用纵横弯曲法对弯接头——井下动力钻具组合的三维分析

对弯接头-井下动力钻具组合进行三维分析,可确定钻头上的变井斜力和变方位力,以满足对定向井井眼轨道进行定量预测和控制的需要,本文用纵横弯曲法建立了弯接头——井下动力钻具组合的力学模型,提出了关于连续条件的一般命题和处理弯接头弯角的两种等效方法,提出了等效钻铤假设并用力学实验方法确定动力钻具的等效抗弯刚度,推导了装置角为任意值时的计算弯角公式,建立了在三维井身条件下弯接头-井下动力钻具组合受力分析的普遍方程以及在一维、二维分析中的简化形式.这些结果可用来定量计算各种带有动力钻具的井底组合在各种井身条件下的钻头变井斜力和变方位力、钻头倾角、各点挠度、支点处内弯矩和转角值等.本文进一步分析了钻具结构参数、井身几何参数和工艺操作参数对钻头侧向力的影响,其中影响最大的是下部组合长度、弯角和装置角.现场验证证实了上述理论分析的正确性.     

地面可调螺杆钻具的研制

在定向井、大斜度井、水平井等特殊工艺井中,为优化井身质量,不同井段的造斜率可能会不同。而常规的弯螺杆钻具的弯角是固定的,为减少弯螺杆钻具的配备数量,设计了一种可分级调整弯度的螺杆钻具。该螺杆钻具的调弯机构由中间接头、调节花键套和弯母扣下壳体组成,可使一根钻具能得到0°-3°内13个不同的弯度。设计了一种适合地面可调螺杆钻具的球型万向轴,该万向轴采用分体式球型万向摆动的万向节和全密封式结构,克服了花瓣式万向轴的缺点,延长了螺杆钻具的使用寿命。     

高造斜率螺杆钻具提速技术研究与应用

针对定向井施工过程中,滑动钻进机械钻速慢、滑动进尺比例高的问题,提出了一种调整螺杆钻具弯点位置的高造斜率短弯螺杆设计思路,以降低滑动钻进比例,提高机械钻速。基于平衡趋势角法评价分析了短弯螺杆钻具的造斜能力,依据分析结果确定了短弯螺杆钻具关键结构参数,将弯点距转子输入接头端面缩短了300-400 mm,实现了短弯螺杆钻具高造斜率与结构参数设计的有机统一。涪陵页岩气田现场应用结果表明,该螺杆钻具可有效提高滑动钻进造斜率37.14以上,降低定向过程中滑动进尺比例69.61%以上,提高机械钻速37.81%。     

弯外壳螺杆钻具在套管内通过能力的有限元分析

应用非线性有限元方法,研究了侧钻水平井钻井过程中,弯外壳螺杆钻具在套管内下入可行性的问题,计算了φ120单弯螺杆钻具结构弯角、稳定器间隙以及井斜角对螺杆钻具下入摩阻的影响,并给出了使得螺杆顺利下入时螺杆之上钻具的长度,以此判断螺杆是否需要借助外力就能安全下入套管内。计算结果表明,结构弯角小于2．75°时,单弯螺杆钻具的能够顺利下入φ177．8套管内,当螺杆结构弯角大于3°时,下入困难,甚至需要借助于外力才能将螺杆钻具强行压入位于井口附近的套管内。     

单弯螺杆钻具下入套管可行性分析

为满足造斜和复合钻井的需要,常需使用单弯外壳螺杆钻具。由于套管内径较小,螺杆钻具壳体存在结构弯角,弯螺杆钻具能否顺利下入井口段套管是目前现场面临的一个重要问题。研究单弯螺杆钻具通过井口套管时的力学特性,对于指导现场合理选取螺杆钻具组合具有重要意义。采用有限元法,分析了172 mm单弯螺杆钻具在下入直井段244 mm套管时的应力分布规律,以及不同弯角大小对单弯螺杆钻具下入性的影响。结果表明,结构弯角小于2.5°时,172 mm单弯螺杆钻具能够依靠自重顺利下入244 mm套管,螺杆钻具结构弯角为2.75°时,需要额外施加外力才能将螺杆钻具强行压入套管。     

用于斜井轨迹定向钻进的无角差定位接头

随着侧钻井、定向井、水平井等斜井钻井工艺的发展,原有的定位接头结构给随钻施工带来了许多不便和危险。针对这种情况,在原有定向接头的基础上,研制出用于斜井轨迹定向钻进的无角差定位接头,即对原接头的活塞和主体加以改进,采用花键式活塞配合结构,克服了原定位接头的不足。该接头在施工中拆装灵活,螺杆或工具弯方校正后具有径向自锁和密封功能,随钻数据输入时无需校正角差值。12井次的现场应用表明,使用无角差定位接头的一次定向成功率100%,并且大大降低了随钻施工的难度。     

双弯螺杆钻具几何造斜率计算式的修正

准确地设计螺杆钻具的造斜率是实现滑动导向钻井的关键技术。鉴于此,考虑下稳定器与井壁的间隙对双弯壳体钻具几何造斜率的影响,定义了间隙影响产生的附加造斜率,改进了几何造斜率的计算公式,并用改进公式分析了影响造斜率的几个因素,同时结合现场实例对改进公式的精度进行了验证。分析结果表明:对于同向和反向双弯螺杆造斜工具,当下稳定器与井壁的间隙增加时,造斜率都呈线性减小;下弯角对造斜率的影响是上弯角的4.6倍,下弯角对造斜率的影响非常显著;无论是同向双弯还是反向双弯,都有最优的造斜率,钻井现场下稳定器至钻头的距离一般选择1.0~1.5 m为宜。所得结论可为螺杆钻具的现场应用提供指导。     

防砂卡可洗井螺杆泵的技术分析

新研制的防砂卡可洗井螺杆泵由沉砂筒、螺杆泵、沉砂接头和洗井阀等组成。采油时,井内原油从沉砂接头侧面进入,经试压阀后被螺杆泵采出,当因故停井后泵上砂子下沉时,砂子从沉砂筒与螺杆泵之间的环形空间,经沉砂接头的另一通道后通过洗井阀沉入泵下沉砂尾管内,从而防止砂卡螺杆泵。洗井时,洗井液从沉砂筒外向下经洗井阀侧面进入沉砂筒与螺杆泵之间的环形空间,到达螺杆泵上的油管后返出地面。5口井的现场试验证明,防砂卡可洗井螺杆泵设计合理,工作可靠,适应井况能力强,可以大量推广使用。     

8″液体钻柱减震器

我们在研制成功碟簧式机械减震器的基础上,于1977年11月采用压缩性能较好的乙基硅油作为弹性元件,又试制成功了8″液体钻柱减震器(见附图)。经现场试用,效果良好。 一、结构特点和工作原理 液体钻柱减震器主要由花键接头和液压减震部分组成。花键接头1和4既能上下滑动又能传递扭矩。液压减震     

抽油管倒扣器使用

在修井作业时,经常会遇到抽油杆倒螺纹。在需要抽油杆倒扣时,往往是用人力旋转管钳,来实现抽油杆倒扣的,但常常因抽油杆的扭曲弹力大,稍有疏忽或操作不好,就会使管钳脱手,此时,由于抽油杆的扭曲弹力会带动管钳反向飞速转动,转动的管钳则会将作业人员击伤,而且用管钳倒扣也很困难,有时甚至不能倒螺纹,此时往往需要大力上提解卡,使用大力上提解卡经常容易把抽油杆拔断或拔脱,且抽油杆会因承受超过屈服极限的拉力而报废,为此,研制出抽油杆倒扣器。1　结构(如图1)图1　抽油杆倒扣器结构示意　　a)　承力筒　承力筒为空心无缝钢管,中间可供抽油…     

弯接头钻具组合的力学特性分析

利用有限地对弯接头钻具组合受力进行了线性和非线性特性分析,重点分析了井眼曲率和弯接头角度对钻头侧向力的影响,计算结果表明,弯接头钻具造斜能力强,适用于大碘率井眼钻井,但有必要对弯接头钻具进行非线性分析,以提高计算严谨。     

岩石力学性质对井眼轨迹走向的影响机理

为了提高在极软、极硬地层中钻井时的井眼轨迹预测与控制能力,研究了岩石力学性质对井眼轨迹的影响机理和相应的控制措施。基于纵横弯曲连续梁理论,分析了地层力学性质对下部钻具组合导向性能的影响,在此基础上,建立了考虑地层力学性质的钻头导向模型,利用钻头导向模型定量描述钻压、造斜力、地层可钻性和钻头各向异性对井眼轨迹的影响。对于Φ215.9 mm井眼,井眼瞬时扩径率小于3%时,宜采用弯壳体螺杆钻具,井眼扩径率大于3%时,弯接头配合直螺杆导向能力更强;地层可钻性级值由1增大为10时,趋势角从6.00°降为1.00°。软地层和侧钻井眼推荐使用弯接头配合直螺杆钻具,硬地层推荐使用侧切能力强的钻头配合单弯螺杆钻具。      

偏心下部钻具组合力学性能试验研究

使用自制的钻柱模拟试验架和测试装置对偏心下部钻具组合在直井中的力学特性进行了试验研究,分析了钻压、转速、弯接头的弯曲角度和扶正器对偏心下部钻具组合运动状态、钻头侧向力、钻柱扭转角的影响。研究结果对偏心下部钻具组合的理论研究和实际钻井作业有一定的指导意义。     

可控弯接头钻井工具的偏心机构控制仿真实验

可控弯接头钻井工具的偏心机构控制方法决定着可控弯接头钻井工具的成败。对已提出的一种基于该可控弯接头钻井工具的控制方法进行了验证。通过Labview软件和SolidWorks软件联合仿真实验,并运用牛顿插值法,验证了在外套旋转和不旋转2种情况下,调整导向轴偏置角β公式的正确性,调整导向轴方位角θ公式的正确性以及调整导向轴偏置角β公式和调整导向轴方位角θ公式联合使用的正确性,并得到了各种情况下导向轴的运动轨迹,可为以后的研究提供参考。     

卡簧式钻井隔水管快速接头力学性能研究

为减少海上钻井作业事故的发生,开展了钻井隔水管快速接头力学性能研究。基于ANSYS建立了卡簧式快速接头抗弯强度计算模型,研究了SR30型快速接头卡簧端面角度、接头有效搭接长度及材质与接头结构极限抗弯承载力的关系。结果表明,卡簧式钻井隔水管快速接头的卡簧左端面对整个接头承载力影响要大于右端面;随着接头有效搭接长度增大,接头极限抗弯承载力明显提高;材质屈服强度越高,极限抗弯承载力越高。计算结果为钻井隔水管快速接头的合理设计提供了理论依据。     

古城2井复合钻井防斜打快技术

古城2井是在塔里木盆地中央隆起塔东低凸起古城构造带古城2号构造高点上钻探的一口预探井。该井钻进过程中钻遇断层,地层倾角突然增大,井斜增长很快,造成填井侧钻纠斜。在用1.5°弯接头定向纠斜无效果后,换用2°弯接头纠斜效果明显,纠斜完成后换用转盘钻,井斜又增加,如果不更换组合将反复多次起钻纠斜,增加起下钻次数。现场分析研究采用1°单弯螺杆导向组合复合防斜打快,在2885~3115m和3166~3380m井段实施,井斜控制理想,实现了定向降斜和连续快速钻进作业,提高了机械钻速,减少了起下钻次数。对该井复合钻进应用情况进行了分析研究,为今后同类井的施工作业提供借鉴。     

垂直钻井系统中央控制器设计

石油钻探中,在高陡构造、断层、盐层等地质情况下,容易出现井斜角过大问题。垂直钻井系统是一种具有主动防斜能力的自动化井斜控制系统,将井下测斜和纠偏技术结合在一起,实现钻进过程中井斜角自动测量和纠偏。垂直钻井系统中央控制器,是垂直钻井系统实现井下自动化控制的核心电子模块,主要功能包括读取测斜模块测量的井斜和高边工具面角信息,通过预先设定的控制策略,控制液压执行器的开启和关闭,从而实现系统的纠斜功能;同时中央控制器具有记录井下数据、同地面设备通信、系统自捡和现场调试等功能。下井实验证明了中控设计的合理性。     

VTK垂直钻井系统在龙深1井钻井中的应用

龙深1在钻遇推覆体地层时，地层倾角变化大，自然造斜能力强，采用塔式钻具、钟摆钻具、大尺寸PDC钻头等多种防斜技术，其结果是井斜控制十分困难、钻井速度极慢；利用弯螺杆＋转盘钻井复合技术，虽然钻井速度有一定的提高，但仍不能达到提速的目的。为提高机械钻速，引进贝克休斯的VTK垂直钻井技术，它是由AUTOTRAK（闭环旋转导向系统）、高性能X-TREME马达、可靠的MWD三种技术开发出来的一种闭环自动垂直钻井技术，能够根据井眼的偏斜，经井下微处理器分析判断，使导向稳定地靠近井眼高边方向导向肋板伸出顶向上井壁，这样使钻头产生合理的降斜力，从而使井眼回到垂直轨道上来。现场应用表明：该技术较好地解决了钻井提速工作中井斜与钻压之间的矛盾，使钻井效率明显提高；为充分发挥该技术的作用，需要选择合适的钻头类型和合理的钻井液性能     

导向钻井钻具组合结构造斜特性分析

在导向钻井钻具组合结构中,本体稳定器、上稳定器的选用与计算外径,以及螺杆弯角的选用,对用全力增、减方位时的侧向力有影响,可用来评价导向钻井钻具造斜特性,分析和设计导向钻具组合.现场使用结果表明,螺杆本体稳定器采用偏心式时计算外径与丈量直径存在偏差;上稳定器对钻头侧向力具有较大的影响,可以优化设计;螺杆弯角对钻头侧向力影响较大,需合理使用.