变和滑道摩擦因数,钻井失败时钻杆所受阻力的增大不是因为升高工作压力导致截面变形过大与滑道干涉所致,钻杆经校直段,钻头中轴线与校直中心线存在一定的角度,即钻杆的前进轨迹就会偏离理论值,或与地层干涉,或可能再次发生弯曲变形;另一主要原因是转向器滑道工作恶化。增加钻杆壁厚,降低工作压力和滑道摩擦因数,设计合理弯曲转向机构是解决问题的关键。     

径向井钻杆转向阻力建模及实验分析

径向井钻杆的转向是承受内压曲杆反复弹塑性弯曲过程。由于系统的非保守性 ,其匀速钻进状态也不能应用静力平衡方程。将钻杆的运动态作为静止稳定状态的失稳 ,运用线性小位移理论 ,求解钻杆保持静止状态的条件 ,建立了钻杆发生运动的极限载荷、曲率突变点阻力等模型。根据径向井钻杆载荷的边界条件 ,提出了径向井钻杆转向过程中存在临界载荷系数的论断 ,求得了常用径向井转向器的临界载荷系数。计算结果与实验进行了对比分析 ,对径向井现场试验中表现出的钻杆遇阻现象给出了可信的解释。     

运用ANSYS5.4作水平井钻杆转向轨迹参数试验

在水平径向钻进中 ,钻杆在其内部高压驱动下通过转向器由垂直方向向水平方向转向 ,在约 0 3m最小曲率半径内发生大于 90°的弯曲 ,而且转向轨迹是由多个参数描述的。对此 ,井运用ANSYS5 4软件完成了所设计的α、R、δ数值试验并对数值试验数据作了处理。分析表明 ,在其它转向轨迹参数不变的情况下 ,偏角α在所设计的范围内变动时 ,钻杆通过转向器的阻力波动较小 ;最小弯曲半径R在所设计的范围内变动时 ,钻杆通过转向器的阻力随着R的增大而减小 ;矫直偏量δ在所设计的范围内变动时 ,当δ >0 ,随着δ的增大钻杆通过转向器的阻力Fz 上升很快 ,而当δ <0 ,阻力Fz 随δ的减小下降较慢     

卡瓦作用下钻杆的损伤机理及对策

卡瓦体背锥与转盘补心间的摩擦系数μ对钻杆所受径向载荷影响极大。为保证卡瓦能牢固地夹持住钻杆,应选取较小的μ值;而为使钻杆承受较小的径向载荷,μ值应较大。实际操作中应通过室内实验及现场试验,在保证卡瓦能有效夹持钻杆的基础上获得较大的摩擦系数。卡瓦与补心不符API标准,卡瓦与钻杆规格不对应,使用损坏的牙板,牙板新旧混装,摩擦系数过小或过大,用卡瓦旋转钻杆以及钻杆振动等都易加剧钻杆的损伤,使用过程中应避免这些情况的出现。     

不扩孔转向轨道中高压钻管变形及阻力分析

目前,国内外对10.0～12.7 mm高压钻管在弯曲半径0.1 m左右时弯曲变形及受力状况的研究仍然存在不足。鉴于此,利用ANSYS研究了高压钻管通过不扩张转向轨道时的形态、截面、壁厚及滑道阻力的变化情况。研究结果表明,高压钻管经过转向轨道后前端向上略微翘曲,其主轴和副轴长度变化量在1 mm以内,壁厚在副轴方向上受压的一侧增加,受拉的一侧减小,但增加量和减小量都可以忽略不计;滑道阻力波动与轨道的曲率变化基本一致,最大值达到841N。该研究结果与试验结果吻合,可以为轨道设计、高压钻管优选及送进工艺设计提供理论根据。     

径向井钻杆截面变形模型及实验分析

径向水平井技术在国内外已研究多年。但其钻杆的弯曲状态、应力应变分布始终未见研究报道。现文运用刚塑性理论,对有限弯曲状态下的钻杆弯曲进行了建模,得出其中性层始终位于钻杆拉伸侧的结论。且随着钻杆上所受阻力的增加,中性层偏离越大;采用塑性增量理论,建立了钻杆截面变形模型,应用所建立的模型对实验结果进行了分析。从而确定了钻杆与滑道的间隙是决定钻进成败的关键。对比分析发现钻杆上的阻力,有相当一部分来自造斜器对钻杆的方向性挤压。这为改进造斜器的设计、增加钻进进尺指出了方向。     

径向井钻杆截面变形的三维有限元仿真

径向井是一种新型高效的原油开采技术。径向井钻杆的截面变形与圆管塑性弯曲成型、圆管截面弯曲稳定性有一定的联系,但研究问题的出发点不同,使得这些研究所采用的模型、实验设备并不能直接用于研究径向井钻杆弯曲时的截面变形。文中将三维有限元法用于研究径向井钻杆的截面变形,验证了平截面假设的适用性及变形后断面形状的椭圆性。仿真结果显示,钻杆弯曲时其截面的长、短轴的变化是独立的;截面周长随曲率增大呈线性增加。特别是短轴的变化,随载荷值改变呈现出不同的变化趋势。该结果为选取钻杆最佳转向曲率、制定钻进工艺参数提供了依据。仿真结果与实验情况相吻合。     

模拟水平井筒条件下液压振动对弯曲钻杆轴向力传递和形变的影响

在模拟水平井筒条件下,对液压振动对弯曲钻杆轴向力传递和形变的影响进行了实验研究。以一定的频率干扰钻杆中流体的流动可产生液压振动。结果显示,钻杆内产生的液压振动可以将弯曲形变力降低到11%～45%。结果是通过对比有振动和无振动钻杆弯曲时载荷的变化得到的。同时它也表明,在振动产生时对钻杆施加挤压力,可以减小井壁与钻杆间的摩擦力,降低黏滞滑动。关于液压振动对轴向力传递的影响,我们发现液压振动使从设备顶部传到设备底部的轴向力传递效率增加30%～100%。此增加量取决于流体的流速、流体类型（主要是黏度）和外加顶部载荷的大小。液压振动的利用在很大程度上取决于钻井液的黏度。以聚合物和水作为实验液时,显示出不同的效果。同时发现脉冲压力在聚合物中有所衰减,虽然这种衰减比起在水中要小一些。此项研究对于大位移井十分重要,它可以减小水平井筒中因弯曲产生的摩擦力,降低钻杆和套管的扭矩与阻力。     

径向水平井钻杆截面的塑性变形及轴向受力分析

径向水平钻井技术是开发油田的一种新技术,钻杆在经过斜向器时曲率半径反复变化,钻杆处于应力-塑性应变状态.钻杆截面变形量大小及斜向器弯道阻力的大小对能否正常钻进至关重要.分析了钻杆截面的应力-应变关系,在假定钻杆为理想刚塑性材料的条件下,推导出了钻杆截面的长、短轴极限变形量及钻杆转弯时的阻力计算公式,分析了滑道摩擦系数、射流反力对阻力的影响,从三种条件下公式的计算结果与实验对比中可证明这些公式的正确性,对斜向器的设计和钻杆的选材以及确定实际钻进的工作参数具有指导意义.     

茂加6582井双分支超短半径水平井钻完井技术

为了进一步完善超短半径水平井钻完井技术,提高单井产油量,大庆油田设计施工了茂加65-82双分支超短半径水平井。针对2个分支井眼曲率半径不一致导致井眼轨迹控制难度大、分支井眼与窗口密封难度大等技术难点,根据茂加65-82井原井眼情况,对双分支水平井眼的井身结构、井眼轨道进行了优化设计,并在钻头体与导向管之间设计了倾角,以满足造斜要求,顺利完成了曲率半径分别为5.9和3.2 m的上下分支水平井眼,井眼轨迹达到了设计要求。茂加65-82侧钻双分支水平井初期日产油量2.5 t,与原井产油量相比提高了8.3倍,目前日产油量1.0 t,已累计增油380 t。茂加65-82双分支超短半径水平井的顺利钻成为大庆油田剩余油挖潜提供了一种新的技术手段。      

钻杆弯曲断裂原因分析及预防措施

某油田在钻井过程中发生多起钻杆弯曲断裂事故,对YM35-9H井钻杆弯曲断裂事故进行了调查研究,对钻杆弯曲断裂形貌进行了分析。结果表明:钻杆断裂原因是由于井口摘挂吊环的操作工人与司钻操作配合失误,单吊环起钻所致;在单吊环起钻过程中钻杆弯曲断裂部位承受了异常的撞击、弯曲、剪切和拉伸等载荷;经过理论计算,发生单吊环起钻时钻杆所受的应力已超过材料断裂强度。为有效地防止单吊环起钻事故,建议采用带有锁紧销子的吊卡和液压卡盘。     

S135钻杆接头缺口疲劳行为研究

钻杆接头疲劳失效是钻杆失效的主要形式,因此,为提高钻杆的使用寿命,对S135钻杆接头的疲劳行为进行了研究。根据钻杆接头的受力特征设计了疲劳试样,采用PQ–6型旋转弯曲疲劳试验机和扫描电镜研究了应力集中对S135钻杆疲劳性能的影响。结果表明:S135钻杆疲劳性能对V形缺口具有一定的敏感性;缺口根部半径越小,应力集中系数越大,对疲劳性能的影响越严重,应力集中系数和疲劳强度符合幂函数关系;疲劳裂纹从缺口根部开始萌生,存在许多裂纹源（呈环形排列）;应力相同时,随着应力集中系数增大,缺口根部的撕裂现象减弱,断口变得光滑、平整,疲劳条纹变得细而密。研究结果表明:对钻杆接头螺纹的牙型进行优化设计,可以降低或减缓齿根的应力集中,降低S135钻杆疲劳对缺口的敏感性,提高S135钻杆的使用寿命。      

超短半径水平井钻井技术在注入井解堵中的应用

为解决聚合物注入井的堵塞问题,研究应用了超短半径水平井钻井技术进行解堵。采用大角度锚定斜向器、复合式开修(窗)系统、高强度柔性钻杆与常规钻井设备相结合的技术方法,在设计层位实现曲率半径为3.2 m的高曲率造斜,完成造斜后运用柔性钻杆与多功能导向管进行水平段钻进,钻至设计长度,在堵塞层形成了一个长度为30 m、直径为117.5 mm的井眼,为堵塞区域重新打开注入通道。研究表明,利用超短半径水平井钻井技术来实现解堵增效是可行的,为堵塞区域重新打开注入通道、降低注入压力提供了新的技术支持。      

长水平段水平井钻进摩阻控制

长水平段水平井能够增加钻遇油层的长度和数量,提高单井油气开采量,在薄油层开发、海油陆采方面具有明显的技术优势。但由于水平段过长,钻进过程中面临着严重的摩阻问题。以胜利油田某长水平段水平井为例,采用有限元方法,从井身剖面结构参数优化、钻井作业参数优选等方面,分析其对摩阻的影响规律及其内在影响机理。研究结果表明,案例井造斜段曲率半径对长水平段水平井摩阻影响较为明显,应综合考虑地层特点、造斜率控制难度以及后期送钻能力进行合理选取;起钻过快会导致钻柱与造斜段上井壁摩擦严重,下钻时应平衡下入效率、钻柱变形和摩阻的关系,防止遇阻;复合钻进时低速区的转盘转速不会引起摩阻的明显变化。