推靠式旋转导向工具造斜率预测方法

推靠式旋转导向系统可显著地提高钻速、改善井眼条件并大幅度提高井眼延伸长度,代表着现代导向钻井技术的发展方向。为了准确预测和评估推靠式旋转导向工具的造斜率,在常规导向钻具组合力学模型的基础上,考虑推靠块与井壁的相互作用、钻头与地层的相互作用、导向钻具结构等因素影响,建立了推靠式旋转导向工具钻进轨迹预测模型以及"极限造斜率"和"折算造斜率"的计算方法,从"杠杆效应""钟摆效应""推靠效应"的角度揭示了造斜率的影响机理,分析了推靠力、钻压、井斜角、钻头与地层各向异性等参数对造斜率的影响规律。研究结果表明:(1)导向钻具的造斜率是各种效应的综合结果,其中"推靠效应"起主导作用,杠杆效应和钟摆效应起到次要作用;(2)对于推靠式旋转导向钻具,随着钻压增大,杠杆效应所占比例增大,推靠效应所占比例减小,造斜率减小;(3)造斜率与钻具结构参数、推靠力、钻头性能、钻进参数等因素密切相关。结论认为,该研究成果可以为推靠式旋转导向工具造斜率预测以及钻具结构优化设计提供重要的理论基础。     

静态推靠式旋转导向工具造斜率预测分析

旋转导向钻井技术是目前钻井工程技术领域研究的热点之一。为准确认识静态推靠式旋转导向工具在给定导向力等钻进参数作用下的造斜能力,根据工具导向特点,对翼肋推靠井壁进行受力分析,考虑翼肋随非旋转套转动时所受的切向阻力作用,修正了翼肋导向合力计算模型;在钻进趋势预测模型的基础上,进一步建立了推靠式旋转导向工具造斜率预测方法。通过采用纵横弯曲梁法求解静态推靠式旋转导向底部钻具组合钻头力学特性,并考虑钻头切削各向异性指数,编程实现了静态推靠式旋转导向工具造斜率的定量预测计算。与现场试验数据对比发现:建立的造斜率预测误差在±0.5°以内,方位变化率预测值较不考虑翼肋与井壁间摩擦时更加符合实际方位变化率,预测结果与实钻井眼轨迹数据的对比验证了造斜率预测方法的合理可行性,为下一步进行井眼轨迹调控指令的准确制定提供了依据。     

近钻头变径稳定器导向钻具造斜特性研究

为提高现有导向钻具组合井眼轨迹控制能力,针对近钻头变径稳定器导向钻具造斜特性开展了研究。根据纵横弯曲梁法和三弯矩方程,考虑钻具结构弯角和变刚度管柱的影响,建立了带近钻头可变径稳定器的导向钻具组合力学特性分析模型,采用单因素法,对各种条件下近钻头可变径稳定器外径对钻具造斜能力的影响进行分析。分析结果表明,近钻头可变径稳定器外径对钻具造斜能力影响显著,在所研究的参数范围内,钻具长度和井径扩大率对复合钻进造斜率的影响较为明显,上稳定器和钻压的影响次之,螺杆钻具结构弯角对复合钻进造斜率的影响最小。最后根据研究结果并结合现场实际工况,设计并研制出了井下遥控式近钻头可变径稳定器导向钻具。     

偏置工具后置式旋转导向系统导向性能分析

对新提出的偏置工具后置式旋转导向系统的导向机理、导向性能及其影响因素等做了理论分析 ,由此得出 5点结论 :(1)偏置工具后置导向的造斜能力随钻压的增加而减小 ,通过控制钻压可在一定程度上控制工具的造斜率 ;(2 )偏置工具后置导向的底部钻具组合中 ,应使偏置工具与近钻头稳定器间的距离保持在 6m以上 ,按常规钻具选配 ,其间可接 1根 (约 9m)钻铤 ;(3)不论增斜还是降斜 ,偏置工具后置的导向能力远优于前置方式 ;(4)近钻头处的钻压、弯矩、冲击、振动等是整个底部钻具组合中最强的 ,将偏置工具安放于工作环境相对较好的后置位置 ,可改善偏置工具的工作条件 ,减少其非正常损坏的几率 ;(5 )偏置工具后置在非导向状态下 ,其柔性钻铤以下的底部钻具组合相当于一套稳斜或微增斜钻具组合 ,符合导向钻具组合的施工需要。     

推靠式旋转导向工具造斜能力影响因素

旋转导向工具相比于滑动导向工具具有机械钻速快、摩阻扭矩小、水平位移延伸能力强、井眼轨迹易调控等优点。推靠式旋转导向工具引入国内市场后,总体应用情况较好,但在部分地区也出现了工具造斜能力不足的问题。根据底部钻具组合纵横弯曲梁方法,建立了推靠式旋转导向工具变截面BHA力学模型以及井斜趋势角分析模型,并在此基础上分析了BHA结构参数、钻压、钻头各向异性和岩石可钻性对工具造斜能力的影响规律。分析结果表明,偏置力、第1跨钻柱长度及外径、第2跨钻柱外径、钻头侧向切削能力对工具造斜能力的影响较大。根据分析结果对推靠式旋转导向工具的底部钻具结构进行了优化,在塔中地区取得了较好的应用效果。     

指向式旋转导向工具造斜能力影响因素研究

国内对于指向式旋转导向工具造斜能力的研究较少,如果不了解指向式旋转导向工具造斜性能的影响因素,施工中就不能充分发挥其轨迹控制能力。根据底部钻具组合纵横弯曲法,分别建立了工具外筒及心轴纵横弯曲连续梁模型,并根据导向原理,建立了井斜趋势角分析模型,在此基础上分析了BHA结构参数、钻压、钻头 各向异性和岩石可钻性对工具造斜能力的影响规律。分析结果表明,心轴第一跨和第二跨长度、偏置机构位置及偏置力大小对指向式旋转导向工具的造斜能力影响较大：指向式旋转导向工具的造斜能力不易受地层环境的影响,相对于推靠式工具更加稳定,适用范围更广。     

滑动钻进造斜率预测与分析

滑动钻进工况下造斜率的准确预测是钻井工程面临的难点问题。首先利用加权余量法,建立了导向钻具组合的三维力学模型,得到了滑动钻进过程下钻头机械载荷及导向钻具组合的摩阻分布;其次考虑滑动钻进过程中工具的造斜特性,建立了零侧向钻速准则下的滑动钻进造斜率预测模型及折算系数反演方法;最后利用一口页岩气水平井钻井数据,反演计算了该井造斜率折算系数,验证了滑动钻进造斜率预测模型的精度,并分析了钻井参数、轨迹参数、钻头切削特性、工具结构等对工具造斜率和摩阻的影响规律。研究结果表明:滑动导向模式下,通过适当增加工具结构弯角、降低钻压、提高钻头侧向切削能力等,有利于发挥工具的造斜性能,提高滑动钻进效率,为导向钻井参数优化、工具结构优化设计及井眼轨迹控制等提供重要依据。     

推靠式和指向式旋转导向工具的造斜性能研究

旋转导向工具是目前最先进的定向工具,对旋转导向工具造斜性能的研究有助于旋转导向的研制和应用。通过分析钻头在侧向力和转角作用下的导向机理,结合钻头的性质和旋转导向的原理,对两种工具的导向性能进行了分析。分析结果表明:推靠式旋转导向系统需要侧向攻击性能强的钻头与之匹配,可以准确快速地调节井眼轨迹,在软地层和小钻压条件下可以达到较高的造斜率;指向式旋转导向系统适合于长保径钻头以引导钻压指向钻头转角方向,其造斜效果受其他因素影响较小,造斜率稳定,井眼轨迹可预测性好。实际旋转导向工具的使用证实了上述分析结果。     

预测弯外壳导向钻具钻井造斜技术

预测弯外壳导向钻具钻井造斜率，合理控制井身轨迹，在定向钻井施工中非常重要，掌握导向钻具的结构参数和造斜能力，是定向钻井成败的重要因素。文中分析了单弯单稳定器导向钻具和同向双弯单稳定器导向钻具的钻井施工设计原理，指出为提高弯外壳导向钻具钻进时的“自由状态”造斜率，应增大弯角与缩短拐点至钻头底面距离，设计中应考虑钻头长度，增大拐点上部稳定器位置和建议把弯外壳单稳定器导向钻具设计成对称状态等。     

井下稳定器安放位置调节器的研制与应用

井下稳定器安放位置调节器是斜井旋转钻井时实施井斜连续控制的专用工具, 安装在钻头与钻铤之间。正常钻进时, 稳定器至钻头的距离保持不变, 钻具造斜性能相对稳定; 停钻后,通过调整泵压可使稳定器至钻头的距离变长, 也可通过调整钻压使稳定器至钻头的距离缩短, 此伸缩值可由井口测出。现场应用情况表明, 这种调节器能够由地面简单操作改变井下稳定器的安放位置, 使下部钻具结构和造斜性能发生变化, 从而实现井斜连续控制, 避免了反复起下钻和重新组配钻具组合, 具有良好的推广应用前景。     

柔性短节对推靠式旋转导向底部钻具组合造斜能力的影响分析

推靠式旋转导向底部钻具组合（ＲＳＢＨＡ）中普遍带有柔性短节结构。为准确认识柔性短节对推靠式ＲＳＢＨＡ造斜特性的影响,进而优化柔性短节以提高推靠式 ＲＳＢＨＡ造斜能力,文章通过建立推靠式 ＲＳＢＨＡ纵横弯曲梁力学分析模型,考虑钻头的切削各项异性,给出了 ＲＳＢＨＡ造斜率预测方法,分析了柔性短节位置及长度对于推靠式旋转导向双稳定器 ＢＨＡ造斜能力的影响规律。结果表明,相较于无柔性短节的 ＲＳＢＨＡ,柔性短节置于下稳定器之后可以提高 ＲＳＢＨＡ的造斜能力,距下稳定器位置越近,ＲＳＢＨＡ造斜能力越强;稳定器间距不变时,随柔性短节长度增加,ＲＳＢＨＡ造斜能力先增加后有所降低,存在一个最优柔性短节长度使造斜能力达到最大;随着两稳定器间距的扩大,最优柔性短节长度随之增加,并与两稳定器间距呈线性变化关系;而最优柔性短节长度在不同钻压、翼肋导向力条件下保持不变。     

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斜井旋转钻进中,井斜控制主要由稳定器与钻铤组成的增斜、降斜、稳斜钻具来实施。文中通过下部钻具力学分析,应用近期研制的“井下稳定器安放位置调节器”组配的钻具组合,在正常钻井时,稳定器到钻头距离保持不变,钻具井斜性能相对稳定;停钻后,通过地面调整泵压或钻压来改变调节器伸缩量,使井下稳定器到钻头距离和钻具井斜性能发生变化。经现场应用表明,这种调节器能够由地面简单操作改变井下稳定器的安放位置和钻具井斜性能,避免起下钻重新组配钻具组合,可实现斜井旋转钻时的井斜连续控制。     

液力井斜控制-减振-推进器

为便于控制井眼轨道、延长钻具的使用寿命和简化钻进操作，提出了液力井斜控制－减振－推进器，该钻具具有井斜控制、减振和推进三大功能。通过调节钻压与泵压的关系，工具可实现伸出和缩进，从而调节稳定器之间和稳定器与钻头之间的距离，改变钻具组合的造斜特性，达到不起下钻就可改变下部钻具造斜特性的目的。此外，在钻进时还可根据需要，通过钻具的液力推进功能使钻头钻进，而不必由地面连续送钻。在此过程中，钻头的纵向振动主要传递给钻井液，而传递到上部钻具的纵向振动很小，具有良好的减振作用。     

扩眼器在定向造斜段的应用可行性研究

随钻扩眼器可有效扩大下部井眼直径,对于优化井身结构、提高完井质量、提高钻进效率、降低后续作业风险具有重要意义。随钻扩眼时该工具相当于一个满眼扶正器,在直井段工作时扩眼器具有防斜作用,但在定向段随钻扩眼时该工具将改变常规造斜钻具的造斜特性,因此该工具在定向造斜段应用的可行性需要研究。以一套常用造斜钻具为例,计算了其初始造斜率以及直接扩眼工况和随钻扩眼工况的造斜率,发现使用扩眼器后对原有钻具组合的造斜特性影响很大。为达到原有造斜要求,通过单独和组合调整BHA参数(主要有螺杆钻具弯角、上稳定器外径、上稳定器距离钻头距离等)获得与原有BHA造斜特性基本相当的多种方案,这说明扩眼器可在既定的造斜要求下完成定向随钻扩眼钻进施工。     

静态式可控偏心器旋转导向钻井工具造斜能力分析

介绍了静态式可控偏心器旋转导向工具的结构和造斜原理,对比分析了该结构在旋转导向钻井中的优越性.通过BHA力学分析确定钻具组合的结构,计算相关影响因素作用下钻头力的大小,根据岩石非均匀破碎模型预测了导向工具的造斜能力.     

逆掩推覆体防斜打快钻具组合探索与认识

逆掩推覆体地层具有斜、硬、跳、磨、变等特点,常规的钟摆降斜钻具既不能使用大钻压加快钻井速度,又不能有效地控制井斜,在坚硬的地层中只能轻压吊打,严重制约了钻井速度,增加了钻探成本。为加快窿9井在逆掩推覆体地层中的钻进速度、控制井斜,探索性地应用了多稳定器稳斜钻具和MWD +导向钻具、偏轴钻具和悬浮钻井,结果表明,3种钻具组合都能够达到解放钻压,提高机械钻速的目的,但控制井斜的效果不太理想。分析了井斜控制不理想的原因,提出了利用地层自然造斜规律,通过钻定向井来解决逆掩推覆体地层钻井速度慢的难题。     

单弯双稳导向钻具组合复合钻进稳斜能力分析与优化

为解决单弯双稳导向钻具组合长时间复合钻进时实钻井眼轨迹偏离设计井眼轨道的问题,对单弯双稳导向钻具组合的稳斜能力及其影响因素进行了分析。根据底部钻具组合复合钻进导向力的拟动态计算模型,编制了相应的计算机程序,模拟计算了钻具组合结构参数、井斜角和钻压对单弯双稳导向钻具组合复合钻进稳斜能力的影响规律。结果表明:第一稳定器如果外径过小,在复合钻进中将处于悬空状态,失去支撑井壁的作用;随着第二稳定器外径的增大,单弯双稳导向钻具组合复合钻进的钻头井斜力减小;螺杆弯角、井斜角和钻压对单弯双稳导向钻具组合复合钻进的钻头井斜力影响均不显著。根据模拟计算结果,对南堡13-斜1025井稳斜段所用单弯双稳导向钻具组合进行了优化设计。实钻结果表明,采用优化设计的钻具组合复合钻进时稳斜效果很好,井斜变化率只有0.18°/30m。这说明,根据各因素对复合钻进稳斜能力的影响规律,对单弯双稳导向钻具组合进行优化设计,可以提高其稳斜能力。      

垂直钻井系统配合单稳定器力学性能研究

国内外研发的垂直钻井系统在防斜快速钻进过程中表现出良好的优越性,在高陡构造地层得到了越来越广泛的应用。在充分调研垂直钻井系统配合单稳定器钻具组合的结构特征和工作原理的基础上,应用三弯矩方法建立了垂直钻井系统配合单稳定器钻具组合的力学模型,推导出钻头侧向力和钻头转角的计算公式,编制了计算程序,采用宣页1井的现场施工数据进行数值求解,分析了垂直钻井系统导向块与稳定器配合位置、井斜角、井眼扩大率、钻井液密度、稳定器外径、钻压、井眼曲率等因素对垂直钻井系统配合单稳定器钻具组合造斜特性的影响规律,并以井斜趋势角为衡量参数,讨论了主动力与最大钻压的关系。     

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。     

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.