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。     

水平井管柱下入摩阻分析及应用

水平井造斜后井迹弯曲,使管柱入井时受到的阻力远比直井大,给钻井作业增加了难度,因此对管柱摩擦阻力的分析计算是保证管柱顺利入井的关键。通过建立管柱受力平衡方程,推导出水平井管柱入井时摩阻计算的力学模型,分析计算了在稳定和旋转方式下管柱入井时的大钩载荷和井口扭矩等重要技术参数的解析公式。实例计算分析表明,摩擦阻力计算结果可为钻井设备选型、优化管柱参数和井身结构以及选择下入方式提供可靠依据。     

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。     

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.     

水平井打捞作业管柱轴向力计算模型修正

为了提高水平井打捞作业管柱轴向力传递的计算准确度,准确控制鱼顶解卡力,对管柱受力计算的软管模型进行了修正。采用集中力和均布力简支梁模型,计算出管柱通过弯曲段的支反力,进而计算出管柱刚性造成的附加摩擦力。修正模型考虑了弯曲段管柱的刚性对管柱受力的影响,更加符合管柱的特性和实际受力情况。采用软管模型和修正模型对实例井管柱受力进行了计算分析。     

带多封隔器水平井作业管柱解封力分析

根据封隔器解封过程中解封力在作业管柱中的传递特点,建立了带多封隔器作业管柱解封过程受力计算模型,给出了解封力在作业管柱中的分布规律和管柱变形量计算公式,利用Visual Basic语言编制了相应的计算软件。根据吉林油田某水平井实际作业参数,对带有多封隔器作业管柱解封过程进行模拟计算,并与现场监测值进行对比。结果表明,上提载荷和管柱变形量的模拟计算结果与监测值的误差分别为2.77%和3.10%,说明计算模型具有较高的计算精度,可以满足实际工程需要;在解封过程中,带封隔器作业管柱危险点出现在封隔器和造斜段位置,因此有必要对相应位置管柱强度进行校核。     

水平井中测井管柱的力分析机理

水平井测井管柱细、重量轻,能否靠管柱自重把测井仪器下放到井底是一个十分重要的技术问题。为此,本文以水平井测井管柱为研究对象,考虑管柱与井壁的初始间隙和随机接触摩擦阻力,建立了测井管柱力分析模型,采用“多向接触摩擦间隙元”理论对该模型进行了接触非线性力学分析。经大庆油田MP1井测井管柱五种工况下的力分析表明,测井管柱井口最小悬重值为15.83kN,仍处于拉伸状态,测井仪器不需注入器,靠管柱自重完全可以下放到井底。这一结论已被工程应用和验证。由此,该研究为分析水平井测井管柱的受力机理提供了一种新的理论依据,为工程中预测测井仪器是否靠管柱自重或注入器下放到井底提供了一种技术手段。     

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。     

新型热敏式补偿器在水平井稠油完井中的应用研究

筛管先期防砂完井技术在水平井中应用日益广泛,胜利油田为国内水平井发展最快、应用规模最广的油区。由于注水注气井的高温高压工况,完井管柱受热膨胀变形损坏,大大影响了作业效果。为提高完井工具的可靠性,改善完井管柱的受力状况,本文建立了水平井筛管管柱的有限元模型,在对筛管管柱注汽条件下热应力分析基础上,研制了新型套管热敏式补偿器,并在胜利油田多口井进行了现场应用,结果表明热敏式补偿器可有效缓解水平井筛管的损坏程度。     

基于多弹簧—空间梁有限元模型的海上热采管柱力学分析

海上稠油多元热流体热采过程中,高温、高压环境给作业管柱的安全带来很大威胁,而目前并没有针对多元热流体热采作业管柱的受力分析方法来分析井下管柱受力情况,以进行强度校核和工具设计。本文采用多弹簧—空间梁有限元方法建立了海上热采管柱受力分析模型,解决了作业过程中管柱—井筒非线性接触问题,形成了海上热采管柱力学分析有限元方法,并通过计算软件实例分析了海上某热采井作业过程中管柱结构力学参数,获得了随井深变化的管柱径向位移、摩擦力、轴力及安全系数,为后期热采管柱设计和校核提供方法。     

改善海底大位移水平井钻头综合性能的新途径

在研制大斜度定向井、水平井专用钻头时,一个关键问题就是如何较精确地确定实钻状态下这种钻头在井底的各项受力参数。利用非线性有限元力学方法,编制了一套井下钻头非线性力学分析计算机软件,运用高速度、大容量计算机对井眼内全管柱做了力学分析,较准确地得出钻头部位的各项力学参数,并预测了其后的钻头走向。预测计算结果在一口海上水平井的钻进中得到验证。采用这种计算方法,可为研制新型定向井和水平井专用钻头提供不可缺少的重要参数,也为加快新型钻头的研制开辟了一个新途径。     

水平井钻井过程中井底钻压预测及应用

钻头的性能主要通过机械钻速来评判,而井底钻压是影响机械钻速的主要参数。特别对于水平井,其水平段摩阻大、不易施加钻头载荷,导致井底钻压与地面钻压差异较大,因此计算和测量井底实际钻压非常重要。综合Johancsik模型和Aadnoy 3D模型并考虑管柱的刚度,建立了摩阻扭矩模型。井底钻压的计算分为两步,即先使用钻头空钻数据计算钻柱与井壁间的摩擦因数,然后用所得摩擦因数预测钻井时的井底钻压。同时,在Visual C++2013的集成开发环境下,利用C#开发了井底钻压的计算程序,使用开发的程序对摩擦因数和井底钻压进行了计算。结果表明:计算所得井底钻压在数值和变化趋势方面与实测值吻合较好,钻压计算模型和程序能够依据地面钻井数据准确预测井底钻压。井底钻压计算模型和程序可用于钻井事后分析,也可与常规自动送钻系统集成实现井底钻压的准确控制,从而提高钻头性能和钻井效率、降低钻井成本。     

定向水平井杆(管)柱纵向振动的数学模型

考虑井眼轨迹、杆(管)柱构成及杆(管)柱与管(井)壁的滑动摩擦力,建立了定向水平井杆(管)柱纵向振动的微分方程。分别给出有杆泵抽油系统动态参数诊断、预测,钻进过程中钻柱的纵向振动和起下杆(管)柱时杆(管)柱纵向振动的定解条件。     

水平井裸眼分段压裂完井管柱下入屈曲磨损预测模型及规律

针对水平井裸眼分段压裂完井管柱下入屈曲磨损的问题,使用微元法确定管柱轴力及摩擦阻力,采用能量法计算管柱临界屈曲载荷,根据White和Dason的"磨损效率"模型,建立了全井段管柱定量摩擦磨损量预测模型。基于此,探究了压裂级数、分段间距、油管规格对管柱屈曲及磨损的影响规律。研究结果表明:1压裂级数的提高使管柱中和点上移,每提升10级压裂,中和点约上移13.5 m,而分段间距长度和油管规格提高使中和点下移;2管柱屈曲风险随压裂级数增大而增大,随油管规格和分段间距长度增加而减小,每提升1 m分段间距长度,管柱最大屈曲风险位置的安全系数约提高0.1;3压裂级数与分段间距对管柱全井段磨损量影响较小,而油管规格提高使得管柱全井段磨损深度减小,但磨损面更宽。     

侧钻水平井钻柱摩阻力分析

建立了考虑井壁弹性及钻柱接头影响的侧钻水平井钻柱摩阻力模型,给出了受弹性井壁约束钻柱的三弯矩方程及其数值解法;数值计算表明钻压、井身曲率、地基弹性、钻柱刚度、长度、钻柱与井壁间摩擦系数等因素都影响摩阻力的大小及分布,对于侧钻水平井而言,井身曲率的影响更为显著;该方法可适用中短半径水平井的摩阻力分析,供实际钻井作业参考。     

水平井套管挠曲变形计算

应用能量守恒定律将具有初弯曲的水平井套管柱转化为直管柱，从而简化了套管柱挠曲变形的计算。讨论了相邻两扶正器问套管的力学模型，指出在铰支处应加上弯矩的作用。由此模型可得到水平井套管最大挠度的计算公式。     

抛物线型井眼轨道的数学模型及其设计方法

井眼轨道设计是实现定向钻井的首要环节。下部钻柱比较符合抛物线的力学模型,所钻出的井眼轨迹更接近于抛物线,因此将井眼轨道设计成抛物线具有理论依据。抛物线剖面设计的实质是确定抛物线井段的形状和位置,抛物线的特征参数P决定了其形状,而抛物线井段的起至井斜角或后续稳斜井段的段长等参数决定了抛物线井段在井身剖面中的位置。系统地阐述了抛物线轨道的力学模型和数学模型,分析了抛物线剖面的特征参数和设计条件,提出了2种抛物线剖面的设计方法——迭代法和直接法。在相同的条件下,这2种方法的设计结果是相同的,可以相互验证。但是,直接法不需要进行迭代计算,设计条件具有较好的可操作性,便于推广应用。通过对抛物线剖面的优化设计可以降低摩擦阻力和摩阻力矩,有利于减少钻柱和套管的磨损;可以改善钻柱的受力状况,减轻钻柱的疲劳破坏、减少产生键槽的几率;可以施加高钻压连续钻进,有利于提高机械钻速。     

套管柱稳定性问题研究

自鲁宾斯基50年代提出油井套管柱直立稳定性问题以来,国内外已发表许多论文[1～5],但从理论研究考虑,还应作进一步研究。本文以井口为坐标原点建立基本方程,明确考虑套管柱全长及上下两端约束条件,分析下端轴向力的失稳临界值。对确定临界值的超越方程进行了比较详细的数值研究,所得结果比鲁氏给出的约大15%.关于套管柱内外液压对临界力的影响问题,本文证明了所谓“虚拟力”就是开口管柱临界力与闭口管柱临界力之差,就是管柱下端的封头力。     

可控偏心稳定器钻具组合弹性稳定性研究及其应用

可控偏心稳定器是旋转导向钻井技术中的核心工具之一,结合钻井作业的实际情况,对可控偏心稳定器钻具组合的弹性稳定性进行了研究和分析。运用纵横弯曲梁的理论,建立了管柱在纵横弯曲条件下的挠曲变形方程;运用能量法建立了受压管柱在旋转状态下的弹性变形方程,并且得到了临界钻压的求解方法;通过综合考虑井斜角、钻具自重、扭矩、转速、钻具的几何尺寸、钻压等6个重要因素对管柱临界失稳的影响,推导出了临界钻压的表达式,为合理使用好旋转导向钻井工具,特别是可控偏心稳定器心轴的合理设计和安全使用提供了理论依据,对现场钻井作业有积极的指导意义和借鉴作用。