大位移井减阻工具合理安放位置研究

大位移井技术因其具有巨大经济效益并能够满足特殊作业的目的而得以迅速推广应用，但水平井段摩阻扭矩又成为了制约大位移井推广应用的关键因素。为了减少大位移井摩阻扭矩的目的，首先根据用测斜数据，应用3次样条函数拟合井眼轨迹。将多维井段装有减阻工具套管柱作为类连续梁，并考虑弯曲载荷的影响，综合考虑了井斜角、方位角以及套管柱自身几何参数等多因素对套管柱挠曲变形综合影响，以此建立大位移井不同井段套管柱力学模型，完善了部分国外学者计算套管柱挠度“软模型”的不足；进而给出了优化大位移井减阻工具合理安放位置理论计算方法。     

水平钻井振动减阻器参数优化设计

水平井是开发各类非常规油气资源的主流井型技术,现场实践表明,在钻柱上安装振动减阻器可大幅度降低管柱摩阻,有效缓解钻进过程中的频繁托压问题,有助于提高机械钻速。但是,目前针对减阻工具的优选和使用仍然是基于现场的经验,缺乏有效的理论方法指导。为此,首先建立了带振动减阻工具的钻柱动力学模型,揭示了不同振动减阻参数下的减阻规律。然后以提高减阻效率为目标,结合振动传播距离模型与反扭矩作用距离模型,并考虑钻柱疲劳失效以及水力能量损失等约束条件,建立了振动减阻工具激励参数与安装参数的优化设计方法。研究结果表明：(1)减阻器激励力幅值、减阻器的数量和安装间距是影响减阻效率的主要因素;(2)随着减阻器激励力幅值增大和安装数量增多,减阻效率不断提高,多个减阻器振动传播范围相互独立时其减阻效率高于交叉重叠情形;(3)当减阻器激励力幅值过大时,存在管柱疲劳失效的风险,当减阻器数量过多时,存在水力能量损耗过高的风险。结论认为,利用该方法优化减阻器后,减阻效率可由原来的10.2%提高至40.1%,该方法可以有效指导减阻工具激励参数与安装参数优化,有助于支撑长水平井滑动钻进降低管柱摩阻,显著提高钻机机械钻速。     

定向钻井电控式扭矩离合控制工具研制与应用

旋转导向工具由于尺寸大，在钻井过程中井壁不稳定时容易发生卡钻、埋钻等复杂故障，处理难度大，现场应用受到一定限制。针对这种情况，文章研究了一种适用于定向钻进过程中的电控式扭矩离合控制工具。该工具在定向过程中可以将下部钻具与上部钻具的扭矩进行分离，实现上部钻具随钻盘低转速旋转送钻，下部钻具与螺杆工具配合滑动定向钻进。该工具由两部分组成：地面信号下传单元和井下信号接收及离合控制单元。井下信号接收及离合控制单元安放在近钻头位置，地面信号下传单元通过钻井液将信号传递到井下，离合控制单元接收指令后，用电液控制方式执行钻柱扭矩分离与结合动作。该工具使用的关键点是安放位置和反扭矩的控制，通过对下部钻具摩阻扭矩的分析，运用Landmark软件计算工具安放位置，抗反扭矩工具可抵抗并吸收螺杆钻具的反扭矩。现场应用表明，该系统可有效缓解托压，降摩减阻，稳定工具面，提高钻压传递效率，较大幅度提高机械钻速，实现低成本代替旋转导向工具，具有广阔应用前景。     

基于旋转激励的钻柱激振减阻工具的研制

为解决大位移钻井过程中钻柱与井壁间摩阻和扭矩大的问题,研制了JZJZ-1型钻柱激振减阻工具。该工具以螺杆马达为动力来源,利用螺杆马达带动激振机构旋转产生激振力,周期性减小钻柱作用于井壁上的正压力,达到减小钻柱与井壁摩阻的目的。试验结果表明,测试过程中激振减阻工具振动强烈,在排量15 L/s时,工具激振频率为10.4 Hz,激振力达到1 300 N,工具压耗在可以接受的范围内,设计的激振减阻工具满足要求,为大位移井提速提供了技术支撑。     

滑动钻进中顶驱扭摆减阻控制技术研究

国内顶驱扭摆减阻技术尚不成熟,作业过程中设置的扭矩极限和扭转角度仍然依靠经验获取,与井下实际情况有误差,导致顶驱扭摆作业不能在安全的范围内发挥最佳效果。为此,建立了一种适用于扭摆减阻工艺的摩阻扭矩计算模型,并在此基础上开发出一套摩阻扭矩分析软件,制定了闭环扭摆减阻工艺实施流程。将软件应用于L26-1井和D202井,软件计算结果与实际测试结果误差较小,均在10%以内,符合现场实际钻井作业要求。研究的顶驱扭摆减阻控制技术能够安全高效地指导扭摆减阻作业,可有效解决滑动钻进过程中的托压问题。     

可旋转钻柱定向钻进工具设计及测试

针对滑动定向钻进时摩阻高、机械钻速低的技术难题,设计了一种滑动定向钻进时可旋转钻柱的降阻工具RSD,建立了底部钻具组合扭转动力学模型,分析了RSD扭矩及RSD安放位置对于螺杆钻具工具面角的影响规律。利用可模拟螺杆反扭矩振动的试验装置,进行了RSD原理样机室内测试,并利用测试井进行了RSD原理样机现场测试。理论分析及测试结果表明,RSD工作原理可行、结构设计合理,在钻柱旋转时可以稳定和调节螺杆钻具的工具面角。研究认为,利用RSD既可以实现螺杆钻具滑动定向钻进,又可以旋转RSD以上的钻柱,降低摩阻。      

HPAM溶液流变性与减阻关系

通过研究不同浓度、不同分子量的HPAM溶液的流变及摩阻性能,建立了一个聚合物溶液摩阻系数方程。测试了5种不同浓度、4种不同分子量的HPAM溶液的稳态剪切黏度、触变性、流动曲线等流变性能;并分别测试其在管内径为0.77 cm,流量为3～9 L/min的压差数据,计算得摩阻系数数据,分析了聚合物分子量、聚合物浓度等对溶液减阻的影响,建立了聚合物溶液摩阻系数f和广义雷诺数Re及聚合物溶液流型参数n之间的摩阻系数方程。      

南海东部惠州油田大位移井减摩减阻技术浅析

大位移井具有水平段长、井斜角大及裸眼稳斜段长的特点,钻井过程中井下钻柱承受的摩阻扭矩远高于常规的直井和定向井。因此,钻井过程中控制摩阻、扭矩在合理的范围是成功地钻成大位移井的关键点。分析了南海东部惠州油田大位移井钻完井作业中的减摩减阻技术在现场的应用效果,结果表明该减摩减阻技术能显著降低大位移井钻完井过程中的摩阻与扭矩,可有效降低钻井作业风险。     

振动减摩阻工具振动参数及安放位置研究

为了解决振动减摩阻工具缓解定向托压时效果不稳定的问题,研究了该工具的振动参数及安放位置。在分析托压机理的基础上,从振动管柱的受力分析入手,讨论了振动参数优选与振动减摩阻工具振动源安放位置优化的问题;以典型的三段式（直—增—稳）井眼轨道为例,编制软件对振动源安放位置的影响因素进行了模拟分析。根据理论探讨和模拟分析结果提出的振动源安放位置的优化方法,在定向井C26-12X井进行了现场试验,证明了安放位置计算方法的合理性。理论分析和现场试验结果表明,振动源输出的激振力与井身结构等因素共同影响其在钻具中的受拉极限位置和受压极限位置;提高工具输出激振力可增大有效作业范围;设计振动源的振动频率时,优先选用10 Hz以内的振动频率以延长管串使用寿命;定向中轴向力、侧向力和摩阻相互影响,下部钻柱摩阻会使钻柱整体摩阻增大,振动减摩阻工具应优先安放在靠近钻头的位置。      

大斜度井钻柱动态摩阻扭矩快速求解方法

中国正在逐渐加大滩海油气资源的开采力度，大斜度井是滩海油气开采的主要井型，大斜度井极限延伸钻进长度在很大程度上决定了其开采效益。钻前与钻井过程中摩阻扭矩的精准预测和准确快速计算是确保大斜度井极限延伸钻进的关键。目前基于有限元框架的动态摩阻扭矩计算方法，既能计算稳态摩阻扭矩又能计算瞬态波动量，同时与解析解相比，还可以更好地处理边界条件，有效提高摩阻扭矩的计算精度，但计算速度慢，现场使用不便。为确保动态摩阻扭矩的计算精度并提高计算速度，笔者基于大斜度井动态摩阻扭矩参数敏感性分析和相似度原理，建立了各系统参数影响摩阻扭矩的快速插值模型，并开发了一套高精度和高计算效率的摩阻扭矩计算软件，该方法和软件已在冀东油田的大斜度井中推广应用。     

摩阻扭矩装置钻柱稳定性分析及可视化应用

钻进过程中钻柱的非线性屈曲影响着摩阻扭矩试验装置的安全和平稳运行。针对现有的水平井摩阻扭矩试验装置,基于动力学软件ADAMS,结合力平衡理论和相似理论,建立了与真实试验装置具有一致钻井参数的水平井段钻柱-井壁动态非线性接触模型。研究了不同钻压下钻柱在井筒中的运动状态与钻柱系统各测点的偏移量,通过分析得到钻柱屈曲的临界预警钻压为29 N,进一步保证了装置的安全运行,提高了钻柱摩阻扭矩装置的试验效率。另因钻柱系统在井筒中的钻进过程难以观测,结合仿真结果,基于Keyshot软件重现了井下钻具组合钻进过程,实现了井下钻柱系统工作状态的可视化。在试验和理论相互补充、支撑的同时便于利用该装置针对钻柱摩阻扭矩开展更深层次的研究。     

钻柱拖扭阻力的计算分析

考虑钻柱主要部分的刚度，对水平井乃至其它井中的整个钻柱的拖扭阻力，进行深入分析，提出了系统的计算模型、方法及其功能与适用范围，并对起下钻及钻进时的大钩载荷、摩阻、水平段长度设计、井身优化等问题，进行了计算分析。     

大位移井摩阻扭矩力学分析新模型

钻前的摩阻和扭矩分析是大位移井可行性研究、钻机设备选择或升级改造以及优化井眼轨迹剖面设计的重要依据，对比预测的摩阻扭矩和实测的摩阻扭矩，可以监测井筒清洗程度，预防严重事故的发生。为此，建立了一种大位移井摩阻扭矩力学分析新模型。对于井眼轨迹曲率不同的部分及钻柱刚度不同的部分，采用不同的计算模型，这将提高模型的计算精度；钻柱的某个部分采用何种模型不需人为指定，而完全由程序自动判断控制，这将增强模型的适应能力。考虑底部钻具组合（BHA）中稳定器的影响，将底部钻具组合作为纵横弯曲梁模型，采用加权余量法进行力学分析；考虑钻柱的刚度和井斜、方位的变化，对于除底部钻具组合的钻柱其余部分，由程序根据井眼轨迹曲率及钻柱刚度的大小，自动选用软绳分析模型或刚杆分析模型。     

径向振动对旋转钻柱摩阻扭矩的影响

大位移井已被广泛应用于非常规油气资源的勘探开发当中，但在大位移井大斜度稳斜段钻进过程中，如果扭矩过大易造成钻柱失效，而目前关于水平段径向振动对于旋转钻柱摩阻扭矩影响规律的研究则较少，并且多集中于产生径向振动工具研制和摩擦系数测量等方面。为此，在分析径向振动对于旋转钻柱摩阻扭矩影响原理的基础上，设计了不同型号截面外形为椭圆形的钻杆减磨接头模型；采用自行研制的减摩降扭工具性能试验装置，对不同钻速、转速条件下安装有不同钻杆接头模型的水平旋转钻柱进行扭矩测试；进而探究了径向振动对钻柱摩阻扭矩的影响规律。研究结果表明：①随钻杆接头椭圆截面长短轴半径比的增大，扭矩均值和扭矩波动最大幅值均先减小后增大，长短轴半径比为1.065时，扭矩的均值和最大幅值均明显降低，可以起到减摩降扭的作用；②减小钻速和转速，可以降低扭矩均值；③转速超过45 r/min后，扭矩最大幅值随转速的增加变化不大；④扭矩波动基频与转速呈近似线性关系，与钻速和长短轴半径比无关。结论认为，该研究成果可以为大位移井水平井钻柱接头设计与应用提供帮助。     

钻柱拉力扭矩模型在侧钻水平井中的应用

在油气井作业中,由于钻柱和井壁接触所产生的轴向阻力和扭矩损失对钻井和修井作业均有很大的影响，甚至成为作业成败的关键。钻柱的拉力和扭矩分析是水平井和大位移井设计和施工的重要内容。为此，介绍了钻柱拉力扭矩分析的数学模型、钻柱稳定性判别方法和屈曲后的附加压力和附加应力的钻柱强度校核方法。对钻进过程中的G104-5CP12侧钻水平井钻柱的各种运动状态进行了力学分析。计算表明，在正常施工过程中钻柱一直处于稳定状态，具有比较大的安全系数。     

拟悬链线轨迹设计方法及其摩阻扭矩评价

在大位移井钻井过程中,摩阻、扭矩是制约其水平位移延伸长度的关键因素,大位移井井身剖面的优化设计是减少摩阻扭矩、增加水平延伸距离的重要技术措施。拟悬链线剖面在减少摩阻扭矩和增加管柱的可下入性方面展现出一定的优势。通过微积分方法,建立了拟悬链线轨迹井身参数的计算模型,寻找到保证拟悬链线轨迹剖面在工程上和几何上都有意义的参数输入范围,并对不同轨迹类型(拟悬链线剖面、"直-增-稳"剖面、悬链线剖面)的摩阻、扭矩进行了比较分析。结果表明,对于水平位移较长的大位移井,拟悬链线轨迹能够减少摩阻扭矩,由于曲线井段占总井深的比例不大,通过改变剖面类型减少摩阻扭矩的作用有限,但悬链线设计为大位移井剖面设计提供了一种新的设计方法。     

水力加压器在钻井施工中的作用

使用水力加压器的目的是为了实现液体加压和减少钻具的振动,目前对于减少钻具与井眼的摩阻问题存在争议,尤其在斜井及水平井中的使用更是值得关注。根据工具的特点和力学分析认为,当活塞下行至下死点时,立管压力表数值的减小是由于钻具伸长（或者说钻具弯曲度减小）。井眼中的钻具不能简单看作为刚体,应作为曲体对待,只要钻具弯曲度减小,就可使钻具与井眼的摩阻得到改善。     

垦东405-平1大位移井摩阻扭矩预测及分析研究

为了分析垦东405-平1大位移井钻井施工的可行性，预测起下钻、下套管和钻进时的摩阻、扭矩，分析了各种摩阻扭矩计算模型的优缺点，选择了计算方法可靠、适合于现场应用的软模型，但考虑到大刚度管柱在高曲率井眼中的摩阻扭矩计算误差较大，引入了附加刚性力的概念对其进行了修正，通过管柱力学平衡方程建立了摩阻扭矩计算的修正硬模型。根据该井二开和三开下套管过程中大钧载荷与套管下深关系的预测结果和实测结果的对比情况，所建模型可以满足现场工程要求，且预测结果可指导大位移水平井的施工。     

钻柱摩阻扭矩智能实时分析与卡钻趋势预测

钻柱摩阻扭矩的实时分析对提高钻井效率、规避钻井卡钻风险具有重要作用,目前摩阻扭矩分析以钻前预测为主,但钻井过程中摩阻扭矩的实时分析尚不成熟。针对当前井底钻压扭矩预测不准、钻柱摩阻系数的确定存在盲目性等问题,提出一种钻柱摩阻扭矩智能实时分析方法。该方法利用神经网络模型实时计算井底钻压扭矩,结合摩阻扭矩刚杆模型采用二分法实时反演摩阻系数,准确分析钻柱受力。考虑到钻柱摩阻系数在一定程度上表征钻柱卡钻趋势,进一步利用该方法对钻井卡钻趋势进行预测。将该方法应用于现场数据,发现某井钻柱摩阻系数在6 000~6 100 m区间整体呈现逐渐增大的趋势,且在6 100 m处附近,钻柱摩阻系数从0.35附近陡增至0.75,变化极为剧烈,说明即将发生卡钻。经过对该井的钻井日志查证,该井在6 100 m处附近蹩停顶驱钻具卡死。说明利用该方法对卡钻趋势进行预测具有良好的效果,便于现场实时调整钻井参数,有效规避卡钻风险,提高钻井效率。     

大位移井摩阻和扭矩分析及其对钻深的影响

对不同垂深、不同位移的大位移井在钻井和下套管过程中的摩阻和扭矩分析表明,采用水基钻井液能够钻成位移小于3000m的大位移井,且可以下入178mm套管;位移大于4000m、且垂深在1000m左右的大位移井,需要使用油基钻井液,且只能下入178mm尾管;位移大于5000m的大位移井,必须使用油基钻井液,178mm套管下入有一定难度,且在垂深较小时,需要使用部分139.7mm钻杆和倒装钻具。分析了不同垂深条件下的大位移井钻井极限,随着井深增加,制约大位移井钻井极限的因素由滑动摩阻转为钻柱强度。