钻柱力学研究现状及进展

钻柱力学是井眼轨道设计和控制、钻柱设计及钻井参数优选的基础。从钻柱力学问题的提出、研究目标、研究方法、钻柱的运动状态、钻柱动力学基本方程、钻柱的拉力扭矩、钻柱的弹性稳定性、底部钻具组合受力、钻柱振动与涡动等方面分析了钻柱力学的发展状况。钻柱力学已经形成了比较完整的理论体系。钻柱静力学发展快，计算精度高。动力学发展则滞后较大，还有很多问题没有解决。结合现代钻井技术的发展趋势，对钻柱力学研究的未来走向做了初步探讨。基础理论研究、系统控制论理论与研究方法、动态特性测试及虚拟仿真技术将在钻柱力学的未来发展中扮演重要角色。     

PDC切削齿受力的试验研究

为找出影响PDC切削齿受力的因素及一般规律,利用PDC切削齿对多种岩样进行切削试验,通过模拟实际钻井中不同的切削断面形状、重叠切削状态及磨损状态,研究了切削面积、接触弧长、岩石抗钻强度、切削齿磨损高度等因素对PDC切削齿受力的影响规律。结果表明,在切削面积相同的情况下,切削齿受力随接触弧长、岩石可钻性极值、切削齿磨损高度分别呈线性、幂函数和指数函数趋势增长。基于试验结果,并结合后倾角的变化规律,引入弧长系数、磨损高度系数,建立了PDC切削齿受力模型,这为PDC钻头设计及合理使用、复合材料合成工艺等提供了参考依据。     

磨损套管抗挤强度计算模型

套管磨损后其承载能力降低,因此对磨损套管进行抗挤毁能力预测或评估就显得尤为重要。采用数值模拟和实物试验相结合的方法,系统分析了磨损套管的挤毁失效机理、影响抗挤强度的因素及影响规律。分析得出,月牙形磨损套管的挤毁属"三铰"失稳,严重磨损处首先屈服进入塑性区并产生很大变形,从而导致整体结构发生弹塑性失稳。磨损套管的抗挤强度随剩余套管壁厚、磨损半径和轴向载荷分别呈指数、幂函数和线性函数式变化。以此为基础,从未磨损套管实际抗挤强度计算入手,建立了完整的磨损套管抗挤强度计算模型,并对模型进行了试验验证,试验结果表明,模型计算值与试验实测值的相对误差在5%以内。所建立的磨损套管抗挤强度计算模型可用于磨损套管和未磨损套管抗挤强度的预测和评估。      

硬地层PDC钻头设计的探讨

目前的PDC钻头只能有效地钻进软到中硬的比较均质的地层 ,而在硬的、研磨性和软硬交错等非均质地层中 ,或钻速低 ,或寿命短。为此 ,研究分析了剖面形状、切削齿布置、切削齿工作角、副切削齿等设计对PDC钻头性能的影响 ,提出了以同时加强钻头的稳定性、耐久性和钻进能力为目标的设计观点和建议。研制的新型PDC钻头采用了短抛物线形剖面和楔形人造聚晶金刚石孕镶块辅助切削齿结构 ,中密度布齿 ,切削齿后倾角由内向外在 10～ 15°范围内变化。试验表明 ,与牙轮钻头相比 ,PDC钻头钻速提高了 5 9 6 % ,每米钻井成本降低了 2 6 %。     

钻杆与套管摩擦磨损的试验研究

模拟井下工况,利用钻杆/套管摩擦磨损试验机试验分析了摩擦行程、钻井液黏度、接触载荷和钻杆转速等因素对套管磨损的影响规律。得出套管磨损量与摩擦行程、磨损率与接触载荷均呈现近似的线性关系;接触力增大,摩擦因数总体上有增大的趋势;增加钻井液黏度可以使摩擦因数有所降低,但不能大幅降低套管磨损;钻杆转速超过140r/min时,转速增加引起的摩擦副振动逐渐加剧直至共振,导致套管磨损率出现较大幅度的上升。该研究成果为钻井参数优选、套管磨损预测和减磨优化设计提供了参考依据。     

深井和大位移井套管磨损程度预测

为提高套管柱强度设计准确性,防止磨损失控情况发生,深入分析了套管磨损预测技术。结合定向井钻柱力学研究成果,考虑钻柱刚度和屈曲的影响,推导了深井和大位移井的钻柱拉力-扭矩方程,建立了基于能量原理的套管磨损程度预测模型,并编制了预测软件。该预测软件可以预测包括钻进、起下钻具等作业过程的,不同套管柱层次、钻具组合、井眼轨迹、钻井液类型和钻井参数等情况的全井段不同井深所对应的套管磨损量。实例计算结果表明,编制的预测软件减小了人为的估计误差,预测值更为准确可靠。研究成果为深井和大位移井安全高效钻进提供了新的技术支持。      

水泥浆胶凝失重与套管轴向拉力关系实验研究

水泥浆固化过程是固井工程的重要环节。水泥浆固化好坏直接影响固井质量,继而影响整个钻井工程质量。在水泥浆固化过程中,浆柱压力降低会增加上部套管的拉力,这是导致油、气、水窜及套管早期损坏的主要原因。设计了水泥浆固化过程中套管载荷测试的实验装置,模拟井下不同工况,研究了水泥浆密度、水泥环长度、添加剂以及地层环境等因素对套管顶部应力的影响,得出套管轴向拉力随水泥浆凝固时间增长先增加后降低、最后稳定的规律,为水泥浆体系配方优选、改进注水泥施工工艺等提供了参考。     

油气井套管磨损规律试验研究

为增强油气井套管减磨设计的针对性,对套管磨损规律进行了试验研究。利用模拟井下工况的钻杆/套管摩擦磨损试验机,通过改变试验载荷,首先分析了接触力对套管磨损的影响;再以S45C、S55C、N80和P110等钢级套管在不同密度钻井液中进行试验,对比分析了各材质套管在不同加重剂条件下的磨损特性。试验发现:在非加重钻井液中,套管的磨损率普遍较高;随着钻井液密度增大,套管磨损率先快速降低后又缓慢上升;重晶石粉与铁矿粉的质量比为2:1时,加重剂的减磨效果最显著。研究表明:套管磨损率与接触力呈近似线性关系;将接触力控制在一定范围内并合理选配加重剂和套管材质,可使套管磨损降至最低水平;套管磨损效率与其抗拉强度和屈服强度的比呈幂函数关系,并给出了计算套管磨损效率的经验公式。该研究结果可为套管磨损预测提供依据。