直井钻井时基于截面法的中性点计算新方法

建立直井钻井时复合钻柱局部理论模型,根据截面法推导出复合钻柱任意截面的有效轴向力计算方法。建立直井钻井复合钻柱整体模型,结合局部理论模型结论推导出实际钻井工况下复合钻柱有效轴向力计算公式和考虑液体摩阻力下及射流冲击力下钻压增量计算公式,给出了新的中性点计算方法。经实例比较分析,推导出的中性点计算公式的精度高,但计算复杂,建议在深井和超深井的钻井设计中选用。     

深井高温对钻柱横向振动固有频率影响研究

钻柱共振是引起深井钻具失效的主要原因。钻柱在深井段处在一个高温的环境下,温度的升高必然使钻柱的固有频率发生变化。为此,分析了井下高温对钻柱横向振动固有频率的影响,推导出井下任意温度时在轴向力作用下钻柱横向振动固有频率的计算公式。通过实际算例,分析了考虑轴向力因素时井下高温对钻柱横向振动固有频率的影响。计算结果表明随着温度的升高,钻柱横向振动的固有频率逐渐降低,其降低的幅度随着轴向压力的增大而增大;轴向压力较大时,温度对钻柱横向振动一阶固有频率的影响远大于对二阶固有频率的影响;轴向压力对钻柱一阶固有频率随温度变化的影响程度远大于轴向拉力的影响程度。     

对“被卡钻柱的倒扣”方法的探讨

在处理卡钻等事故中,采用原钻具正扣倒正扣的处理方法。第一确定卡点深度,用扭转极限的80％正转、扭紧钻柱,使欲倒开的接头处于中和点;用向右扭紧钻杆时扭转圈数的60～80％,向左旋转倒扣。第二采用较大拉力、较小扭矩力进行被卡钻柱的倒扣。并介绍了使用该方法的计算和注意事项。     

钻柱极限扫转圈数的确定

通过对倒扣解卡时钻柱的受力分析，并根据强度理论推导出倒扣解卡工艺中，钻枉极限扭转圈数的计算公式。利用此公式可以避免钻柱扭变形或扭断事故的发生。     

井下温度对钻柱轴向振动固有频率的影响分析

钻柱共振是引起深井钻具失效的主要原因之一，钻柱工作在井下一个高温的环境下，温度的升高必然使钻柱的固有频率发生变化。分析了井下温度对钻柱轴向振动固有频率的影响，推导出了井下任意温度时钻柱轴向振动固有频率的计算公式。通过实际算例，分析了井下温度对钻柱轴向振动固有频率的影响。计算结果表明：钻柱轴向振动固有频率随着温度的升高而降低，其降低的幅度随着钻杆长度的增大而增大；当井下温度不超过200℃时，钻柱轴向固有频率的变化幅度不会超过常温下计算值的6．7％。任意温度时钻柱轴向振动固有频率与温度成近似线性关系，可以根据常温下的计算值和温度值通过一个简单的一次函数来计算。     

超深井钻具接头极限工作扭矩图版及其应用

在深井、超深井中,钻具接头由于要承受较大的轴向拉力作用,其抗扭性能受到很大的限制;同时,由于井下情况复杂钻柱遇卡现象时有发生,而顶驱设备的出现使得大轴向力解卡作业时旋转钻柱成为可能,此时钻具接头承受很大的轴向载荷和扭矩联合作用,可能处于极为危险的状态,因此快速准确地确定不同轴向拉力条件下钻具接头的抗扭性能是保障作业安全的关键。API标准中虽提供了拉、扭耦合条件下钻具接头极限载荷的确定方法,但由于基于很多假设性条件,所得结果与实际情况间存在较大误差,特别是在深井、超深井等复杂钻井作业中,这种误差更大。基于钻具接头的三维弹塑性有限元分析,分别计算了3种主流规格钻具接头在不同轴向拉伸载荷条件下的极限工作扭矩,通过对计算结果的多项式拟合,得到钻具接头的极限工作扭矩计算公式,并绘制出钻具接头的极限工作扭矩图版,形成实际工况下的钻具接头极限工作扭矩快速确定方法。     

井下温度对钻柱扭转振动固有频率影响的讨论

钻柱共振是引起深井钻具失效的主要原因,钻柱工作在井下的高温环境中,温度的升高必然使钻柱的固有频率发生变化。分析了井下温度对钻柱扭转振动固有频率的影响,推导出了井下任意温度时钻柱扭转振动固有频率的计算公式。通过实际算例,讨论了井下温度对钻柱扭转振动固有频率的影响。分析结果表明:钻柱扭转振动固有频率随着温度的升高而降低,不管钻柱多长,二阶固有频率的降低幅度都大于一阶固有频率的降低幅度,但二者差别不大。当井下温度不超过200℃时,钻柱扭转振动固有频率的变化幅度不会超过常温下计算值的3.7%。当温度升高时,钻柱扭转振动固有频率的降低幅度与钻柱长度关系很小,可以忽略钻柱长度的影响。任意温度时钻柱扭转振动固有频率与温度成近似线性关系,可以根据常温下的计算值和温度变化值通过一个简单的一次函数来计算,避免了求解超越方程的困难。     

钻柱极限扭转圈数的确定

在现有分析方法的基础上,考虑到井筒内泥浆粘滞阻力的影响,推导出井内被卡钻柱极限扭转圈数的新的计算方法,与现在结果进行对比分析认为在钻柱遇阻进行倒扣或套铣中,在泥浆粘度和动切应力较高、卡点较深的情况下,必须充分考虑泥浆粘滞阻力的影响。     

深井中钻柱动力学机理研究

为合理设计深井中的钻柱结构，提高钻具寿命，防止井下断钻具事故，讨论了钻柱的纵向振动、横向振动、扭转振动及进动之间的相互耦合关系，并指出了钻柱振动的危害和减少振动的现场措施。介绍了两种研究钻柱振动动力学的方法──有限元法和机械阻抗法。经举例说明深井中大井眼小钻铤的危害性，认为大井眼小钻铤的环空较大，钻铤的刚度较弱，在轴向力作用下易屈曲，激发横向振动，且钻铤的横向变形较大，因振动引起的交变应力也较大；纵向振动易出现动力失稳而诱发横向振动，横向振动又易诱发扭转振动。建议使用大井眼大钻铤设计方案。     

超深井开窗侧钻技术探讨

随着国内各油田的勘探开发逐步向深部地层进军,超深井的数量越来越多。超深井井下复杂情况多,侧钻施工难度大,在钻井完井过程中,超深井极易出现井下复杂情况及发生井下事故。开窗侧钻是解决这一问题的最有效手段,它可以使老井恢复产能,节约投资,具有良好的经济效益。在分析超深井开窗侧钻点深、地层压力高、井下情况复杂等技术难点的基础上,从侧钻方式的选择、侧钻距离的计算和侧钻施工等方面介绍了超深井开窗侧钻工艺技术措施。从施工效果来看,K1和KS101超深井侧钻施工顺利,尤其是K1井创造出了侧钻点为6335．72m的国内新纪录。     

塔里木盆地超深井311.2mm井眼钻柱动力学特性及参数设计

当前超深井钻柱安全性评价仍采用静力学方法,无法合理描述钻柱的动态安全性。通过建立超深井钻柱的动力学模型,并利用节点迭代方法和Newmark方法对其进行离散和求解,随后在分析钻柱动力学特性的基础上,利用动态应力求得钻柱的动态安全系数。通过不同钻压、转速条件下计算钻柱的动态安全系数,较好地确定了钻柱的合理工作参数范围。以塔标1井身结构三开井眼为例,得到了塔里木盆地超深井311.2 mm井眼所用钻柱的合理工作参数。     

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文章分析研究了大位移井钻井过程中对钻具破坏很强的一种扭转振动：“粘滞—滑动”,这种振动在大位移井钻井过程中发生的概率比较大,表现为或停或转的状态,转动的瞬间钻头以很大的速度冲出,引起钻头与地层、钻柱与井壁强烈碰撞,因此引起钻具失效。通过建立大位移井钻柱的等效扭转摆模型,分析了在钻头与地层扭矩及钻柱与井壁间摩阻扭矩作用下钻柱的动态行为,给出了钻柱所受摩阻力与钻柱动态位移之间的函数关系。分析了钻柱“粘滞—滑动”振动所遵循的物理规律,获得了大位移井“粘滞—滑动”共振频率的分布。结果表明：大位移井的“粘滞—滑动”现象表现为低频反应。根据“粘滞—滑动”共振所满足的条件,通过调整钻井参数可以避免“粘滞—滑动”现象的发生;扭转负反馈对“粘滞—滑动”现象有一定的阻碍作用。该问题的分析结果具有较高的理论价值和实际意义,对大位移井钻进中如何减少钻具失效问题提供力学依据。     

浮式钻井平台钻具卡点深度计算分析

自升式平台的转盘面相对井眼是固定不变的,而浮式平台受风浪潮涌等影响,相对并筒上下浮动,尤其是在钻具卡钻时超拉或钻具下压相当于平台载荷瞬间改变,平台会上下起伏,这样在超拉计算卡点时测量钻柱伸长量和实际卡点深度相差甚远。为了消除因平台上下浮动的影响,根据物理学原理详细阐述了浮式平台卡点深度超拉计算方法。此方法能较准确的计算出浮式平台卡钻时钻柱卡点,在计算卡点深度上有很好的借鉴意义。     

超深井钻柱粘滑振动特征的测量与分析

粘滑振动是引起钻具失效、影响钻井时效的复杂振动形式,国内外学者对其产生机理进行了大量研究,但至今没有定论。采用ESM钻柱振动测量工具测量了某超深井井下钻柱的三轴加速度,通过分析三轴加速度的特征,研究了井下钻柱的粘滑振动特征。结果表明:实测井段发生了大量的粘滑振动,粘滑振动频率约为0.11 Hz,粘滑振动周期约为9.0 s,粘滞时长达4.0 s,滑脱阶段井下钻柱转速最大达330.0 r/min,约为地面转速的2.75倍;粘滑振动与地面测量扭矩波动具有很好的对应关系,说明可以通过地面测量扭矩特征初步判断井下钻柱是否产生粘滑振动。频域分析结果表明,当发生滑脱运动时,径向加速度的频谱中粘滑振动频率对应的能量幅值最大,同时还包含横向共振频率和与井壁接触产生的外激励频率等,但轴向振动的频谱中粘滑振动频率对应的能量幅值较小,表明钻柱粘滑振动过程中扭转振动最为突出,并存在强烈的横向振动和较弱的轴向振动。研究结果对描述粘滑振动的特征、判断超深井钻井过程是否发生粘滑振动和及时采取消除粘滑振动技术措施具有指导作用。      

深井钻柱振动规律的分析及应

钻柱振动是在当前钻井工程中的普遍现象，对钻井的影响很大，钻柱共振是钻柱失效的主要原因。文章研究深井钻柱的振动问题，以深井钻柱为研究对象，分析研究了钻柱的纵向振动、横向振动及扭转振动。首先，建立了深井钻柱各种振动的力学模型，获得了钻柱振动所遵循的物理规律，得到了钻柱的各种共振频率。然后，结合实际对振动规律进行了应用，该研究为减小深井钻具损坏和优化钻具设计提供了理论依据。     

伊朗Y油田F地层防卡技术

为解决伊朗Y油田在钻进F地层时卡钻事故频发的问题,分析了F地层的地质特征、压力特征和卡钻特征,分析认为,由于F地层裸眼井段存在不同的压力层系,钻井液液柱压力与地层压力之间存在高压差,从而造成了卡钻。根据钻柱与井壁的摩擦力计算公式,提出了防卡技术措施:采用无渗透钻井液封堵近井地层,将钻井液液柱压力与低压地层隔开,阻断压差传递;优化钻井液性能,改善泥饼质量,降低钻柱与井壁的摩阻系数;简化钻具组合,减少钻具组合与井壁的接触面积;分段封堵、控制井眼轨迹和缩短钻具在井内静止时间等配套技术措施。伊朗Y油田的13口井采取该防卡技术措施后,在钻进F地层时没有出现卡钻事故。这表明,采取所提出的防卡技术措施能解决F地层的压差卡钻问题。      

沿钻柱测量技术及其发展方向

深层、超深层、复杂地层和深水油气藏存在钻井施工难度大、周期长和井下故障多等问题,为安全、高效、快速钻井,需要实时监控井内压力、温度等参数。为此,介绍了NOV公司沿钻柱测量系统的构成,分析了沿钻柱测量技术在井眼净化监测、卡钻位置判断、钻井液漏失位置判断、漏失试验与地层完整性试验、井涌探测、钻柱及钻头工况分析等场景中的应用情况,指出了沿钻柱测量技术的发展方向,包括：完善随钻测量解释模型和应用场景、数据深入挖掘以及多参数可视化智能展示技术;优化传感器网络布局,开发替代有缆钻杆的高速信息传输网络,以提高其经济性;结合当前的技术需求和技术发展趋势扩展应用,以实现更多应用场景。在此基础上,对我国发展该技术提出了具体建议,建议持续完善井下工程参数测量系统、促进有缆钻杆商业化应用,在二者相对成熟后,逐步实现分布式测量传输。分析认为,采用常规钻柱和改进的分布式钻柱测量工具,利用智能微球分时传输技术实现分布式测量传输,是值得进一步研究的低成本沿钻柱测量路径。     

随钻震击器震击力及影响因素分析

以塔里木油田山前地区常用的典型钻具组合为例,计算与分析了震击器在处理卡钻事故过程中的震击力及相关影响因素。计算结果表明,上提拉力以及下压力对随钻震击器的影响最大;提高震击效果的最有效方式为增大大钩上提拉力或下压力;震击器上方钻铤或加重钻杆数越少,震击器产生的震击力越大,深井的解卡效果比浅井好;震击器距卡点越近解卡效果越好。     

弯曲井眼中钻柱屈曲的非线性有限元分析

建立了弯曲井眼中的钻柱模型,在模型中考虑了重力、钻井液浮力、曲率半径、井眼轨迹等因素,用有限元法对钻柱屈曲过程进行分析,通过调整扶正器安放位置,得到超刚性钻具组合,并与满眼钻具组合计算结果进行比较。结果表明,超刚性钻具的最大挠度比满眼钻具的最大挠度小,说明超刚性钻具的刚度比满眼钻具的刚度大,受钻压和转速的影响小,抗地层造斜能力强;钻压和转速对钻柱挠度都有影响,但转速影响比钻压大得多。