侧钻水平井钻柱动力学几个关键问题研究

收稿日期:2006203230
作者简介:张宝增(19642),男,河北遵化人,博士研究生,主要从事油气钻、完井及井下作业工程领域的研究工作。

文章编号:100123482(2006)0520009204
侧钻水平井钻柱动力学几个关键问题研究
张宝增,王瑞和
(中国石油大学石油工程学院,山东东营257061)
摘要:通过对实际钻井经验总结和钻柱动力学研究现状分析,认为反转运动是钻柱疲劳失效的一个主要原因,侧
钻水平井钻柱的反转运动尤其需要进一步研究。

钻柱的接触摩擦影响到井身剖面、钻柱及下部钻具组合的优化设计。

目前对钻柱动态摩阻和大变形后摩阻问题研究不足,井眼中固体、流体耦合关联,钻井液阻尼对钻柱动态影响不能忽略,钻柱内钻井液可处理为附加质量,但外部钻井液则应考虑为阻尼。

为了实现依据钻柱动力学的井眼轨迹控制,应特别重视钻柱振动特性与钻头受力状况的相互影响。

关键词:侧钻;水平井;钻柱;反转;振动;摩阻;液体阻尼
中图分类号:TE921.201 文献标识码:A
Analysis on the key dynamic problems of the drill string in sidetracked horizontal w ell
ZHAN G Bao 2zeng ,WAN G Rui 2he
(College of Pet roleum Engineering ,China Uni versit y of Pet roleum ,Dongy ing 257061,China )
Abstract :The present sit uation of researches on dynamics of t he drill st ring in sidet racked horizo ntal well was analyzed ,and several important p roblems were p ut forward in t his paper.First of all ,t he backward p recession is t he main factor which causes fatigue failure of drill st ring ,but no detailed information is a 2vailable for sidet racked horizontal well.Secondly ,t he st udy on t he contact 2f riction problem between drill st ring and hole wall is not enough to optimize t he well profile ,t he drill st ring and t he bottom hole assem 2bly.The f riction of buckled st ring and t he dynamic f riction of rotary st ring must be st udied caref ully.Third t he fluid damp must be considered when st udying vibrations of t he drill st ring ,and t he drilling fluid out side t he pipe should not be regarded as accessional mass.Finally ,in order to control t he well pat h by dynamics ,great attention should be paid to t he interaction between bit and drill st ring.
K ey w ords :sidet racking ;horizontal well ;drill st ring ;backward p recession vibration ;friction ;fluid damp ;
在钻井过程中,钻柱受力状况复杂[1],工作环境恶劣,是一个复杂的动力学系统,侧钻水平井钻柱受力更具复杂性和特殊性。

目前,国内外侧钻技术应用已比较广泛,也做了很多研究工作,但是钻柱设计仍然以静力学研究结果为基础[2],难以反映钻柱的实际工作状态,钻柱事故频繁发生。

因此,加强侧钻水平井实际施工经验总结和钻柱动力学分析,将有利于优化钻柱设计,提高井眼轨迹控制精度,提高建井效率,降低钻井生产成本。

由于理论认识和实验手段的限制,目前钻柱动力学研究缺乏系统性,影响因素考虑不全面,还不能准确运用到钻柱设计和井眼轨迹控制中去[3]。

本文
通过对侧钻水平井钻柱实际运动状态和理论研究的
分析,提出了当前亟待解决的几个重要问题,并指出了研究方向,对侧钻水平井钻柱动力学研究的发展具有一定的指导意义。

1　反转与横向振动
章扬烈[4-6]发现,当钻柱在井内以转盘的转速顺时针绕自身轴线旋转时,由于离心力的作用,钻柱的接头会贴向井壁,在钻柱与井壁间摩擦力的作用下,整个弯曲钻柱各个贴壁接头会以各自所处的条件,以一定的速度按反时针方向绕井的轴线旋转,称为反转运动,如图1,ωr 为钻柱的转速,ωp 为反转运
　2006年第35卷 石油矿场机械　第5期　第9页 OI L FIE LD EQUIPMENT 2006,35(5):9～12　
动的转速。

其研究结果表明,钻柱无论是空转还是
旋转钻进,在受压段和受拉段都会出现反转运动;环隙越小,转盘转速越高,越易出现反转。

反转运动的轨迹并不是严格的圆形,它时刻改变而且不具有一定的规律性,为典型的动力学过程。

钻杆接头并不是总是与井壁保持接触,常常有跳离和敲击,从而产生自激晃振。

这种反转运动可以发生在钻柱的任何一个与井壁接触的部位,如钻杆接头、钻杆杆体、钻铤、钻头、扶正器、异径接头等处。

图1　钻柱反转运动原理
研究还表明,由反转运动引起的自激横振是导
致钻柱疲劳失效的主要原因,所产生弯曲应力的最大峰值可达561M Pa [4],远远超过了普通钻铤的疲劳极限[7],1991年大庆海拉尔油田钻铤连续断裂事故证明了这一点。

反转运动是一个复杂的动态过程,目前仅对井筒倾斜角小于10°的情况进行了较详细的研究,对于大位移井,特别是侧钻水平井还未见研究报道。

侧钻水平井一般为中短半径水平井,井身曲率比较大,钻具与井眼的环空间隙又比较小,如图2。

在
图2　侧钻水平井示意
钻柱变形反力作用下,钻柱与井壁必然有多处贴合,因而侧钻水平井的钻柱反转现象必然存在,侧钻水
平井过程中最易发生的事故就是钻柱在增斜段折
断。

由于水平段进行自激晃振时,重力作用影响显著,复合钻进时将激起强烈的钻柱振动。

故对于侧钻水平井,钻柱反转引起的钻柱失效更不能忽视。

许多研究结果都表明,钻柱危险截面处疲劳安全系数会明显小于110[8-9]。

当然从井眼轨迹控制的角度来说,只计算最危险的应力状况是不够的,对于钻柱的反转运动需要更详细的研究。

2　接触摩擦
钻柱的接触摩擦也是一个非常重要的问题,关系到井身剖面、钻柱及下部钻具组合的优化设计。

对于钻柱摩阻的研究并不成熟,以往用柔索模型来研究钻柱摩阻,虽然在工程上起到了一定的作用,但由于该模型忽略了钻柱横向抗弯能力,假定钻柱完全贴在下井壁上,误差较大。

实际上,因为钻柱局部抗弯能力较大,造斜段、水平段的井眼曲线并不光滑;更由于钻柱的动态运转和变形,钻柱不会完全贴在下井壁上。

钻柱的振动和屈曲对钻柱摩阻的影响更加复杂[10-11],钻柱的振动在一定程度上会减小压差摩阻,但钻柱的横向振幅过大或发生屈曲时,摩阻反而会增大。

间隙元法[12]可用来研究管柱及其附件与井壁之间的接触摩擦阻力,力学模型比较准确,考虑的因素较多,收敛速度较快。

但由于间隙元法是在忽略了一切动态载荷条件下对钻柱进行静态小变形分析,可用于钻柱的静力学分析,不能用来进行动态研究和大变形研究。

而且间隙元法是一种工程近似方法,罚因子或罚刚度的选取对结果的精度和收敛性有很大影响。

工程实践表明,在很多情况下钻柱发生屈曲后井下作业依然能够进行[13],但钻柱屈曲后,钻柱与井壁的压力、摩擦力急剧增加,钻进阻力增大,钻压施加困难,钻柱应力增大,直接影响钻井生产的安全进行。

此时钻柱的失效判据已不再是稳定性,而应是强度条件和自锁条件。

侧钻水平井多为中短半径水平井,由于井身曲率较大,钻柱刚度作用明显增强,使得钻柱在弯曲段、水平段摩阻增加。

摩阻力成为影响钻井作业、限制水平段钻进长度的主要因素之一。

管柱的变形与运动状态直接影响钻柱的摩阻,因此目前急需解决钻柱动态摩阻、大变形钻柱摩阻及屈曲钻柱摩阻等问题。

・01・OI L FIE LD EQUIPMENT 2006Vol.35№5　
3　钻井液阻尼
吴天新[14]研究了环空中钻井液阻尼对钻柱横向振动的影响,发现钻井液引起的附加质量与钻柱本身的质量为同一数量级,不能忽略。

屈展[15]利用固液耦联振动理论探讨了钻柱在内外钻井液共同作用下的横向振动,认为钻井液可以等效为一定的广义分布质量,其影响不能忽略,与吴天新的结论基本一致。

李军强[16]等人对钻井液阻尼进行了探讨,估算了阻尼对钻柱稳定性的影响,表明钻井液阻尼对于提高钻柱的稳定性是有利的。

井眼中固体、流体的耦合关联和相互影响,使钻柱的动力学性能更加复杂,过去对钻柱力学特性的研究,往往忽略了钻井液的影响。

对于静力分析来说,忽略钻井液的阻尼是基本可行的,要研究钻柱的动力学特性,忽略钻井液阻尼会带来较大误差。

目前,钻柱动力学研究中考虑钻井液阻尼影响的还不多[17],考虑的方法也不完善,应进一步研究。

4　钻头受力
对钻柱进行静力分析,可将钻头处的边界条件按铰支处理,纵向为自由端,横向为铰支承。

实际上,受钻头结构、地层硬度和不均匀程度、钻柱长度和刚度等多种因素的影响,钻头的位置、受力和变形等情况必然是在随时间不断变化,即是时间的函数[18-19]。

蹩钻时钻头处的冲击力会使钻柱剧烈振动,井口扭矩和钻压剧烈变化。

钻头的反转也会使钻柱产生剧烈晃振。

侧钻水平井井眼小,重力影响大,钻头反转的可能性大,而且钻头横向力将成为振动激励源,因此进行侧钻水平井钻柱动力学特性研究时,不能忽略钻头的受力状态。

5　问题讨论
关于钻柱力学问题,国内外许多学者已经作了大量的工作,考虑了底部钻具组合对井眼轨迹的影响,提出了考虑钻柱摩阻的整体钻柱拉力、扭矩模型,研究了钻柱屈曲问题,计算了动应力分布,但考虑的因素并不全面,成果可用性差。

随着深井、超深井、定向井、水平井及欠平衡钻井等钻井新技术的发展,钻井工程设计和钻进过程控制迫切需要采用钻柱动力学理论来进行指导。

在侧钻水平井钻井过程中,经常采用倒装钻铤作业,这种作业的钻柱动态特性更有其特殊性。

笔者认为在钻柱动力学方面的研究应重视以下几点:
1)　在实验研究的基础上进行钻柱姿态仿真,详细研究侧钻水平井钻柱的反转运动,真实反映井筒内钻柱的运动状态,探索其横向振动,并为接触摩擦的计算提供依据。

2)　将钻柱运动状态和弯曲变形与接触摩擦结合起来,精确分析钻柱摩阻特性,建立适于工程应用的动态拉力2扭矩模型,进而探索动态减阻与防卡的方法。

3)　在考虑钻井液阻尼影响时,将钻井液简单处理为附加质量,与实际的差别较大,应将钻柱内外的钻井液分别处理,内部钻井液按附加质量来处理,外部钻井液按阻尼来处理。

4)　研究钻柱动力学特性与钻头受力的相互影响,分析钻头切削特性,进而实现井眼轨迹的动态控制。

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　张宝增,等:侧钻水平井钻柱动力学几个关健问题研究
收稿日期:2006203213
基金项目:四川省制造与自动化重点实验室基金项目(SZD -Z02244)钻井液振动筛工作理论研究资助作者简介:杜春文(19712),男,四川邻水人,硕士,主要从事机械和钻井专业的教学和科研管理工作。

文章编号:100123482(2006)0520012203
钻井振动筛基本参数的合理选择
杜春文1,朱维兵2
(1.长庆石油勘探局培训中心,陕西西安710000;2.西华大学,四川成都610039)
摘要:钻井振动筛能否实现良好的性能,取决于基本参数的选择。

文章对抛掷指数、筛面倾角、激振频率、振幅、振
型、振动方向角、筛网以及工艺参数对振动筛处理量和固相运移速度的影响做了探讨和理论分析,并提出了相应参数的选择参考值,为振动筛的设计和使用提供理论依据。

关键词:振动筛;动力参数;工艺参数;选择
中图分类号:TE926 文献标识码:A
B asic parameter selection of drilling fluid shale shaker
DU Chun 2wen 1,ZHU Wei 2bing 2
(1.T raining Center of Changqing Pet roleum Ex ploration B ureau ,X i ’an 710000,China;
2.X i hua Universit y ,Cheng du 610039,China )
Abstract :The capability of a drilling fluid shale shaker depends on it s basic parameters selecting.The main factors such as t hrowing index ,t he angle of t he deck ,exciting f requency ,vibrating range ,vibrating pat 2tern ,vibrating angle ,vibrating screen ,technology parameters ,etc ,t hat affect t he flow capacity and solids conveyance speed of t he shaker are analyzed ,and the choice of dynamic and technology parameters of the shaker is discussed systematically ,the results will be of significance to the design and using of a shale shaker.K ey w ords :shale shaker ;dynamic parameters ;technology parameters ;selection
钻井振动筛是石油钻井固相控制系统中的关键设备,其主要用途是净化、回收钻井液和尽可能多地清除有害固相颗粒(岩屑)。

一台良好的振动筛应当是钻井液处理量大,固相颗粒运移速度快,以及有较长的使用寿命等。

振动筛处理量是指在保证清除效率的条件下,单位时间内通过筛网含屑钻井液的液
量。

研究表明,影响振动筛处理量和固相运移速度
的因素很多,主要包括钻井液的性能参数;固相颗粒的类型、含量和粒度分布,筛网的目数和编织结构,筛箱特征点的运动轨迹、抛掷指数、振幅、振动方向角和激振频率以及筛面倾角等。

要使振动筛性能达到最佳,必需合理地选择其性能参数。

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