钻具屈曲影响下的管柱摩阻扭矩分析

现有摩阻扭矩分析模型，常采用单一的刚杆或软杆模型，且鲜有考虑钻具屈曲的影响，预测结果与实测值存在较大误差。文章针对钻具的不同受力特点，分别采用软杆模型、刚杆模型和连续梁模型，在综合考虑钻具屈曲影响下，建立了考虑钻具屈曲的摩阻扭矩分段计算模型，通过模型计算值与现场钻井过程中实测值对比，模型扭矩和轴向载荷预测值与实测吻合好，平均相对误差分别为6%和7%。模型分析发现钻柱正弦屈曲与螺旋屈曲随轴向压力的增大交替出现；管柱的屈曲会随井斜的变化出现跳跃性变化；在滑动钻进过程中，如果忽略钻柱屈曲的影响，井口轴向载荷明显增大，实际传递到钻头的钻压将比预计的要小。在现场试验中，通过该模型计算的摩阻扭矩值及时调整了井口钻压及措施，有效降低了钻柱发生屈曲的程度，提高了钻井机械速度，对于指导现场钻井参数实时调整，提高钻井效率具有重要意义。     

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。     

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。     

钻柱摩阻扭矩测试试验装置设计

现有的钻柱摩阻扭矩理论模型假设较多,导致计算值与真实值有较大差异,这严重制约了钻柱力学行为研究和钻井参数的优化。鉴于此,基于相似理论,考虑井斜角和方位角的变化,设计了可模拟不同井身结构的钻柱摩阻扭矩测试试验装置。该装置可有效测量不同钻井参数对钻柱摩阻扭矩的影响,可对任意角度的井斜角、方位角的井身结构的整体钻柱进行模拟。结合运动学和强度分析,验证了试验装置设计合理、安全可行。钻柱摩阻扭矩测试试验装置可用于竖直井、大位移井和水平井钻柱的摩阻扭矩分析、运动学和动力学等方面的研究,也可用于自动化钻井和页岩气开采等相关的科研及教学。     

埕海一区大位移水平井摩阻扭矩研究与应用

大港油田埕海一区庄海8井区按照“海油陆采”模式采用大位移井技术进行开发,针对大位移井钻井难点,开展摩阻扭矩预测技术研究。根据钻成的水垂比为3.92的庄海8Nm-H3大位移水平井实钻摩阻扭矩数据,通过建立大位移井摩阻扭矩预测模型,确定了现有钻井液体系和性能条件下的摩阻系数。分析了减摩工具、钻井液体系、井眼轨迹、钻柱结构及井眼净化等对摩阻扭矩的影响,使用与庄海8Nm-H3井类似的井身结构、钻具组合及钻井液体系及性能,采用相同的管内和裸眼摩阻系数,计算了水垂比为3.1、3.5、4、4.5、5的大位移井摩阻扭矩,结果表明,在大港油田埕海一区能够完成水垂比为5的大位移水平井施工。     

摩阻及扭矩分析在实时监控井眼净化中的应用

井眼净化是水平井安全、快速钻进中一个非常关键的问题，也是制约机械钻速的一个重要因素。为准确了解高效钻井施工中的井眼净化问题，国外钻井公司通常运用摩阻及扭矩分析软件，计算、输出不同摩阻系数下从初始钻进点到完钻点的上提钩载、下放钩载、旋转钩载、启动扭矩、空转扭矩、钻进扭矩等理论参数曲线，与钻进中实际大钩载荷和扭矩曲线进行趋势对比，如果实时曲线的趋势与理论曲线相同，且动态摩阻系数小于0.4,则表明井眼净化良好。这种方法能够较好地显示井眼净化状况，实现井眼净化的有效实时监控，为钻进参数的选取提供依据。文章介绍了运用摩阻扭矩分析功能实时监测井眼净化的具体作法，并通过一口实例井阐述了运用这种实时监控的钻井效果。应用实例表明，在良好的井眼净化前提下，一趟钻完成了水平段长3 020 m的?155.6 mm小井眼水平井的钻井施工作业，无任何井下复杂和非生产时间，总共耗时8 d完成钻探，本井平均机械钻速达到29.3 m/h,钻井速度和钻井时效提高到了极致，获得了极好的技术经济效益。该方法可以为国内钻井工程师和定向井工程师在钻井作业中提供参考和借鉴。     

定向井钻压传导计算方法

在定向井、水平井钻井过程中,钻柱摩阻的存在直接影响了钻压传导,井底钻压往往低于预定施加钻压,严重影响了钻井效率.因此,科学地进行钻压传导分析,准确地计算井底实际钻压是保证定向井快速钻井的关键.考虑钻井液对钻柱轴向力的影响,并结合定向井钻柱结构特点,分别对上部钻柱和底部钻具组合进行受力分析,建立了上部钻柱和底部钻具组合轴...     

大位移井、水平井扭矩摩阻分析与三维建模

定向钻井作业中,特别是复杂井、大位移井和水平井钻井过程中极度的钻柱扭矩和摩阻给钻井作业带来了极大的困难和挑战。为了监测钻井过程中可能出现的类似问题,作为一种预测和监测方法,扭矩摩阻模型可以在井的设计阶段和钻井过程中预测和分析此类问题。当今钻井业界广泛使用的扭矩摩阻模型大都基于20多年前推出的方程,这些方程至今没有多大改变。本文对钻井作业中有关扭矩摩阻的基本原理、导致扭矩摩阻大的因素、井眼轨迹、钻杆屈曲以及岩屑运移等问题做出一些阐述和分析,简要介绍了标准扭矩摩阻模型,同时,引入了一组最新推出的三维扭矩摩阻模型,并分别给出了不同井段的扭矩摩阻模型。最后,根据大位移井和水平井钻井扭矩和摩阻大的特点,给出了水平井降低扭矩摩阻的钻柱设计准则,目的在于有效传送井底钻压,减小钻柱屈曲,提高井身质量和钻井效率。     

软件预测摩阻-随钻校正摩阻系数方法及其在BZ34-1-D6大位移井钻井中的应用

BZ34-1地区明化镇组地层稳定性差,钻井易发生缩径、变形等复杂情况,在该地区钻大位移井作业难度大。在BZ34-1-D6井钻井作业中,利用软件钻前预测摩阻、钻进时跟踪校正摩阻系数,进而预测后续钻进摩阻和下套管悬重,并分析井眼摩阻状况及井下情况,有效预防了该井井下复杂情况的发生,保证了井下作业安全。软件预测摩阻-随钻校正摩阻系数方法在BZ34-1-D6井的成功应用,为渤中地区后续同类钻井作业提供了借鉴。     

气体钻井钻柱摩阻扭矩新解析模型

随着国内外气体钻井技术的不断发展,以及最大储层接触钻井开发理念的提出,气体钻井技术与水平井等钻井技术相结合在致密低渗油气藏开发方面展现了巨大的潜力。但在气体钻水平井或特殊轨迹井的井眼轨迹测量、井眼轨迹控制技术领域仍然面临一些关键技术难题和挑战。摩阻扭矩就是其中的一项关键技术,摩阻扭矩问题贯穿整个井的设计到钻井再到完井、井下作业全过程。文章提出了一种新的钻柱摩阻扭矩计算解析模型,通过对三维狗腿度的矢量化,以及将重力和张力对摩阻影响的分离,简化了复杂的摩阻扭矩解析模型。并分别对某气体钻井三维拐角井及其复合运动的钻柱摩阻扭矩进行了实例计算。计算结果与经典解析算法进行对比分析,得到该解析模型具有较高的精度,可为油田应用提供简便而可靠的计算方法。     

气体钻井钻具组合瞬态动力学特性初探

钻柱转动时切向摩擦力会引起钻柱侧向位移,但采用钻井液钻井时其摩擦系数较小,因此该位移常被忽略不记。但在气体钻井时,其摩擦系数增大,该部分位移则不得不考虑。以弹性力学、材料力学为基础,考虑切向摩擦力对钻柱变形的影响,建立了转动钻柱在斜直井中三维瞬态动力学模型及力学方程,并采用龙格-库塔法求解方程数值,分析了钻井参数、滚动摩擦系数、滑动摩擦系数及井眼结构参数等对下部钻具组合变形的影响。分析结果表明:钻压增大,钻柱的变形量加大,钻柱变形节距减小,钻柱振动加剧,但对下部钻具的摩擦扭矩影响不大;井斜角增大,钻柱与井壁的接触力及摩擦扭矩增大,钻柱的变形节距减小;环空间隙减小,钻柱变形角增大,钻柱变形节距减小;钻井流体的密度越大,下部钻柱变形角越小;井斜角增大,不仅影响下部钻柱变形的大小,而且影响着变形方向。     

铝合金钻杆在长水平井段延伸钻进的可行性

目前国内页岩气钻井的重点研究攻关目标是垂深4 000 m以深的长水平段水平井,长水平段钻柱需要钻杆传递更大的轴向力来抵抗沿程的摩擦阻力,采用轻质铝合金钻杆是一种具有较大实施可行性的延伸钻进变革性新技术,而对于其摩阻扭矩特性、钻压传递规律、屈曲特性以及安全可靠性等问题则尚未开展系统研究。为此,基于Hamilton原理建立多尺寸铝合金钻柱动力学模型,通过HHT-α法对模型进行求解,进而对比了水平井段铝合金钻具和钢钻具的接触摩阻、钻压传递规律及其影响因素。研究结果表明:①铝合金钻杆在水平段的压力损耗明显小于钢制钻杆;②因其材质较软,小尺寸的铝合金钻杆在钻井过程中极易发生屈曲,导致钻压传递效率下降,甚至发生"钻杆自锁"现象;③较大尺寸的铝合金钻杆屈曲变形较小,其减摩减阻效果优于小尺寸铝合金钻杆,外径147 mm的铝合金钻杆的摩擦阻力仅为外径129 mm铝合金钻杆的71.9%。结论认为,小尺寸铝合金钻杆的刚度无法满足苛刻的长水平段页岩气钻井条件,而大尺寸铝合金钻杆则是解决其延伸钻进难题的重要前提条件之一。     

水力加压器研制及应用

在大位移井、小井眼井和水平井中靠钻铤重量向钻头施加钻压非常困难,为解决这一难题,研制出一种利用钻井液来提供钻压的水力加压器,该水力加压器有2种类型,一种是单行程水力加压器,这种加压器只能依靠改变钻井液排量来改变钻压;另一种是双行程水力加压器,这种加压器入井后可通过控制活塞行程来控制钻压。介绍了水力加压器的原理、结构及在硬地层、夹层、深井小井眼和开窗侧钻井中的应用效果。结果表明,使用水力加压器可提供平稳的钻压,减轻钻具的轴向振动,减少钻具的疲劳失效,延长钻头的使用寿命,提高机械钻速。     

大位移井摩阻扭矩监测方法

对于井下摩阻扭矩的监测和控制是事关大位移井钻井成败的关键,但目前对摩阻扭矩的分析还停留在预测阶段,而随钻过程中对其的实时监测和分析尚不成熟。为此,在摩阻扭矩预测分析的基础上,开展了摩阻扭矩的实时监测方法研究:钻进过程中,连续记录接立柱时上提钻具、下放钻具和旋转提离井底时的大钩载荷,记录不同井深条件下复合钻进扭矩值和旋转提离井底扭矩值;将所记录的值标注于摩阻扭矩监测图版上,形成实时监测数据与理论计算数据的对比曲线,并将其用于评价井眼清洗程度、井眼缩径、垮塌等井下情况,及时地掌握钻井液性能变化、井眼轨迹光滑度、减摩降扭工具的使用情况。桩129-1HF井现场监测试验结果表明,在摩阻扭矩较大的井段及时采取循环钻井液、短起下钻、调整钻井液性能、增加润滑剂含量、优化钻具组合等措施,控制摩阻扭矩效果良好,保证了该井安全顺利完钻。结论认为,所建立的摩阻扭矩实时监测方法可为大位移井安全优质高效钻进提供有力的技术支撑。     

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。     

吉木萨尔页岩油水平井JHW00421井钻完井关键技术

JHW00421井是吉木萨尔油田第1口超长水平段页岩油水平井,设计水平段长度3 027 m,面临钻进摩阻及扭矩大、井壁易失稳、井眼轨迹控制难度大、井眼清洁难度大、油层套管下入困难等诸多钻井难题。为攻克以上技术难题,开展了以下技术研究和现场实践:优化井身结构并将?244.5 mm技术套管下至A靶点以实现水平段专打;采用旋转导向工具对水平段轨迹进行精准控制并减小井眼曲折度;采用油水比85∶15的油基钻井液,降低长水平段井壁失稳风险、钻井管柱与井壁摩阻系数;基于水平井井筒清洁“传输带”理论,制定详细的井筒清洁技术方案以确保井筒“干净”;优选套管柱摩阻计算模型并合理选取摩阻系数,准确预测套管柱下入能力并优选下套管方案;采用多扶正器通井钻具组合、优化套管扶正器类型及安放位置以降低下套管阻力;采用油基冲洗型隔离液并优选注水泥参数来提高水平段固井质量。该井完钻井深5 830 m,实际完成水平段长度达3 100 m,水平段固井质量测井解释为优质,对今后同类超长水平段水平井设计和施工有借鉴和指导作用。     

定向滑动钻进控制新方法研究

在用螺杆钻具进行定向钻井时,由于井眼摩阻大,常导致工具面调整困难和滑动钻进托压。针对该问题,研究了有效结合了顶驱可编程控制器和传感器的滑动钻进控制新方法。首先,分析研究了钻具滑动前后摩擦力的变化规律和控制扭矩旋转钻具减小井眼摩阻的方法。然后,通过5个传感器的实时数据采集,依据现场技术人员的经验和操作方法,将其转换为计算机可以执行的控制程序,建立了以可编程控制器为核心的人机控制界面,用可编程控制器计算了调整工具面所需的旋转角度,并将工具面准确调整到设计的角度;根据大钩悬重和压差Δp判断是否出现托压,出现托压时用可编程控制器计算不改变工具面的旋转扭矩,以计算的扭矩为限值左右旋转钻具减小井眼摩阻,直到压差Δp0,解决滑动托压。相关应用表明,新方法能大幅减小井眼摩阻,提高机械钻速,是目前螺杆钻具滑动钻进中最有效的控制方法。