带旋转导向工具底部钻具组合的动力学特性分析及参数优化

带旋转导向的底部钻具组合（RSBHA）在钻井过程中发挥着极其重要的作用,现场更多关注的是其导向能力,对它的工作状态平稳性没有严格要求。为防止RSBHA的剧烈振动和失效事故,建立了RSBHA的动力学模型,运用有限元法分别计算分析了不同结构、不同转速、不同钻压条件下的底部钻具组合的动力学特性,求得了动态位移和动态弯曲应力。结果显示:合理安放稳定器能够有效地减弱RSBHA的横向振动,降低其动态弯曲应力;转速对RSBHA的动态弯曲应力影响很大,当转速为100 r/min时应力水平最低,180 r/min时应力水平最高;带旋转导向的钻具组合结构合理时,增大钻压时,其横向位移变化较小,动态弯曲应力分布比较合理。该结果为进一步研究RSBHA提供了理论依据。     

柔性短节对RSBHA导向力特征的影响分析

旋转导向系统是实现井眼轨迹精确控制的核心工具,代表了当前井眼轨迹控制技术的最高水平.在带旋转导向工具的底部钻具组合(RSBHA)中,都带有柔性短节,但至今未发现有关柔性短节对旋转导向工具控制效果影响的文献.文章在建立了带位移工作方式旋转导向工具的底部钻具组合(RSBHA)的三维小挠度力学分析模型的基础上,加入柔性短节的连续条件,采用加权余量法对模型进行了求解.分析了柔性短节位置及长度对RSBHA侧向力的影响规律,并对RSBHA进行了实例计算分析.静力学结果表明,在不同的RSBHA工作模式下,柔性短节长度和位置对钻头侧向力的影响规律不同,柔性短节材料对钻头侧向力的影响较小,而稳定器间距具有较大影响,国外公司的RSBHA结构已经过优化.     

静态推靠式旋转导向控制模型与造斜率预测方法

推靠式旋转导向工具的防斜、稳斜能力强,能基本满足复杂地层安全高效钻进的需要,但目前的造斜率预测方法没有考虑推靠块控制方式及钻进过程的影响,存在造斜率预测精度低的问题。为此,考虑导向工具的结构特性,建立了静态推靠式旋转导向控制模型,给出了可靠的导向力控制方案,利用下部钻具组合力学模型及钻头–地层相互作用模型,得到了基于零侧向钻速条件下的造斜率预测模型,并引入折算系数对造斜率预测结果进行了修正。实例计算及敏感性分析结果表明,该方法预测精度高,能够满足井眼轨迹精确控制的需要;导向合力、钻压、钻头与稳定器的距离对推靠式旋转导向工具的造斜能力影响显著,现场施工时为了充分发挥导向合力的作用,要适当减小钻头与稳定器的距离、降低钻压,以提高旋转导向工具的造斜能力。研究结果为旋转导向钻具组合优选、钻井参数优化等提供了理论依据。     

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。     

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。     

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。     

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。     

旋转导向钻具三维小挠度稳态分析的数学模型

在普通旋转钻具的基础上,研制了一种旋转的近钻头稳定器,它可以将钻柱稳定在井眼截面的需要位置,以控制井眼轨道.为了研制和应用这种新钻具,建立了适用于该种旋转导向钻具进行三维小挠度静力学分析的数学模型,包括:①微分方程;②钻头、稳定器、变截面、切点和井壁的边界条件;③钻头的侧向力和钻头转角;④钻具的导向能力与偏心距和偏心方向.给出了一种旋转导向钻具的受力状态分析、井眼曲率预测及确定导向稳定器运行参数的计算实例.     

旋转导向钻井偏心稳定器横向振动研究

旋转导向钻井偏心稳定器横向振动研究是国家863“可控(闭环)三维轨迹钻井技术”课题研究的部分内容。选取偏心稳定器的心轴作为研究对象,以偏心稳定器心轴连续梁系统的横向振动模型受力分析为基础,根据课题研究中所设计的心轴结构形式,建立了与实际情况较为接近的三铰支点的连续梁系统横向振动方程;并分析了偏心稳定器横向振动对钻井工具和钻具系统的影响,为合理进行心轴设计以及偏心稳定器样机在现场的正确使用和钻井参数的合理选择,提供了科学的理论依据和实用的计算方法。计算实例表明,当钻压范围选择在80~250kN时,215.9mm井眼钻进中的确存在19~20、61~63、162~163r/min前三阶横向共振转速区间,因此在选择钻井参数时应通过钻压与转速的配合,尽可能避开横向共振转速,以保证下部钻具组合系统及作业安全。     

旋转导向钻井工具BHA侧向力的有限元仿真

为了研究推靠式旋转导向钻井工具的导向能力,建立了旋转导向钻井工具BHA的力学模型,通过ANSYS有限元软件,对该工具的BHA受力与变形进行了仿真计算。分析了工具侧向力的大小及其主要影响因素,除了常规的影响因素(如钻压、井斜角、扶正器欠尺寸)之外,这种工具对侧向力的影响还包括工具覆盖面角、推靠力大小及其作用点等。仿真分析为优化井底钻具组合、研究旋转导向钻井工具导向能力及控制井眼轨迹提供了理论基础。     

旋转导向工具下入通过性研究

研究旋转导向工具通过大曲率井段的力学特征,对于水平井钻井设计和旋转导向工具选择有重要意义。为此,基于纵横弯曲梁理论提出了一种受迫变形条件下的刚性旋转导向工具下入能力分析方法,并考虑临界压力和井壁约束下的工具弯曲极限状态,给出了工具的挠度变化范围和下入安全性准则。采用过尺寸钻头复合钻进方式,旋转导向工具通过能力有大幅提升;对旋转导向工具实际下入过程进行通过安全性分析计算,考虑井壁作用和上部轴向力作用,对管柱施加一个轴向外载荷压力,得到实际下入过程的弯曲挠度值,校核旋转导向工具下入摩阻力和强度,工具可以安全下入,不会发生屈服破坏。研究结果表明,建立的计算模型有较高的准确性和较好的适用性,可以为现场钻井过程中大曲率井段旋转导向工具下入安全性评价提供指导。     

定向井单弯单稳涡轮钻具造斜率预测

对于定向井单弯单稳涡轮钻具造斜率的预测,用现有的修正三点定圆法预测的是钻具几何曲率,不是井眼曲率,且对造斜能力影响因素考虑不全。利用纵横弯曲法的三弯矩方程,确定井下动力钻具上部切点,结合钻头中心点和下稳定器切点,建立了这三点所对应的井眼轴线上三点坐标,利用三点定圆原理,建立了三点定圆全坐标单弯单稳涡轮钻具造斜率预测模型。实例计算了3种结构涡轮钻具造斜率,对比分析了3种结构涡轮钻具造斜率随涡轮钻具结构角,稳定器与井壁间隙,偏心稳定器偏心距以及稳定器、偏心稳定器、结构角分别到钻头的距离等因素的变化规律,明确了稳定器对单弯涡轮钻具的造斜率影响较小,为减小深井卡钻风险,可不用稳定器或用偏心稳定器替代稳定器安装在近钻头处,能有效提高单弯涡轮钻具的造斜率。该方法综合了纵横弯曲法和三点定圆法的优点,实现了超深井单弯单稳涡轮钻具定向钻井造斜率的简便有效预测。     

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。     

旋转导向钻井技术研究新进展

井下旋转导向钻井工具是旋转导向钻井系统的核心部件,从应用情况来看,指向式旋转导向钻井工具是发展的趋势。为解决在钻大位移井、水平分支井等复杂结构井时出现的种种难题以及国内指向式旋转导向钻井技术的"瓶颈"问题,将理论与实践相结合,对旋转导向钻井技术的国内外研究现状做了分析;介绍了目前国内外运用比较广泛且典型的推靠式MRST和指向式Geo-Pilot井下闭环旋转导向钻井工具。在大量调研和文献分析的基础上,提出了研制与Geo-Pilot有所不同的新型指向式旋转导向钻井工具的思路,并着重论述了其结构与导向原理,总结出该指向式旋转导向钻井工具的特性与优点,提出了下一步的研究重点、难点与方向。     

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文章通过水平井井内切点以上非垂直井段钻柱弯曲刚性对轴力和摩擦力的影响分析,采用了弹性梁的变形微分方程以及单元体的静力平衡和力矩平衡关系,建立了钻井时轴力的二维计算模式,同时,对切点以下导向动力钻具组合采用纵横弯曲法大变形进行分析时,考察了动力钻具结构弯曲角的影响,得出导,向动力钻具三弈矩方程组,并对DTU钻具组合中第二段梁内存在方向相反的两个结构变角对其梁柱左右端角增量及变形前后的梁柱右端痊移进行分析,得出了DTU钻具组合的井底钻压计处模式,并给出了利用钻井时的钻重的视压力,计算出井底钻压的方法及步骤。     

下部钻具组合上切点的位置确定方法

下部钻具组合的上切点始终处于井眼底边这一假设条件,并不适用于下部钻具组合静力学分析的所有情况。基于建立的适用于下部钻具组合静力学分析的三维坐标系及其变换关系,提出了描述井壁上上切点位置的方法;根据最小势能原理,提出了一种确定上切点位置的迭代计算方法;以光钻铤钻具组合为例,讨论了井眼几何参数与钻井参数对上切点位置及钻头侧向力的影响规律。结果表明:在二维问题的力学分析中,当钻头处井斜角很小、井眼的井斜变化率很大时,下部钻具组合的上切点将有可能处于井眼的高边;与对上切段长度的影响相比,井斜方位变化率对上切点井壁方位角的影响更大;与对钻头井斜力的影响相比,井斜方位变化率对钻头方位力的影响更大;钻压和钻头扭矩对上切点位置及钻头侧向力的影响都很小。      

套管扶正器的正确安放间距研究

在不同形状的井眼中,套管柱的受力变形计算模式是不一样的。如在变方位的弯曲井眼中,两扶正器间的套管段由于所受重力和轴向载荷不再位于一个平面内,因此将发生非平面弯曲挠曲变形,同时套管扶正器所承受的侧向压缩力也将发生相应变化。此外,扶正器的正确安放间距应当由控制套管弯曲变形和扶正器压缩变形所引起的套管总偏心距不超过某一规定值来确定,而不能仅按这两种变形中的某一种变形来确定。本文较全面地考虑了上述问题,采用瑞利—里兹能量法计算套管的弯曲变形,按扶正器承受的实际侧向力计算其压缩变形,在变方位的弯曲井眼中采用两平面弯曲变形方法研究实际发生的空间非平面弯曲变形,最后以位移的几何迭加原理求出套管在各种井眼中将发生的最大偏心距表达式,控制最大偏心距不超过许可偏心距(文中取等于许可偏心距[c]),建立了斜直、等方位弯曲和变方位弯曲井眼中的一整套套管扶正器安放间距计算公式。通过计算并绘出斜直井眼和变方位变井斜弯曲井眼的两组套管扶正器间距曲线。