气体钻井预弯曲钟摆钻具控斜的动力学行为

井斜控制困难一直都是制约气体钻井技术发展的难题之一。为此,在研究带预弯结构的井底光钻铤钻具组合(BHA)动力学行为的基础上,基于拉格朗日方程建立了预弯钟摆BHA的非线性动力学模型,由简支梁静态模型求取钻头上的动态侧向力,进而设计、评价不同结构的预弯钟摆BHA在气体钻井中的控斜能力,并进行了现场验证。研究结果表明:(1)合理的预弯钟摆BHA在气体钻井中可以提供较大的动态降斜力,从而发挥出很好的降斜效果,当预弯短接弯角为0.75°时,BHA形心运动的最大半径较小,说明0.75°的弯角时BHA具有最佳的稳定性;(2)当钻头与近钻头稳定器之间为两根钻铤时,BHA的运动稳定性大幅提高,基本上处于井眼中心,这对于井眼质量控制十分有益;(3)所设计的预弯钟摆BHA在现场应用中能够较好的控制气体钻井井斜。结论认为,预弯钟摆BHA的动力学控制方程能够很好地描述预弯结构的运动特征,所设计的预弯钟摆BHA不仅适用于常规地层,而且在非均质性较强的砾石层钻井中控斜效果也同样显著;该研究成果对于气体钻井低成本控斜技术发展具有很好的推动作用。     

巨厚砾石层气体钻井井筒不规则性对井斜的影响研究

直井易斜和下套管困难是巨厚砾石层气体钻井存在的2个亟需解决的问题。现场测试数据表明,即使使用普遍认为具有较好控斜效果的空气锤钻井技术,井斜控制依然困难,且井筒的规则性很差,这很难用现有的控斜理论解释。现有底部钻具组合（BHA）受力模型均未考虑井筒的不规则性,都假设井筒光滑规则。为此,基于现场实测数据,利用有限元方法建立了BHA与不规则井筒相互作用的力学模型,分析了井筒不规则性对BHA受力特征的影响。模型分析表明,不规则井筒易形成附加支点,缩短有效钟摆长度,使降斜力大幅减小,甚至可能使钻头侧向力成为增斜力,造成井斜控制失败。实例分析证实,巨厚砾石层采用气体钻井时,预弯钟摆BHA所钻井筒相对较为规则,控斜效果好,下套管作业顺利。现场实测数据间接证明了井筒不规则性对井斜存在重要影响,BHA力学分析时应考虑井筒的不规则性。      

预弯曲动力学井斜控制技术在长宁构造气体钻井中的应用

长宁构造韩家店～石牛栏层段岩性以砂岩、灰岩为主,研磨性较强,常规钻井钻速偏低,采用气体钻井提速存在井斜控制难题,运用预弯曲动力学井斜控制技术,仿真分析215. 9 mm井眼气体钻井条件下八种预弯钻具组合的钟摆力,优选出了适合该层段地质特点的预弯曲钟摆钻具组合,设计并加工了165. 1 mm-0. 75°预弯曲短接,在长宁构造Ha、Hb平台应用5井次,气体钻井井斜较常规钟摆钻具降低50%以上,井斜控制效果得到显著改善。     

分流式自动垂直气体钻井工具设计

Power V自动垂直钻井系统等主动防斜打直技术已在钻井液钻井中得到了广泛应用,但气体钻井过程中也容易发生井斜,由于气体钻井过程中钻柱内外压差较低,无法开启现有垂直钻井工具的推靠机构,目前还没有成熟的气体钻井主动防斜打直技术。随着气体钻井技术在国内深井超深井提速中的广泛应用,急需研发适用于气体钻井的自动垂直钻井系统。根据钻井液钻井的自动垂直钻井系统基本原理,利用气体动力学特点,设计了一种分流式自动垂直钻井工具。该钻井工具基于气体动力学原理和流固耦合分析方法,利用分流气体方法,将分流喷射的反作用力用于调节钻头侧向力,实现了自动感应井斜及纠斜,达到了垂直钻井的目的。理论分析证明,利用该钻井工具可以实现气体自动垂直钻井。      

巨厚砾岩层气体钻井井眼特征

由于具有常规钻井所不具备的多方面优势,气体钻井技术在中国正受到越来越多的关注。作为一项打开油气层新技术和提速技术,气体钻井技术在矿场应用中存在一些特殊问题,包括巨厚砾岩层提速钻井中井斜控制难和套管下入遇阻现象。现有的空气锤和钟摆钻具组合控制井斜方法在塔里木油田山前巨厚砾岩层中都很难起到很好的井斜控制效果,而且套管遇阻情况严重。基于实测井径数据,利用3次样条曲线重构井眼截面形状特征,并探讨巨厚砾岩层空气锤钻井椭圆井眼形成机理。结果表明,空气锤以高频冲击破坏岩石,受地层的非均质性和各向异性的影响,所形成的井眼体现为高度椭圆性。431.8 mm井眼的平均井径达495.3 mm,长轴达551.2 mm,而短轴仅为427.7 mm。正是这种井径短轴偏小和井壁不规则造成了套管下入遇阻问题。为了在塔里木盆地山前巨厚砾岩层推广气体钻井技术,不但要有效控制井斜,而且要尽可能增大井眼短轴长度。博孜101井的钻井实践表明,采用预弯钟摆BHA(底部钻具组合)不但可以较好地控制井斜,而且可以有效地改善井径截面形状,提高井壁的光滑度。     

预弯曲动力学防斜打快技术初探

防斜打直技术应该朝着防斜打快方向发展,为此,提出了一种新型的防斜打快方法——预弯曲动力学防斜打快技术,并利用专用软件系统SABHA对带有单弯螺杆钻具的滑动导向钻具组合在小井斜井眼中复合钻井时的导向力进行了仿真计算.结果表明,这种导向力具有明显的降斜特征,并远远大于钟摆力.现场试验进一步证实了这种方法的有效性.文中给出了复合钻井导向力计算方法和现场试验的有关数据.     

预弯曲动力学防斜快钻技术的试验研究

预弯曲动力学防斜打快钻井技术主要利用预弯曲动力学防斜打快钻具组合在井眼中的涡动特征，在钻头上形成一个远大于钟摆降斜力的防斜力，从而使井眼保持垂直。预弯曲动力学防斜打快钻具组合是一种带预弯曲结构的特种钻具组合，钻进时，其在井眼内形成特定的涡动轨迹，引起钻具组合以较大的不平衡几率向下井壁方向振动，从而实现向下井壁的冲击力。常规钟摆和满眼钻具组合的工作原理都是力求钻具组合发生尽可能小的变形，减小钻具组合因变形引起的增斜力。预弯曲动力学防斜打快钻具组合在胜利油田史138-6井进行的试验表明，这种方法具有很好的防斜打快效果。与邻井常规钟摆钻具组合相比，这种钻具组合的钻压提高50％以上，机械钻速则提高120％。文中给出了钻压和转速对预弯曲动力学防斜打快钻具组合防斜力的影响规律。     

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.     

气体钻井双稳定器钟摆钻具的模拟仿真分析

针对气体钻直井的井斜控制问题,设计了一套气体钻井专用稳定器,用有限元仿真软件对气体钻井专用双稳定器钟摆钻具的力学特性进行模拟分析。从钻具本身的结构参数、井眼参数以及钻井参数等方面考虑,分别讨论了上下稳定器间距、下稳定器与钻头的距离、钻压、井斜角以及上下稳定器尺寸与钻具钟摆力的关系,分析了各个参数对钻具钟摆力的影响程度。计算结果与相同条件下纵横弯曲梁理论得出的结果相对比,两者基本吻合。通过分析可知,使用该专用稳定器的钟摆钻具组合在用气体钻井时具有较强的防斜纠斜能力,能够有效地控制气体钻井井斜问题。     

气体钻井井斜机理研究

气体钻井存在井斜不易控制的难题,其机理尚不明确。应用纵横弯曲BHA(底部钻具组合)分析方法和钻头与地层相互作用模型,根据实钻资料对比分析了气体钻井和钻井液钻井的地层造斜特性,进而探讨了气体钻井的井斜机理。结果表明,与钻井液钻井相比,气体钻井条件下地层造斜力和钻具降斜力都有增加,但地层造斜力增加的幅度更大,这正是气体钻井更容易发生井斜的原因。因此,建议在用气体钻井技术打直井段时,通过调整钻具组合和钻进参数适当增加钻具的降斜力,以提高井身质量。     

双稳定器预弯曲钻具组合防斜特性动力学评价方法

直井的防斜打快一直以来都是钻井领域的难题。预弯曲底部钻具组合防斜打直技术利用预弯曲结构引导钻具组合变形产生较大的动态降斜力,可实现动力学防斜打快目的。然而预弯曲钻具组合防斜特性的动力学定量评价仍是难题。针对双稳定器预弯曲底部钻具组合,笔者在Jansen建立的动力学模型的基础上建立钻头处动态侧向力模型,将仿真得出的A截面处的涡动轨迹数据应用到动态侧向力计算中,最终通过涡动轨迹图、动态侧向力分布时程图和平均动态侧向力对此类钻具的防斜特性进行快速且直观的评价。最后通过编制的计算机程序对不同井斜角和转速条件下的防斜特性进行了仿真计算,仿真结果表明:（1）随井斜角增大,降斜力增大;（2）随转速提升,钻具防斜特性可分为稳定降斜、不稳定降斜及丧失降斜能力3个阶段;（3）在不同井斜角下,第一、第二临界转速随井斜角增大而增大。     

预弯曲动力学防斜打快钻具组合动力学模型

建立了预弯曲动力学防斜打快钻具组合的动力学模型,对其动力学特性进行的仿真研究。结果表明,这种模型可以较好地反映出钻具组合在井下的涡动轨迹、涡动速度和涡动方向,同时能近似地计算出这种钻具组合的动态相对防斜力大小。钻具组合的涡动使得钻头对下井壁的动态侧向冲击力明显大于对上井壁的动态冲击力,从而使钻头具有较大的动态防斜力。通过合理设计结构参数和施工参数,可以有效地改善预弯曲动力学防斜打快钻具组合的涡动特征,从而使这种钻具组合具有较好的防斜效果。预弯曲动力学防斜打快技术的使用钻压比钟摆极限钻压提高50%以上,相应地提高了机械钻速。     

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。     

空气钻井钻具组合动力学特征及井斜机理研究

研究了用牙轮钻头进行空气钻井时光钻铤钻具组合动力学特征及井斜机理,建立了光钻铤钻具组合的转子动力学模型,分析了空气钻井与泥浆钻井时光钻铤钻具组合动力学特征的区别。结果表明,高碰摩系数使空气钻井时钻具组合反向涡动,空气的低阻力使空气钻井的涡动速度增大。泥浆钻井则相反,钻具组合以较低的涡动速度向前涡动。这些特征的综合作用使得空气钻井时钻头上的降斜力小于泥浆钻井,成为引起空气钻井井眼易斜的主要原因之一。     

井底光钻铤钻具组合旋转及钻压波动规律模拟研究

利用根据相似理论设计出的底部钻柱动力学研究试验装置,进行了井底光钻铤钻具在不同钻压、转速条件下旋转及钻压波动规律的试验研究.试验结果表明:光钻铤钻具组合在井底的旋转大部分为正向涡动及谐波振动,要想使其产生反向涡动必须合理选择钻进参数;使用光钻铤钻具组合时井底钻压振动幅度较大;单从减轻钻柱振动危害方面讲,不建议采用光钻铤钻具组合,但从利用井下钻柱纵向振动能量提高深井机械钻速的角度看,该钻具值得推荐;光钻铤钻具组合的防斜机理有待于进一步研究.     

一种新型垂直钻井工具

井斜在石油钻井过程中经常发生，它的危害很大。文中介绍的垂直钻井工具的工作原理与常规的“钟摆”、“满眼”不同，它通过柱塞把侧向力直接施加在钻头上。由于侧向力大且与钻具组合和钻井工况无关，因此，防斜效果好。这种垂直钻井工具是纯机械结构，没有电子器件，所以结构简单、维护方便、工作时间长、成本低。文章介绍了该工具的结构、工作过程，通过理论分析证明原理可靠。该工具已获国家专利，专利号是2004200894716。     

塔里木盆地山前巨厚砾石层快速钻井技术

塔里木盆地山前某构造沉积巨厚砾石层,钻井液钻井存在着钻速低、钻头消耗多等问题,而采用空气钻井来提速又面临井斜控制和井眼失稳两大技术难题。为此,在大量试验研究基础上提出了空气钻井的实施技术方案。根据最小动能法判断准则,落实不同条件下的合理注气量;应用连续循环空气钻井技术避免沉砂卡钻,延长钻井进尺,提高钻井时效;基于钻具动力学特性分析,提出空气钻井动力学防斜技术,优选出"弯短节+双扶正器"防斜钻具组合;优配"二强二高一低"(强抑制、强封堵、高防塌性、高润滑性、低滤失)的聚磺-KCl转换用钻井液体系,给出钻井液转换工艺措施。通过在A井现场试验,空气钻井井段最大井斜角仅2.19°,仅用2d时间就顺利完成钻井液转换作业,同比钻井液钻井机械钻速提高3~5倍,节省钻井时间119d,取得良好应用效果,该配套技术的形成可对该区深部天然气勘探钻井提速发挥积极的推动作用。     

空气锤钻具组合稳定性动力学因素分析及优化

空气锤钻井过程中由于活塞轴向冲击锤头进行破岩工作,钻柱会产生轴向振动,其中下部钻铤振动常发生以钻铤螺纹断裂为主的失效故障。文章以某井空气锤钻井钻具组合及钻井参数为例,通过有限元法,建立了空气锤钻井全井段钻柱动力学模型,从动力学出发研究下部钻具组合动力学特性,优化空气锤气体钻井钻具组合。研究结果表明：空气锤钻井主要影响下部300 m钻柱,在冲击振动弯扭共同作用下,钻铤螺纹容易产生疲劳失效,模拟结果与现场失效　情况相符。优化方案为KQC275空气锤钻井过程中上部接Ø279. 4 mm 钻铤,此时钻柱系统轴向振动最小,全井段钻柱动态钻进稳定性好,对现场空气锤钻井钻具组合方案进行了优化,预防了钻柱失效。该研究对空气锤钻井钻柱动力学行为有了明确认知以及提供了钻柱振动失效预防措施