静态推靠式导向翼肋陷入井壁风险分析

静态推靠式旋转导向钻井系统依靠导向翼肋支撑井壁提供导向力,井壁在翼肋推靠力作用下可能发生屈服和塑性变形,会降低钻压传递效率和造斜率,不利于定向钻井施工。采用有限元软件对旋转导向钻井过程中导向翼肋陷入井壁的过程进行了模拟,并对影响井壁变形的因素及规律进行了分析,给出了可降低导向翼肋陷入软地层的若干技术措施。结果表明,现有的单柱塞铰接式导向翼肋与井壁为角接触,接触面积小,导致接触应力分布不均匀,最大应力位于导向翼肋上端;井壁岩石的弹性模量以及塑性参数(内聚力和内摩擦角)对井壁变形影响较大;在钻进软地层时导向翼肋会陷入井壁,陷入深度随运动时间的延长近似呈线性增加。改进导向翼肋结构、适当减小导向翼肋的推靠力、做好地层适应性评价等均有助于降低导向翼肋陷入井壁风险。     

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。     

旋转导向偏心稳定器井壁推靠力力学特性及影响因素研究

通过建立切合实际情况的力学模型,推导出旋转导向偏心稳定器井壁推靠力方程,该方程包含了与钻井作业有关的钻压(轴向力)s、钻具自重q、井斜角α、偏心稳定器与上部稳定器之间的距离l、钻具的弹性模量E和轴惯性矩I以及偏心稳定器翼肋位移δ等参数。通过计算实例,分析了sl、、α及δ对井壁推靠力的影响,所得认识对于开展旋转导向偏心稳定器钻具系统和旋转导向钻井技术研究有重要意义。     

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。     

带旋转导向工具的底部钻具组合横向振动特性研究

为了提高旋转导向工具的井眼轨迹控制效果及作业安全性,研究了带静态推靠式旋转导向工具底部钻具组合（RSBHA）的横向振动特征。静态推靠式旋转导向工具通过控制3个导向翼肋的驱动压力实现井眼轨迹控制,可以将其等效为偏心距和偏心方位角已知的偏心稳定器;建立RSBHA的三维小挠度静力学模型,基于加权余量法确定RSBHA在钻压作用和井壁约束下的空间构形,获得上切点的位置;以上切点到钻头的距离作为横向振动的有效长度建立有限元模型,利用振型叠加法求解RSBHA的横向振动响应,分析工作参数和结构参数对其横向振动的影响。算例结果发现:转速约为138 r/min时, RSBHA的动态位移在距钻头8.20,18.10,24.60和31.60 m处较大;钻压对RSBHA最大弯曲应力的影响较小;偏心距和偏心方位角对RSBHA横向振动特性的影响较大,对于某些特定的偏心距和偏心方位角,RSBHA最大弯曲应力会明显增加。研究结果表明,结构参数和工作参数对RSBHA的横向振动影响较大,应对其进行优化设计,以确保旋转导向工具的应用效果和钻井作业安全。      

捷联式自动垂直钻井系统的研制及现场试验

为了有效解决钻井工程中高陡构造及大倾角地层防斜打快的技术难题,自主研发了捷联式自动垂直钻井系统。该系统采用动态推靠方式实现钻进过程中的主动防斜、纠斜,其中捷联式稳定平台是该系统的核心。该系统主要由基于旋转基座的测量短节、井下发电机、无刷力矩电机、旋转变压器和防斜纠斜执行机构等组成。在稳定平台的控制下,力矩电机驱动执行机构中的盘阀对过流的钻井液进行控制,利用活塞驱动翼肋推靠井壁,产生具有纠斜作用的侧向推靠力,以实现防斜、纠斜功能。宁深1井的现场试验证明,捷联式自动垂直钻井系统工作原理正确,结构可靠,能够在主动、适时防斜的同时,有效释放钻压,提高钻速。该系统的研制成功为直井的防斜打快提供了一种新的技术手段,具有广阔的应用前景。      

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。     

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。     

底部钻具组合的井底实际钻压分析

将弯曲井眼中的底部钻具组合作为空间梁处理 ,采用两个力学过程模拟指重表所示的指示钻压。利用“施加”与“放松”约束的方法求解钻柱与井壁间的接触摩擦非线性问题 ,并考虑了钻柱与井壁之间摩擦力的影响。在此基础上 ,建立了对弯曲井眼中的钻柱进行井底实际钻压分析的基本方程及相应的迭代求解格式。通过数值算例和工程算例得出结论 :(1 )由于钻柱与井壁之间存在摩擦 ,井底实际钻压比指示钻压小 ,在工作钻压较大时实际钻压比指示钻压小 1 5%～4 0 % ;(2 )井眼曲率对井底实际钻压的影响较小 ,而钻柱与井壁之间的摩擦系数对实际钻压影响较大 ,因此改善钻井液性能 ,降低摩擦系数十分重要 ;(3 )随着井深的增加 ,井底实际钻压与指示钻压的差值增大 ;若井眼曲率增大 ,实际钻压减小 ,指示钻压越大 ,其减小趋势越大 ;随着摩擦系数增大 ,实际钻压减小的趋势增大。     

静态推靠式旋转导向控制指令算法

旋转导向钻井系统代表了当今最高水平的定向钻进技术,而我国对该项技术的研究仍处于初级阶段,急需对该技术进行深入研究。以静态推靠式旋转导向工具为研究对象,根据其内部结构及导向工作原理,寻求针对该类型导向工具的控制指令算法。采用平面圆弧曲线假设法确定可钻达目标点的待钻井段,通过分析该井段的井斜角、井斜方位角及全角变化率,得到可实现按目标方向钻进的控制指令算法,同时将该算法编入导向工具地面控制系统。实验结果表明,该控制算法可根据轨迹要求,准确求出控制指令,实现导向功能。最后做出静态推靠式旋转导向工具的双向闭环控制图,并加以说明,以供科研人员参考。     

水平井井底钻压的研究

将水平井井内切点以上非垂直井段钻柱,采用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进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,考虑了动力钻具结构弯曲角的影响,得出导向动力钻具三弯矩方程组和扶正器正压力,摩擦阻力的二维计算模式,并给出了利用钻井时的钻重和视压力,计算出吉底钻压的方法及步骤。     

静态推靠式旋转导向系统三支撑掌偏置机构控制方案

随着国内复杂定向井、水平井以及高难度3D 井身结构井的增加，对于旋转导向钻井技术的需求也不断增加，而目前国内对静态推靠式旋转导向系统的导向机构控制方法及原理了解很少，展开相应的研究已非常必要。在外筒旋转的条件下，通过力学矢量合成原理以及数学求解分析表明，静态推靠式三液压支撑掌导向工具同时控制3 个支撑掌分力的方案不可行；外筒旋转使得三液压支撑掌导向工具存在控制“死区”，给出了这种偏置机构最大可使用偏置合力矢量幅值；采用了两支撑掌调整和控制合力矢量的大小和方向，剩余一个支撑掌浮动支撑，并给出了静态推靠式三液压支撑掌导向工具控制算法框图。该框图可为国内科研人员开展该种偏置机构研究提供理论依据。     

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。     

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文章介绍了正在研制的调制式旋转导向钻井工具MRST的组成及其工作原理；它由测控短节、偏置导向执行机构两大部分组成，是在钻柱全旋转且相对于井壁没有静止支撑点的条件下进行导向钻井的。工具偏置导向执行机构的执行是以钻井液为制导动力源，即作用在执行机构伸缩块上的内外压差而产生的液力推力，液力推力的大小与制导效果密切相关；为此，采用常规钻井水力学计算程序，对MRST在正常钻井工作条件下液力推力的大小及其影响因素进行了计算分析。结果表明，就目前国内陆上钻井设备所具有的条件，所研制的MRST是可以适应7000 m井深以内的井对导向力控制要求的；但作用在MRST伸缩块上的液力推力是随井深、排量、钻井液密度及流变性等的变化而变化的，实际应用MRST时应考虑上述因素变化对MRST工作性能产生的影响；此外，也可考虑通过微调排量的办法来调整MRST导向力的大小。     

底部钻具组合力学特性模拟试验研究

底部钻具组合(BHA)的力学特性直接影响井身质量、钻井安全与钻速,因此,需要从理论和试验2个方面去研究BHA的力学特性,然而目前试验方面的研究很少。根据相似理论,利用底部钻柱力学装置,模拟研究了钻压和转速对井斜力、方位力、钻头合侧向力及其方向角的影响规律。结果表明:合侧向力随钻压的增大而增大,转速对合侧向力的影响较小;随钻压增大,井斜力增大,转速越大,井斜力越大;方位力随钻压增大而增大,转速对方位力的影响较小;合侧向力方向角随钻压增大而减小,随转速增大而增大。研究结果可为井斜控制机理研究和防斜打快提供理论依据。      

Power V垂直导向钻井技术在普光7井的应用

四川盆地川东普光构造地层倾角大，特别是上部陆相地层，岩性多变，砂岩、泥岩、页岩互层频繁，井斜非常突出。被动防斜技术在川东普光高陡构造钻探过程中受其内在力学性质影响，无法实现防斜打快。而Power V“全自动化”旋转导向垂直钻进工具，在钻进时会自动追踪井斜变化，自动设定和调整工具侧向力，使井眼轨迹快速返回垂直状态。在高陡构造地层钻进中，有效地解决了防斜和加大钻压之间的矛盾，可大幅度地提高钻井速度。以Power V垂直导向钻井系统为代表的主动防斜技术，通过在普光7井的应用，证实了其在保证井身质量的前提下可最大限度地提高机械钻速。     

美国自动旋转导向钻井工具结构原理及特点

叙述了目前以井下马达为主的定向钻井工具的缺点与不足,介绍了新型自动旋转导向钻井工具的特点,特别是美国BakerHughes,CAMCO,HALLIBURTON三家公司的自动旋转导向钻具的结构原理及特点。从发展水平看,BakerHughes公司的自动旋转导向钻井工具完全解决了旋转钻井的导向问题,自动化程度高,配有随钻测井短节,可以实现地质导向,并已在多口井中实施了商业化使用。