偏心钻头钻进时的底部钻柱力学分析

采用静力分析的方法,建立了偏心钻头底部钻具组合的力学模型,并完成了对力学模型的求解。应用数值计算方法,分析了偏心钻头底部钻具组合的受力和变形特性。通过对切点位置、钻头侧向力、井斜角及钻压分配比的分析发现:使用偏心钻头时钻柱与井壁的切点位置要比没有偏心时低得多;在倾斜井眼中,钻头偏心块在上方时,随钻压的增加钻具的降斜趋势减弱,增斜趋势增强;当偏心块在下方时,随钻压的增加钻具的降斜趋势增强;钻压分配比对钻头侧向力的变化趋势有重大影响。     

连续管可控偏心垫块BHA滑动钻进导向性能分析

针对小井眼连续管水平钻井过程中导向控制的要求,提出采用可控偏心垫块控制井眼轨迹的方法。在下部钻具组合(BHA)中按照一定的分布规律安装可独立控制的偏心垫块,通过控制偏心垫块的伸出与缩回,使BHA产生相对于井眼轴线的偏心位移,从而改变钻具组合的力学特性;对该钻具组合形式采用纵横弯曲连续梁法,建立了连续管可控偏心垫块BHA滑动钻进导向性能的力学模型与控制方程,并针对具体算例采用控制方程进行了求解。计算结果表明,在不同钻压条件下,钻头井斜力、钻头方位力、井斜平面内钻头转角和方位平面内钻头转角均随偏心稳定器在井斜平面与方位平面内的偏心位移呈线性变化;钻铤内径增大,钻头井斜力、方位力均表现为先缓慢减小后快速降低,钻头转角的变化很小。研究表明,控制钻具组合偏心垫块的伸出与缩回可以改变BHA的力学性能,使BHA产生相对于井眼轴线的偏心位移,达到控制井眼轨迹的目的。      

弯曲井眼中下部钻具组合的有限元分析

定向井眼的弯曲形态,极大地影响了钻柱的受力状况,井眼轨迹控制特别要求对钻柱的最底端,即下部钻具组合进行深入的受力与变形分析。本文将有限单元法应用于下部钻具组合的三维静力分析。由于对处理方法做了一些改进,使有限单元法更适用于弯曲井眼中的钻柱受力与变形分析。针对钻柱与井壁的接触间题,文中提出了一种新的计算方法,大大缩短了这类问题的计算时间。对一些下部钻具组合进行了分析并论述了钻压、井斜角、井眼扩大、井眼三维曲率和钻头扭矩对钻头侧向力的影响。     

弯曲井眼下部钻具组合的非线性有限元分析

在水平井或大斜度井的造斜段,井眼处于高度的弯曲状态,井眼轨迹控制很严格,需要对下部钻具组合进行深入的受力和变形分析.本文根据弹性理论和能量原理对下部钻具组合的几何非线性问题进行了系统的有限元理论分析.给出了下部钻具组合几何非线性问题的求解方法.应用所推得的理论结果,对不同的井斜曲率与方位曲率对钻头侧向力的影响进行了线性分析与非线性分析并对比了两种分析方法的结果.     

旋转导向钻具三维小挠度稳态分析的数学模型

在普通旋转钻具的基础上,研制了一种旋转的近钻头稳定器,它可以将钻柱稳定在井眼截面的需要位置,以控制井眼轨道.为了研制和应用这种新钻具,建立了适用于该种旋转导向钻具进行三维小挠度静力学分析的数学模型,包括:①微分方程;②钻头、稳定器、变截面、切点和井壁的边界条件;③钻头的侧向力和钻头转角;④钻具的导向能力与偏心距和偏心方向.给出了一种旋转导向钻具的受力状态分析、井眼曲率预测及确定导向稳定器运行参数的计算实例.     

用有限元法对下部钻具组合的动态分析

对钻头在钻进过程中的受力分析是准确预测钻头轨迹的基础.本文利用通用的有限元商品软件,对真实钻井过程中的下部钻具组合进行动态分析,得出了影响钻头轨迹的钻头三向力(钻压、井斜侧向力,方位侧向力)的动态响应,并着重研究了钻压波动产生的动态特性,从而得出各钻井参数对钻头轨迹的影响,便于对钻头轨迹的控制.     

单弯双稳导向钻具组合复合钻进稳斜能力分析与优化

为解决单弯双稳导向钻具组合长时间复合钻进时实钻井眼轨迹偏离设计井眼轨道的问题,对单弯双稳导向钻具组合的稳斜能力及其影响因素进行了分析。根据底部钻具组合复合钻进导向力的拟动态计算模型,编制了相应的计算机程序,模拟计算了钻具组合结构参数、井斜角和钻压对单弯双稳导向钻具组合复合钻进稳斜能力的影响规律。结果表明:第一稳定器如果外径过小,在复合钻进中将处于悬空状态,失去支撑井壁的作用;随着第二稳定器外径的增大,单弯双稳导向钻具组合复合钻进的钻头井斜力减小;螺杆弯角、井斜角和钻压对单弯双稳导向钻具组合复合钻进的钻头井斜力影响均不显著。根据模拟计算结果,对南堡13-斜1025井稳斜段所用单弯双稳导向钻具组合进行了优化设计。实钻结果表明,采用优化设计的钻具组合复合钻进时稳斜效果很好,井斜变化率只有0.18°/30m。这说明,根据各因素对复合钻进稳斜能力的影响规律,对单弯双稳导向钻具组合进行优化设计,可以提高其稳斜能力。      

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本文采用有限单元法对下部钻柱静态力学性能进行了分析研究，讨论了静态条件下稳定器位置，井眼变化率，钻挺刚度等对钻头侧向力及其转角的影响。为现场更好地选取钻具组合和确定钻井参数提供了理论依据，为油田的定向井实践所验证。     

下部钻具组合的动态分析

本文用三维直梁单元将下部钻具组合离散化,建立了数值分析模型来模拟下部钻具组合在钻井过程中的瞬时动态特性。考虑了钻压、转速、摩擦及井眼弯曲等对钻具组合的影响,建立了动力微分方程,采用威尔逊-θ法求解。把钻柱与井壁的接触视为瞬时碰撞,采用一种新的方法确定碰撞时刻,对动态分析的结果作了全面的讨论,用井斜力和方位力的时间平均值来预测钻头的走向,并与静态分析的结果作了比较,吻合较好。本文所提供的动态分析方法和计算机程序可供定向井钻井部门参考使用。     

单扶正器钻具组合现场应用效能分析

在常规钻井作业中常采用多扶正器钻具组合来达到控制井斜和方位的目的,但多扶正器钻具组合产生较大的井下负荷,易发生钻具及卡钻事故.通过在陕甘宁地区的钻井施工表明,掌握好扶正器与钻头之间的距离和扶正器与井壁之间的间隙,单扶正器钻具组合能避免多扶正器钻具组合的不足之处,满足定向井井眼轨迹控制的要求.     

底部钻具组合力学特性模拟试验研究

底部钻具组合(BHA)的力学特性直接影响井身质量、钻井安全与钻速,因此,需要从理论和试验2个方面去研究BHA的力学特性,然而目前试验方面的研究很少。根据相似理论,利用底部钻柱力学装置,模拟研究了钻压和转速对井斜力、方位力、钻头合侧向力及其方向角的影响规律。结果表明:合侧向力随钻压的增大而增大,转速对合侧向力的影响较小;随钻压增大,井斜力增大,转速越大,井斜力越大;方位力随钻压增大而增大,转速对方位力的影响较小;合侧向力方向角随钻压增大而减小,随转速增大而增大。研究结果可为井斜控制机理研究和防斜打快提供理论依据。      

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在丛式钻井设计中，下部钻具组合性能分析、井眼轨道控制和预测都是十分重要的技术问题，而要解决这些问题必须对下部钻具组合进行受力变形分析。本文根据丛式钻井中钻柱的实际工作状态，选取口至井底的整个钻柱为研究对象，充分考虑各种因素，首先建立了整体钻柱静力分析模型，然后根据整体钻柱的受力变形分析值，建立了修正的下部钻具组合静力分析模型。该模型与以往一些下部钻柱静力分析模型相比，简化少，考虑因素多，钻头处的变     

静态推靠式旋转导向工具造斜率预测分析

旋转导向钻井技术是目前钻井工程技术领域研究的热点之一。为准确认识静态推靠式旋转导向工具在给定导向力等钻进参数作用下的造斜能力,根据工具导向特点,对翼肋推靠井壁进行受力分析,考虑翼肋随非旋转套转动时所受的切向阻力作用,修正了翼肋导向合力计算模型;在钻进趋势预测模型的基础上,进一步建立了推靠式旋转导向工具造斜率预测方法。通过采用纵横弯曲梁法求解静态推靠式旋转导向底部钻具组合钻头力学特性,并考虑钻头切削各向异性指数,编程实现了静态推靠式旋转导向工具造斜率的定量预测计算。与现场试验数据对比发现:建立的造斜率预测误差在±0.5°以内,方位变化率预测值较不考虑翼肋与井壁间摩擦时更加符合实际方位变化率,预测结果与实钻井眼轨迹数据的对比验证了造斜率预测方法的合理可行性,为下一步进行井眼轨迹调控指令的准确制定提供了依据。     

非连续性旋转导向钻具组合的广义纵横弯曲法

旋转导向系统底部钻具组合的三维力学分析是导向工具设计和井眼轨道控制的基础。结合有限元单元划分思想和纵横弯曲法梁理论,提出了广义纵横弯曲法。将钻柱分解为若干单元,以节点处的弯矩、转角、挠度和到钻头的曲线长度作为广义坐标,以井眼轴线作为参考构型,采用梁理论建立单元受力变形方程,同时补充节点边界条件和特殊连接边界条件,组装单元方程和边界方程得到系统方程组,选取牛顿迭代法进行数值求解。与经典算例进行了比对,计算结果相吻合;以某型非连续性旋转导向钻具组合为例研究了井斜角、造斜率和钻头侧向力的关系,分析了造斜能力并给出了最大造斜率,论证和演示了广义纵横弯曲法的正确性和实用性。     

A finite element model for analyzing horizontal well BHA behavior

Horizontal wells are proven to be better producers because they can be extended for a long distance in the pay zone. Engineers have the technical means to forecast the well productivity for a given horizontal length. However, experiences have shown that the actual production rate is often significantly less than that of forecasted. There are a number of reasons for the discrepancy of predicted to actual production rates in horizontal wells. However, it is a difficult task, if not impossible, to identify the real reason why a horizontal well is not producing what was forecasted. Often, the source of problem lies in the drilling of horizontal section such as permeability reduction in the pay zone due to mud invasion or snaky well patterns created during drilling. Although drillers aim to drill a constant inclination hole once in the pay zone, the more frequent outcome is a sinusoidal wellbore trajectory.Logging while drilling (LWD) and real time measurement of resistivity at bit help drill in the pay zone by constant monitoring of borehole trajectory and formation boundaries. Rotary steerable tools (RTS) allow spontaneous intervention to drilling direction and inclination if run with LWD tools. Nevertheless, there are still many cases where LWD cannot be deployed due to technical difficulties. One such case was noticed in the Middle East where LWD sensors were worn out completely during 1 h run time due to extreme formation abrasiveness. In the absence of LWD and RTS, it becomes a challenging task to drill a constant inclination borehole which will be addressed in this paper.The two factors, which play an important role in wellbore tortuosity, are the inclination and side force at bit. A constant inclination horizontal well can only be drilled if the bit face is maintained perpendicular to the longitudinal axis of bottom hole assembly (BHA) while keeping the side force nil at the bit. This approach assumes that there exists no formation force at bit. Hence, an appropriate BHA can be designed if bit side force and bit tilt are determined accurately.Finite element method (FEM) used in this study determines the bit side force and bit tilt simultaneously. The FEM is superior to existing analytical techniques because it can accommodate many more independent parameters which otherwise cannot be taken into account. As a matter of fact, it is believed that oversimplification of actual physical phenomena with unacceptable assumptions is the major source of error with existing BHA designs.This paper presents an FEM technique in assessing the bit tilt and side forces and compares the results with the existing techniques.     

带旋转导向工具的底部钻具组合横向振动特性研究

为了提高旋转导向工具的井眼轨迹控制效果及作业安全性,研究了带静态推靠式旋转导向工具底部钻具组合（RSBHA）的横向振动特征。静态推靠式旋转导向工具通过控制3个导向翼肋的驱动压力实现井眼轨迹控制,可以将其等效为偏心距和偏心方位角已知的偏心稳定器;建立RSBHA的三维小挠度静力学模型,基于加权余量法确定RSBHA在钻压作用和井壁约束下的空间构形,获得上切点的位置;以上切点到钻头的距离作为横向振动的有效长度建立有限元模型,利用振型叠加法求解RSBHA的横向振动响应,分析工作参数和结构参数对其横向振动的影响。算例结果发现:转速约为138 r/min时, RSBHA的动态位移在距钻头8.20,18.10,24.60和31.60 m处较大;钻压对RSBHA最大弯曲应力的影响较小;偏心距和偏心方位角对RSBHA横向振动特性的影响较大,对于某些特定的偏心距和偏心方位角,RSBHA最大弯曲应力会明显增加。研究结果表明,结构参数和工作参数对RSBHA的横向振动影响较大,应对其进行优化设计,以确保旋转导向工具的应用效果和钻井作业安全。      

用有限差分法分析底部钻具组合的静力

本文采用有限差分法对底部钻具组合三维静力问题进行了分析研究。通过中心差分,建立有关的差分方程,并编写了相应的计算机处理程序。在此基础上,通过算例分析,阐明了钻压、井斜角、井眼曲率及稳定器间隙对钻头侧向力的影响规律。     

气体钻井钻具组合瞬态动力学特性初探

钻柱转动时切向摩擦力会引起钻柱侧向位移,但采用钻井液钻井时其摩擦系数较小,因此该位移常被忽略不记。但在气体钻井时,其摩擦系数增大,该部分位移则不得不考虑。以弹性力学、材料力学为基础,考虑切向摩擦力对钻柱变形的影响,建立了转动钻柱在斜直井中三维瞬态动力学模型及力学方程,并采用龙格-库塔法求解方程数值,分析了钻井参数、滚动摩擦系数、滑动摩擦系数及井眼结构参数等对下部钻具组合变形的影响。分析结果表明:钻压增大,钻柱的变形量加大,钻柱变形节距减小,钻柱振动加剧,但对下部钻具的摩擦扭矩影响不大;井斜角增大,钻柱与井壁的接触力及摩擦扭矩增大,钻柱的变形节距减小;环空间隙减小,钻柱变形角增大,钻柱变形节距减小;钻井流体的密度越大,下部钻柱变形角越小;井斜角增大,不仅影响下部钻柱变形的大小,而且影响着变形方向。     

下部钻具组合——不等截面、近钻头稳定器问题的分析

本文是在“纵横弯曲法对钻具组合的三维分析”的基础上,对钻井过程中常遇到的不等截面问题、钻具与井壁之间的接触问题(包括失稳)以及近钻头稳定器问题用纵横法理论作了进一步研究.提出了此类问题的求解方法,扩展了“纵横法”的应用范围.并根据这些方法较为洋细地分析了钻压、井斜角、间隙和井眼曲率等主要因素对钻头侧向力的影响.这些分析在现场进行了验证,达到了预期的效果.