钻具组合通过能力模式及其分析

在大曲率半径井眼内,钻具组合的通过能力是定向钻进的主要限制因素之一。因此,研究通过能力是十分必要的。本文在考虑了钻具组合变形的条件之后,建立起钻具组合通过能力的一般模式。通过对该模式的分析,得出在大曲率半径井眼内必须采用柔性或铰链式钻具组合的结论,并说明了考虑变形时钻具组合的通过能力大于未考虑变形时的通过能力的事实,确定了钻具通过能力与井眼曲率半径间的关系。本文还建立了未考虑变形时的钻具最大通过能力下的弯角模式。通过对弯角模式的分析,提出了铰链式钻具组合的铰链接头之问活动弯角的选择原则。这些结论对钻短曲率半径水平井的工具设计与机理研究有指导意义。     

下部钻具组合的动态分析

本文用三维直梁单元将下部钻具组合离散化,建立了数值分析模型来模拟下部钻具组合在钻井过程中的瞬时动态特性。考虑了钻压、转速、摩擦及井眼弯曲等对钻具组合的影响,建立了动力微分方程,采用威尔逊-θ法求解。把钻柱与井壁的接触视为瞬时碰撞,采用一种新的方法确定碰撞时刻,对动态分析的结果作了全面的讨论,用井斜力和方位力的时间平均值来预测钻头的走向,并与静态分析的结果作了比较,吻合较好。本文所提供的动态分析方法和计算机程序可供定向井钻井部门参考使用。     

防卡钻具组合及其受力分析

钻柱受力分析准确与否,对于提高钻井水平具有重要意义。由于钻柱是一根细长杆件,虽然每小段(如一根9m长单根)具有较大的抗弯刚度,但对整个长钻柱而言,几乎没有什么抗弯能力。而钻柱的变形又要受到井壁约束,钻柱与井壁接触处又有摩擦力作用,这就使得对钻具在进行受力分析时变得复杂和困难。为此,本文利用有限元法和接触理论对整体钻柱进行了三维静力分析。考虑到钻柱的刚性特征和井壁接触摩擦问题,引入空间多向接触间隙元(简称间隙元)理论,编制成相应的计算机程序。运用该程序,对定向井稳斜钻进中,常用的5种防卡钻具和1种满眼钻具进行了受力分析计算。结果表明,在一定的钻井条件下,防卡钻具能够取代满眼钻具进行稳科钻进,并可避免满眼钻具由于扶正器与井眼间隙太小而引起的卡钻现象。     

组合钻具造斜率的回归分析及其应用

应用逐步多元回归方法,对转盘钻多稳定器钻具组合造斜率进行回归分析,建立已钻成定向井所在构造的造斜率的回归方程。在对已钻4口定向井进行回归后,得出一些实用的新认识。本回归分析方法还给出了造斜率预测值的变化区间,达到了对造斜率的定量控制,解决了以往单凭调节钻头侧向力的大小来试调造斜率大小的不尽人意的问题,避免了轨迹控制中由于不能预知入井组合钻具的造斜率而带来工作中的被动性和盲目性。作者编制的实用PC-1500计算机和IBM PC计算机逐步多元回归程序,既可适用于室内计算,又能满足现场施工技术人员的需要。对靶区范围小的大斜度井、救援井、双靶点或多靶点定向井、丛式井都能准确地控制造科率的大小和钻达靶区。本方法具有重要的实用价值。     

用有限差分法分析底部钻具组合的静力

本文采用有限差分法对底部钻具组合三维静力问题进行了分析研究。通过中心差分,建立有关的差分方程,并编写了相应的计算机处理程序。在此基础上,通过算例分析,阐明了钻压、井斜角、井眼曲率及稳定器间隙对钻头侧向力的影响规律。     

底部钻具组合的涡动特征分析

编制了井底钻具组合动力学特性的模拟程序,模拟结果与文献中的结果对比表明,所编模拟程序的模拟结果正确。利用井底钻具组合动力学特性的模拟程序模拟了钻铤形心的径向速度、径向加速度、涡动加速度、涡动速度功率谱以及相图,较全面地反映了井底钻具组合的动力学特性。结果表明:井底钻具组合在特定的情况下可以做规则涡动,更多的是做非规则涡动,没有运动周期;做规则涡动时,钻铤形心的涡动速度较小,其径向速度、径向加速度和涡动加速度均为0。在文中条件下,钻铤形心的涡动速度高达568.73 r/min,远大于规则向后涡动速度(79.41 r/min),该种状态的出现对钻具组合的导向能力及安全性将造成很大的的影响,值得进一步探讨。     

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.     

下部钻具组合造斜能力的影响因素分析

利用平衡侧向力法对现场常用的井底钻具组合的造斜能力进行了预测,探讨了井眼轨迹参数、施工参数对ＨＢＡ造斜能力的影响,并给出了影响规律的具体表达式,这对了地控制井眼轨迹具有一定的参考价值,利用长度油田某区块的资料,给出了计算实例。     

传统底部钻具组合上切点边界条件的正确性

传统的底部钻具组合受力分析的上切点处的边界条件表达为:1.与下井壁接触;2.转角与井眼轴线的一致;3.曲率与井眼轴线的一致。该表达方法已经采用了多年,应用效果良好。近来,有文章否定该边界条件,文中例证了传统底部钻具组合上切点边界条件的正确性。     

定向井常用钻具组合

介绍了定向井钻井过程中“直-增-稳-降-稳”阶段常用的钻具组合,结合现场所用钻具,分析了各个阶段所用钻具的特点,并优选了钻具组合。     

斜直井下部钻具组合受力分析

介绍了大庆油田斜直井下部钻具组合的受力分析及优选情况。经过７口斜直井现场试验，本文分析方法完全能满足井眼轨迹控制要求，井身质量和固井质量合格率达到１００％。     

确定底部钻具组合上切点位置的新观点

在计算底部钻具组合的受力和变形时,以前一般都是按弯矩为零的条件来确定其上切点的位置。提出了一种新观点,即按照钻柱与井壁的接触力为零的条件来确定这一位置。推导了相应的计算公式,给出了算例,并通过算例的结果证明了该观点的合理性。     

新型铰接式钻具组合特性分析

对一种新型铰接式钻具组合进行有限元分析,采用自由度凝聚法缩减铰接点的转动自由度并对铰接式钻具组合进行单因素影响分析,如井斜曲率、钻头稳定器的磨损量、结构弯角、钻压、井斜角、钻头稳定器与钻头之间的距离等对钻头侧向力的影响.结果表明,为了获得较好的铰接钻具造斜率,应考虑2种途径1)在实际操作过程中,应仔细控制稳定器的磨损量,控制井眼扩大;2)在钻具结构设计中,应优化结构弯角和钻头稳定器与钻头之间的距离这些参数.     

铰接式钻具组合的动力学分析

应用有限单元法对铰接式钻具组合进行了动态分析,推导了铰接点单元的刚度矩阵和载荷列阵,同时考虑钻头的轴向激振和钻柱与井壁的相互作用,用Newmark法在时域里分析了一种铰接式钻具组合的横向振动,并在频域里进行了讨论。分析表明,轴向扰动激起铰接钻具组合多阶谐波分量,钻头侧向力动态分量的幅值与井斜曲率成正比。数值结果表明,井眼扩大是钻具组合动态响应的一个重要影响因素,如果井眼扩大较小,钻具组合的振动表现有周期性,而当井眼扩大较大时,振动不再是周期性,且钻头侧向力动态分量的幅值增加。     

滑动导向钻具组合复合钻井导向能力预测方法研究

在介绍滑动导向钻具组俣复合钻井导向力计算方法的基础上,主要探讨了复合钻井方式下,滑动式导向人组合的导向能力预测方法。结果表明,滑动式导向钻具组合复合钻井时的导向能力可以用平衡侧向力法进行预测。     

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。      

下部钻具组合——不等截面、近钻头稳定器问题的分析

本文是在“纵横弯曲法对钻具组合的三维分析”的基础上,对钻井过程中常遇到的不等截面问题、钻具与井壁之间的接触问题(包括失稳)以及近钻头稳定器问题用纵横法理论作了进一步研究.提出了此类问题的求解方法,扩展了“纵横法”的应用范围.并根据这些方法较为洋细地分析了钻压、井斜角、间隙和井眼曲率等主要因素对钻头侧向力的影响.这些分析在现场进行了验证,达到了预期的效果.     

带双心钻头底部钻具组合的分析

针对使用双心钻头钻进时扩孔尺寸不理想、钻具工作不稳定、井斜趋势引起钻头工况对钻压非常敏感等问题,对底部钻具组合的受力、变形和运动状态等方面进行了分析研究表明,由于双心钻头几何设计的独特性,工作时钻头上受有不平衡力,这使得钻头切削不稳定,且影响钻柱变形。钻柱变形后,钻头相对井底偏转,偏转的方向和角度影响钻头的有效切削面积;钻柱的运动方式,即自转和公转,也影响扩孔尺寸和钻头稳定性。通过简单试验,认为钻头的不平衡力使钻具倾向公转;另外井斜、井眼弯曲也对钻具运动状态有很大影响,表现为钻具稳定性对钻压的变化非常敏感。