φ177.8 mm套管内大角度单弯螺杆下入阻力分析

钻中短半径水平井,在采用弯角较大的单弯螺杆钻具以满足高造斜率的需要时,由于套管内径较小,螺杆钻具钻头处位移比较大,螺杆钻具能否顺利通过直井段是钻中短半径水平井面临的一个重要问题。研究大角度螺杆钻具通过直井段时的力学特性对于合理选取螺杆钻具组合具有重要意义。文章采用有限元方法,以φ177.8 mm(7英寸)套管内单弯螺杆钻具为例,分析了单弯螺杆通过直井段时的应力分布规律及不同弯角大小对单弯螺杆通过直井段的影响。     

中短半径水平井弯壳螺杆钻具造斜率预测方法研究

准确的造斜率预测是侧钻中短半径水平井成功的关键。根据中短半径水平井的特点,提出了用极限曲率法和修正的三点定圆法来预测弯壳螺杆钻具的造斜能力,并对典型螺杆钻具的造斜率进行了预测和敏感性分析,以指导螺杆钻具的设计、选择和井眼轨迹控制。文中所述两种预测方法可较好地预测工具的造斜率,能满足中短半径水平井的需要,并得到了现场验证。     

弯螺杆钻具力学特性分析与设计

设计或选择弯螺杆钻具组合时，既要确定弯螺杆钻具的总体方案结构参数，还要预测该钻具组合的造科能力。利用结构弯角的等效角和等效横向载荷，推导了用以分析具有结构弯角的螺杆钻具组合力学特性的三弯矩方程组，并应用它确定钻具组合的平衡曲率。根据实钻结果研究了弯螺杆钻具组合造斜能力与平衡曲率间的关系，得出了平衡曲率系数的数学表达式，并将其应用于φ39．7mm套管侧钻水平井的φ89mm弯螺杆钻具总体方案设计。计算表明，这种φ89弯螺杆钻具应设计成传动轴本体上带有稳定器的单弯钻具。     

中短半径双弯螺杆钻具在套管内的通过能力分析

套管内侧钻中短半径水平井,由于造斜率比常规的中半径水平井要高得多,结构弯角必然较大,因此提出了这种钻具在套管内能否顺利下入的问题.采用纵横弯曲法,对在φ139.7 mm套管内带垫块的双弯螺杆钻具组合建立了受力与变形分析模型,重点分析了双弯螺杆参数对底部钻具组合与套管壁摩擦力的影响,由实例数据计算出此钻具组合在套管内的摩擦阻力,分析了螺杆钻具在套管内下入的可行性.结果表明,双弯螺杆钻具在φ139.7 mm套管内能顺利下入.     

5LZ95×7.0同体双弯螺杆钻具研制

侧钻中短半径水平井钻井技术是国家"九五"期间的攻关研究项目。螺杆钻具是其中的一项关键技术,其主要目的是研制满足侧钻中短半径水平井需要的小尺寸高造斜率的弯外壳螺杆钻具。文中从双弯与单弯螺杆钻具的结构等效关系等多方面进行了探讨,根据油田需要设计和制造了5LZ95×7.0同体双弯螺杆钻具,在油田得到了现场验证,受到了使用单位的好评,为我国水平井钻井技术增添了一种新型实用工具。     

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考虑侧钻水平井率径大、环空间隙小等特征,建立下部钻具力学分析和钻具造斜率计算方法,通过垫块厚度、安放位置以及井眼曲率对螺杆钻具造斜率的影响规律分析,设计了侧钻水平井造斜钻具组合。经大庆油田２口侧钻水平井应用表明,设计的螺杆钻具造斜率与实钻造斜率十分吻合,不仅满足了井眼轨道控制需要,还应用垫块取代了稳定器,为侧钻水平井设计造斜率高、井眼环空间隙大的动力钻具提供了一种新途径。     

偏心垫块对螺杆钻具造斜能力影响的预测方法

钻具造斜率预测是水平井井眼轨迹控制中的关键问题之一。通过理论分析，研究了加偏心垫块对羊弯螺杆钻具造料能力的影响，推导出产生的造斜率增量表达式，并对长庆油田塞平－１水平井所用１°２５′单弯螺杆钻具加偏心垫块对造斜率的影响进行了现场预测，预测结果与实钻数据一致性较好。     

侧钻水平井钻柱与井眼的相容性研究

套管内侧钻水平井由于井眼曲率比较大,钻具与井眼环空间隙较小,要求下部钻具不仅有较高的造斜率,而且环空的间隙尽量大,以提高钻井液的携岩能力,需要在套管内下人弯螺杆钻具组合,由于弯螺杆钻具初始弯曲较大,而套管内径较小,因此,钻柱与井眼的相容性是侧钻水平井钻井的关键技术之一。在实际的侧钻水平井钻井作业中,为了避免和预防因为下部钻具组合与井眼不相容而造成的下钻遇阻甚至卡钻事故的发生,需要研究钻具与井眼之间的相容性,以指导施工中钻具组合的正确设计、评价以及合理使用各种钻具组合、减少阻卡的可能性。为此,讨论了侧钻水平井钻柱与井眼之间相容性的主要影响因素及变化规律,并针对大港油田侧钻水平井的实际情况提出了改善钻柱与井眼相容性的方法和措施。     

中短半径造斜螺杆钻具在套管内的通过度

套管内侧钻中短半径水平井，由于造斜比常规的中半径水平井要高得多（１／ｍ以上），因此，结构弯角必然较大，这就提出了这种钻具在套管内能否顺利下入的问题，文中根据最小变形原理钻具在套管内下入过程中变形进行分析，解决了变形过程中边界待定问题，并对φ１２０双弯螺杆钻具和φ９５双弯螺杆钻具的φ１７８套管内的下入作了验证和验算，证实了能量法分析的可行性和有效性，并将原方案的φ１２０双弯螺杆钻具改为φ９５双弯螺杆     

带扶正器弯螺杆钻具的造斜率计算及应用

介绍了单扶正器钻具组合力学模型和弯壳体螺杆钻具的理论造斜率计算方法.综合分析了带扶正器弯螺杆钻具组合的造斜率影响因素及控制井眼轨迹的方法.该方法成功应用于2根试验螺杆的设计,对现场技术服务也有指导意义.     

单弯双稳导向钻具组合复合钻进稳斜能力分析与优化

为解决单弯双稳导向钻具组合长时间复合钻进时实钻井眼轨迹偏离设计井眼轨道的问题,对单弯双稳导向钻具组合的稳斜能力及其影响因素进行了分析。根据底部钻具组合复合钻进导向力的拟动态计算模型,编制了相应的计算机程序,模拟计算了钻具组合结构参数、井斜角和钻压对单弯双稳导向钻具组合复合钻进稳斜能力的影响规律。结果表明:第一稳定器如果外径过小,在复合钻进中将处于悬空状态,失去支撑井壁的作用;随着第二稳定器外径的增大,单弯双稳导向钻具组合复合钻进的钻头井斜力减小;螺杆弯角、井斜角和钻压对单弯双稳导向钻具组合复合钻进的钻头井斜力影响均不显著。根据模拟计算结果,对南堡13-斜1025井稳斜段所用单弯双稳导向钻具组合进行了优化设计。实钻结果表明,采用优化设计的钻具组合复合钻进时稳斜效果很好,井斜变化率只有0.18°/30m。这说明,根据各因素对复合钻进稳斜能力的影响规律,对单弯双稳导向钻具组合进行优化设计,可以提高其稳斜能力。      

弯外壳动力钻具力学性能分析

弯外壳动力钻具能提高增斜率,但钻具轴线不在一条直线上。本文用有限元基本理论,分析了弯外壳动力钻具的力学材性,着重讨论了弯外壳动力钻具的结构弯角、井斜角、稳定器间隙及钻铤刚度对弯外壳动力钻具增斜特性的影响。认为弯外壳动力钻具的增斜率随结构弯角增大而明显增加;工况相同时,双弯动力钻具增斜率比单弯动力钻具高约50%。井斜角小于60°时,随井斜角增加弯外壳动力钻具的增斜率明显增加;大于60°时,增斜率增加趋势减弱,甚至下降。稳定器间隙增加,弯外壳动力钻具的增斜率下降。动力钻具上面钻铤的刚度越小,增斜率越高。     

倾斜盐岩层段井眼蠕变缩径分析

文章用盐岩蠕变的非线性有限元法建立了具有倾斜盐岩夹层的地层有限元模型。研究了新疆某油气田钻遇的盐岩层段钻井液密度、地层倾角与井眼蠕变缩径的关系。研究表明，增大钻井液密度，可有效地减缓蠕变缩径。地层倾角对井眼蠕变缩径的影响较复杂，对于上覆岩层压力大于水平应力的情况下，井眼初始蠕变量随地层倾角增大而增大。地层倾角对井眼后期蠕变（稳态蠕变）缩径的影响不仅与倾角大小有关，还与蠕变应力差有关。当蠕变应力差较小时，即钻井液密度较大时，蠕变速率随地层倾角增大而减小。当蠕变应力差较大时，对于该井蠕变岩层段，地层倾角小于15°时，蠕变速率随地层倾角增大而增大，地层倾角大于15°时，蠕变速率随地层倾角增大而减小。该研究结果为盐岩段井眼稳定性分析和提供合理的钻井液密度具有指导意义。     

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。     

页岩气水平井固井水泥环状态对套管力学完整性的影响

大位移页岩气井的井眼轨迹复杂,且压裂开发过程中经常出现由于水泥环缺陷引发的套变损伤问题。针对页岩气井压裂过程中高泵压大排量的特点,采用有限元分析方法,通过优化模型网格划分,建立了适用于页岩气井复杂井眼轨迹下套管力学完整性计算的套管-水泥环-地层组合体模型,讨论了水泥环缺失角度、缺失厚度、缺失长度及复合缺陷对造斜段及水平段局部屈曲部分套管力学完整性的影响。结果表明,套管的周向应力随水泥环弹性模量的增大而减小,受泊松比影响较小。水泥环角度缺失会使套管出现应力集中现象,当缺失角度超过90°,应力集中现象得到减缓。随着水泥环缺失厚度的增加,套管所受应力增大。无论是造斜段还是水平段,不同缺失角度下,水泥环厚度、套管尺寸及泵压对套管应力的影响类似,趋势均为随着缺失角度的增加,套管应力先增大后减小。水泥环缺失的临界部位会产生应力突变,该位置也是最容易发生套损的部位。同一缺失厚度下,套管应力最大值随着缺失角度的增加而先增加后减小;同一缺失角度下,套管应力最大值随着缺失厚度的增加而增加。随着缺失角度的增加,水泥环缺失部位对应套管沿管长方向的等效应力先增加后减小。水泥环越厚,套管等效应力越小。在相同厚度下,水泥环剩余厚度越薄,套管等效应力越大,全部缺失时应力水平最大。     

中短半径水平井弯曲井段套管受力分析

套管柱在高井眼曲率的水平井弯曲井段将产生较大弯曲应力和较大的径向变形，有可能导致强度破坏和变形失稳。为了研究套管在弯曲载荷作用下的应力分布及变形情况，采用三维实体单元，运用有限元方法建立了中短半径水平井弯曲井段套管的计算模型，分析了三种不同外径尺寸的套管在一定围压和不同弯曲载荷作用下的最大径向变形量和最大等效应力值，并分析其随井眼曲率的变化规律。计算表明，井眼曲率增大，弯曲井段套管的径向变形和应力也随之增大；同一井眼曲率下，外径较大的套管，径向变形和应力也较大。通过研究，对高井眼曲率下中短半径水平井弯曲井段套管柱强度设计提供了理论依据。     

弯曲套管抗挤强度有限元ANSYS分析方法

针对我国各油田套变井数量上升，工程参数计算复杂的情况，通过建立ANSYS有限元模型，研究了4种常用套管尺寸的抗挤强度与套管弯曲率的关系，提出了使用有限元编程方法，快捷、高效计算在不同套管弯曲率条件下，套管抗挤强度、最大应力的方法，对指导套变井防砂、套管修复及常规油井酸化、压裂等工程作业具有重要的指导意义。弯曲套管最大应力随井眼曲率的增大而增大，最大应力点在弯曲的外侧。同一井眼曲率下，外径越大的套管相应点应力值越大。套管弯曲率增加，抗挤强度下降。弯曲率超过40°·hm^-1以后，抗挤强度下降变缓。     

双弯与三弯钻具对单弯钻具的等效问题

提出了把双弯钻具简化为等效单弯钻具的方法和公式,建立了适用于同向、反向双弯的统一表达式,并给出了把三弯(多弯)钻具简化为单弯钻具的分步等效方法.通过极限曲率法论述了钻头侧向力与极限曲率、造斜率等概念间的联系和区别.这些方法和成果可以解释所存在的理论疑点并用于指导水平井双弯(多弯)钻具的结构和性能设计.