基于ABAQUS的底部钻具组合下垂误差校正分析

井眼轨迹姿态计算精确度受井斜角、方位角以及测深三个关键参数影响,其中底部钻具组合下垂误差是影响井眼轨迹计算精度的主要误差源,对底部钻具组合下垂误差的精确校正能够使井眼轨迹更接近真实值.参照实钻井眼钻具组合,借用ABAQUS仿真软件构建重力场下底部钻具组合受力变形分析模型,求解钻柱轴线各点下垂误差值并获取测点位置下垂误差...     

底部钻具组合三维静力分析

考虑钻井液和钻头的工作扭矩对钻柱横向变形的影响，分析了扶正器与井壁间的作用，用传递矩阵方法建立了定向并中底部钻具组合的三维力学模型，研制了相应的计算机程序，能有效地计算钻柱对钻头的横向作用力和确定钻头轴线的方向。     

传统底部钻具组合在S形定向井中的应用

东海平湖油气田某S形定向井 ,在直径 311mm及 2 16mm井眼钻进中多次使用了传统非导向旋转底部钻具组合 ,均获得较好的使用效果 ,以简单的底部钻具组合有效地控制了较复杂的井眼轨迹。文中分析了底部钻具组合结构、钻井参数、地层特性及井眼几何特性等因素对底部钻具组合使用效果的影响 ,其结果可供类似井作业借鉴。     

自动防斜钻井钻具设计

目前所使用的各种钻具主要是靠钻具本身的重力来产生降斜力,在井斜角很小时,降斜力一般很小,在某些区块钻井时不能满足防斜要求。据此,设计了一种自动防斜钻井钻具,该工具包括钻铤体、偏心套筒、钢球、活塞及螺栓等。偏心套筒通过钢球挂在钻铤体外表面上,该偏心套筒一端部的内壁上有一环槽,并且该端部上位于薄边处还沿轴向延伸出一个凸台,该凸台内有一与有环槽贯通的两端封闭的弧形半环槽。在钻铤体上,与环槽对应处有与该钻铤体内腔贯通的通孔,与半环槽对应处有导流孔,该导流孔通过流道与钻铤体上的活塞腔相连通。在活塞腔内有一活塞。该钻具根据不倒翁原理和千斤顶原理,能够自动利用液压力量来产生降斜力,从而防止了井眼的偏斜。     

定向井常用钻具组合

介绍了定向井钻井过程中“直-增-稳-降-稳”阶段常用的钻具组合,结合现场所用钻具,分析了各个阶段所用钻具的特点,并优选了钻具组合。     

铰接式钻具组合的动力学分析

应用有限单元法对铰接式钻具组合进行了动态分析,推导了铰接点单元的刚度矩阵和载荷列阵,同时考虑钻头的轴向激振和钻柱与井壁的相互作用,用Newmark法在时域里分析了一种铰接式钻具组合的横向振动,并在频域里进行了讨论。分析表明,轴向扰动激起铰接钻具组合多阶谐波分量,钻头侧向力动态分量的幅值与井斜曲率成正比。数值结果表明,井眼扩大是钻具组合动态响应的一个重要影响因素,如果井眼扩大较小,钻具组合的振动表现有周期性,而当井眼扩大较大时,振动不再是周期性,且钻头侧向力动态分量的幅值增加。     

井眼间隙对下部钻具组合横向振动的影响

将下部钻具组合看成钻头处铰支的细长梁，同时考虑井眼间隙与钻压波动对下部钻具组合的作用，应用有限单元法建立下部钻具组合的动力学基本方程，采用数值模拟的方法得到下部钻具组合动态响应，并进行频谱分析。对不同井眼间隙时的下部钻具组合的横向振动数值模拟结果表明，振动幅值随稳定器与井壁之间间隙增大而增大。并且可能存在稳定器与井壁之间的间隙的临界值，当达到该临界值时，钻具组合的振动剧烈。     

新型铰接式钻具组合特性分析

对一种新型铰接式钻具组合进行有限元分析,采用自由度凝聚法缩减铰接点的转动自由度并对铰接式钻具组合进行单因素影响分析,如井斜曲率、钻头稳定器的磨损量、结构弯角、钻压、井斜角、钻头稳定器与钻头之间的距离等对钻头侧向力的影响.结果表明,为了获得较好的铰接钻具造斜率,应考虑2种途径1)在实际操作过程中,应仔细控制稳定器的磨损量,控制井眼扩大;2)在钻具结构设计中,应优化结构弯角和钻头稳定器与钻头之间的距离这些参数.     

带旋转导向工具底部钻具组合的动力学特性分析及参数优化

带旋转导向的底部钻具组合（RSBHA）在钻井过程中发挥着极其重要的作用,现场更多关注的是其导向能力,对它的工作状态平稳性没有严格要求。为防止RSBHA的剧烈振动和失效事故,建立了RSBHA的动力学模型,运用有限元法分别计算分析了不同结构、不同转速、不同钻压条件下的底部钻具组合的动力学特性,求得了动态位移和动态弯曲应力。结果显示:合理安放稳定器能够有效地减弱RSBHA的横向振动,降低其动态弯曲应力;转速对RSBHA的动态弯曲应力影响很大,当转速为100 r/min时应力水平最低,180 r/min时应力水平最高;带旋转导向的钻具组合结构合理时,增大钻压时,其横向位移变化较小,动态弯曲应力分布比较合理。该结果为进一步研究RSBHA提供了理论依据。     

钻具组合造斜率预测方法

根据井底最近测点数据，计算井底轨迹参数。利用下部钻具力学计算模型进行钻头力学计算。引入钻头各向异性指数和地层各向异性指数后，建立三维钻速方程，依此预测计算钻具组合的造斜率。并将该方法编制成计算机软件。实例计算表明，这种方法比较可靠。     

底部钻具组合的井底实际钻压分析

将弯曲井眼中的底部钻具组合作为空间梁处理 ,采用两个力学过程模拟指重表所示的指示钻压。利用“施加”与“放松”约束的方法求解钻柱与井壁间的接触摩擦非线性问题 ,并考虑了钻柱与井壁之间摩擦力的影响。在此基础上 ,建立了对弯曲井眼中的钻柱进行井底实际钻压分析的基本方程及相应的迭代求解格式。通过数值算例和工程算例得出结论 :(1 )由于钻柱与井壁之间存在摩擦 ,井底实际钻压比指示钻压小 ,在工作钻压较大时实际钻压比指示钻压小 1 5%～4 0 % ;(2 )井眼曲率对井底实际钻压的影响较小 ,而钻柱与井壁之间的摩擦系数对实际钻压影响较大 ,因此改善钻井液性能 ,降低摩擦系数十分重要 ;(3 )随着井深的增加 ,井底实际钻压与指示钻压的差值增大 ;若井眼曲率增大 ,实际钻压减小 ,指示钻压越大 ,其减小趋势越大 ;随着摩擦系数增大 ,实际钻压减小的趋势增大。     

下部钻具组合应力水平影响因素的敏感性分析

钻具组合在井下所承受的应力水平是影响其疲劳寿命的一个关键因素。因此定量分析研究钻具在井下所承受的应力水平及其影响因素,是研究钻具疲劳失效的一项重要内容。现文以固体力学有限元理论为基础,建立了带扶正器下部钻具组合在弯曲井眼或斜直井眼中的有限元力学模型,求解并得到了下部钻具组合的应力场。并着重对影响钻具组合应力水平的影响因素即井眼曲率、钻压、钻柱稳定器的安放位置等进行了敏感性分析。揭示了下部钻具组合失效的力学机理。     

空气钻井钻具组合动力学特征及井斜机理研究

研究了用牙轮钻头进行空气钻井时光钻铤钻具组合动力学特征及井斜机理,建立了光钻铤钻具组合的转子动力学模型,分析了空气钻井与泥浆钻井时光钻铤钻具组合动力学特征的区别。结果表明,高碰摩系数使空气钻井时钻具组合反向涡动,空气的低阻力使空气钻井的涡动速度增大。泥浆钻井则相反,钻具组合以较低的涡动速度向前涡动。这些特征的综合作用使得空气钻井时钻头上的降斜力小于泥浆钻井,成为引起空气钻井井眼易斜的主要原因之一。     

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.     

预弯曲动力学防斜打快钻具组合动力学模型

建立了预弯曲动力学防斜打快钻具组合的动力学模型,对其动力学特性进行的仿真研究。结果表明,这种模型可以较好地反映出钻具组合在井下的涡动轨迹、涡动速度和涡动方向,同时能近似地计算出这种钻具组合的动态相对防斜力大小。钻具组合的涡动使得钻头对下井壁的动态侧向冲击力明显大于对上井壁的动态冲击力,从而使钻头具有较大的动态防斜力。通过合理设计结构参数和施工参数,可以有效地改善预弯曲动力学防斜打快钻具组合的涡动特征,从而使这种钻具组合具有较好的防斜效果。预弯曲动力学防斜打快技术的使用钻压比钟摆极限钻压提高50%以上,相应地提高了机械钻速。     

一种提高气井静压计算精度的方法

以往通过计算气井井口静压求取井底静压的诸多方法,由于未充分考虑随井深的增加,温度、压力的变化以及天然气中硫化氢、二氧化碳等酸性气体对偏差系数的影响,从而降低了其计算精度。文中根据温度、压力的变化范围,采用不同的天然气偏差系数计算模型,对含硫化氢高的酸性气体进行临界参数校正,以提高天然气偏差系数的计算精度,并在此基础上计算气井井底静压。通过实际资料验证,该方法能够比较精确地求取气井井底静压。     

导向钻井系统在井眼轨道控制中的应用

由随钻测量系统、导向马达系统和优质高效钻头构成的导向钻井系统的开发和应用,实现了大斜度井井眼轨道控制过程中定向、增斜、稳斜、调整井斜和方位等的连续作业, 并随钻监测, 随时调整钻井参数和钻井方式。从数学和力学的角度, 对导向钻具组合进行变形分析, 进一步求出结构参数、工艺参数以及井身参数对钻头侧向力和工具造斜能力的影响, 从而实现导向钻具的优化设计。分析和探讨了导向钻具组合在实际应用中须注意的１０ 项要点。     

井底常压控制压力钻井设计计算

井底常压控制压力钻井(MPD)技术采用专用的控压装备,将井底压力控制在合理的范围内.建立井底常压MPD关于井口回压和钻井液密度的计算模型,运用迭代求解方法进行井口回压和钻井液密度的设计计算.利用该计算模型对克拉201井进行了实例分析,3 314 m处的环空压力对比表明,常规方式下无法设计合理的钻井液密度,采用井底常压法设计可保证环空压力在压力窗口之内;窄压力窗口段的回压和钻井液密度设计结果表明,采用井底常压法设计可安全钻穿2 800 m到目的层的井段,并可减少一层套管,节约建井成本.实例计算结果表明,MPD技术既降低了钻井液密度又满足了环空压力控制的需求,能精确地维持井底压力恒定,安全钻穿窄压力窗口地层,为优化井身结构、减少套管层次提供技术基础.