单钟摆钻具组合受高钻压作用的力学特性分析

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采用 200kN 钻 压, 1∀井斜角进行 计算。通过计 算 可以发现三根钻铤的钟摆钻具在 1∀~ 2∀井斜角时, 钻头 到稳定器之间的钻铤会和井壁产生接触点, 此时钻铤与 井壁的接触点相互作用会抵消很大一部分下部钻铤沿 井壁方向的分量, 减小钻头侧向力。其横向位移变化如 图 5。从图 5 可以看出 , 整个下部钻具组合, 除了上切 点与井壁接触外, 在以钻头与稳定器之间将出现一个新 的接触点 , 此时钟摆力由新接触点到钻头之间的钻铤提 供, 大大降低钻具的纠斜性能。图 6 、 7 给出了钻压分别 采用 100kN 、 120kN 、 140kN 、 160kN 、 180kN 、 200kN 时 单钟摆钻具组合 ! 的各种力学特性。
防斜打快一直是钻井工程重点关注的问题。近年 来, 随着技术的进步出现了许多新型的防斜打快技术 , 如垂直钻井系统、 导向钻井系统等。但这些技术由于受 使用条件和成本的限制, 难以推广应用。单钟摆钻具组 合仍是国内钻井工程中井斜控制的主要手段 , 在纠斜以 及正常钻进中普遍采用这种钻具组合形式。在实践中 发生井斜时 , 通常使用钟摆钻具组小钻压吊打 , 靠钻头 侧向力来纠斜, 达到控制井斜的目的。但是在某些非易 斜地区, 在井斜角不大时, 现场技术人员为了提高机械 钻速也采用了较大的钻压进行钻进 , 井斜并没有随钻压 的增加而增加。对于单钟摆钻具组合在高钻压条件下 的力学性能研究得较少 , 因此 , 从理论上分析单钟摆钻 具组合高钻压下控制井斜的特性, 将有助于更好地使用 这种钻具组合。 1 单钟摆钻具组合有限元模型的建立 [ 7 8] 对单钟摆钻具组合力学分析采用有限元法 。把 下部钻具组合看作梁单元建立力学模型 , 在结构离散化 之后 , 就可以对单元进行特性分析。对于受轴向压力和 处于平面弯曲的钻铤单元 , 轴向位移的位移模式可以取 x 的线性函数 , 而对于挠 度则可以用三 次多项式来表 示。将节点 i 和 j 的位移用轴向位移 ( ) 、 挠度 ( ) 和转 角 ( ) 来表示 : T T {! i } = [ ui vi i] , { ! j } = [ uj vj j ] ( 1) 经过理论推导得到其基本的结构平衡方程为 : [ K] {! } = { R} ( 2) 式中 : { ! } 整个结构的节点位移列阵; { R} 节点载荷列阵; [K] 整体刚度矩阵。
图1
单钟摆钻具组合
示意图
单钟摆钻具组合 ! ( 见图 2) : 215. 9m m 钻头 + 159mm 钻铤 27m+ 214mm 稳定器 + 159mm 钻 铤数根。
图2
单钟摆钻具组合 ! 示意图
钻具组合 和钻具组合 ! 的区别在于两套钻具组 合第一跨钻铤采用的长度不同, 钻铤长度分别是 18m 和 27m 。
由平衡方程式, 在给定节点载荷 和边界约束条 件 下, 求得节点位移, 最后由应力矩阵式和求出来的节点 位移计算单元的应力, 并加以整理得出所需的结果。 2 高钻压作用下单钟摆钻具组合力学性能分析 采用如图 1 、 2 所示两种不同钟摆长度的单钟摆钻 具组合 和钻具组合 ! 。采用有限单元法, 对这两种钻 具组合进行力学分析。 单钟摆钻具组合 ( 见图 1) : 215. 9m m 钻头 + 159mm 钻铤 18m+ 214mm 稳定器 + 159mm 钻 铤数根。
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西部探矿工程
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单钟摆钻具组合受高钻压作用的力学特性分析
尹 虎1, 2 , 李 黔2
( 1. 西南油气田采气工程研究院, 四川 广汉 618300; 2. 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室, 四川 成都 610500) 摘 要: 过去对单钟摆钻具组合的研究主要集中在吊打纠斜方面, 然而在实践中这种钻具组合在非易
由计算结果可知 : 三根钻铤的单钟摆钻具组合在高 钻压的作用下, 下部钻铤可能和井壁接触, 并产生接触 力; 钻压增大钻头纠斜力逐渐减小 , 然后反向变成增斜 力, 接触点的接触逐渐增大。在 1∀井斜角时, 钻压超过 140kN 时, 钻头侧向力反向, 侧向力由纠斜力变成增斜 力。在 2 ∀井斜角时, 钻压超过 200kN 时 , 钻头侧向力变 为 0。可以把接触点理解成为钻铤处安装了一个垫块 ( 类似定向造斜钻具 ) , 所以在钻压足够大的情况下 , 钻 头侧向力会变成造斜力。钻头转角随钻压增大而增大 , 但变化不 大, 都 在 0. 25∀左右 , 处于一 个较高的 水平。 钻柱弯曲严重, 由钻头转角造成井斜的因素比较突出。 3 单稳定器钟摆钻具组合应力分析 为了评价钟摆钻具组合在高钻压作用下能否安全 使用 , 采用 200kN 钻压, 1∀井斜角进行计算。计算结果 见图 8。从计算结果可以看出, 单钟摆钻具最大应力出 现在稳定器 处, 最大 等效 应力为 22M Pa, 最大 弯矩为 4540N % m, 在这种应力条件下 , 钻柱可以安全的使用。 4 结论 ( 1) 通过计算分析, 揭示了单钟摆钻具组合在小井
钻具组合 I 第一跨钻铤增加 9m( 1 根 ) 得到钻具组 合 ! , 这样可以得到更大的钻头侧向力。这种通过增长 钟摆长度来达到提高钻具组合纠斜能力的处理办法在 大 尺 寸 井 眼 ( 如 444. 5m m ) 中 经 常 使 用, 但 在 215. 9mm 井眼中这种钻具组合不一定能适应在大钻 压下工作。单钟摆钻具组合使用时要注意一点的是钻 头到稳定器之间钻挺不能与井壁接触, 一旦接触将使其 # 有效钟摆长度∃ 大大减少 , 钟摆力也会随之降低, 可能 使整套钻具组合失去纠斜效果。如果在 215. 9mm 井 眼中第一跨钻铤长度增加到 27m , 在高钻压作用下是否 会与井壁接触呢? 如果接触其力学性能将发生什么样 的变化? 接下来就这个问题进行详细的分析。
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西部探矿工程 钻具组合 I 计算结果分析 采用 1 ∀、 2∀井 斜 角, 采 用 100kN 、 120kN 、 140kN 、
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Байду номын сангаас
时, 钻头转角变为正值了 , 钻进方向是沿井斜方向。由 钻头转角 而造 成 井斜 的 矛盾 开 始出 现, 由 于其 值 在 0. 03 ∀这一较小的范围内, 所以它对井斜的影响并不突 出。增大钻压钻头转角减小 , 即钻头转角增斜的效果减 弱。所以适当增加钻压 , 有利于控制井斜。 综上分析 , 不考虑地层造斜的影响或地层造 斜较 弱, 在井斜角很小( < 2∀) 的情况下, 钻具组合 在 140~ 200kN 的高钻压下不会造成井斜。但通常在地层造斜 的影响下 , 采用太高的钻压, 机械钻速较快, 钻头侧向力 来不及切削下井壁 , 容易造成井斜。因此钻压控制 在 140kN 左右较为合适。由于在各地区地层条件各不相 同, 钻井参数也要因地制宜, 适时调整, 以达到钻快和井 斜控制的平衡。 2. 2 钻具组合 !计算结果分析
[ 3]
收稿日期 : 2009 04 09 项目来源 : 本文受莫深 1 井钻井技术研究 ( 项目编号 : C404070) 资助。 第一作者简介 : 尹虎 ( 1978 ) , 男 ( 汉 族 ) , 2007 年毕业 四川大 学获博 士学 位 , 主要从事油气井工程 方面科 研工作 , 现工 作于西 南油气 田博士 后工 作站。
图5
钻具组合 ! 横向位移变化示意图
图 4 钻具组合
钻头转 角钻压变化
再从钻头转角的角度来分析, 从图 4 可以看出在井 斜角较小的情况下, 钻头转角较小 , 钻柱弯曲对井斜的 影响不大。随钻压的增加 , 钻头转角减小, 方向由正变 负, 钻柱弯曲方向发生了变化。当井斜角为 1∀时 , 钻头 转角为负。说明第一跨钻铤向上井壁弯曲, 此时的钻进 方向是沿井斜的反方向。这一点对于防斜有重要的意 义, 假设此时地层造斜力为 0, 这套钻具组合在井斜角 小于 1∀时钻进始终不会造成井斜。当井斜角增加到 2∀
160kN 、 180kN 、 200kN 钻压, 对 钻具组合 I 进 行计算。 计算结果见图 3 和图 4 。其中钻头转角 : + 表示钻头方 向沿井斜的方向; - 表示沿井斜的反方向。钻头侧向 力: + 表示增斜力; - 表示降斜力。
图 3 钻具组合
钻头侧向 力随钻压变化
由计算结果可知 : 随钻压的增加, 钻头侧向力增大 , 但影响较小 ; 井斜角越大 , 钻头侧向力越大; 钻头侧向力 为负值, 有轻微的降斜效果 , 钻压的增加有利于增加降 斜力。由于井斜角较小, 钻头到稳定器这段钻具重量沿 井壁方向的分量产生的钻头侧向力也较小。当井斜角 为1 ∀时, 钻 压从 100kN 增加到 200kN, 钻头侧向力从 - 104. 71N 增加到 - 135N, 增加幅 度不大。虽然钻头 侧向力控制井斜的能力不强 , 但此时井斜本来就很小 , 并不需要太大的钻头侧向力来纠斜。
斜地区当井斜较小时可以加大钻压钻进而不会增加井斜 , 对此现象进行研究 , 揭示了其控制井斜的机 理。 研究表明 : 在小井斜条件下单钟摆钻具组合采用高钻压钻进, 钻头和稳定器之间钻铤弯曲程度较 小, 钻具组合弯曲对井斜的影响不大, 甚至可能出现钻柱向井斜反方向弯曲的现象, 使其变成纠斜钻 具组合; 单钟摆钻具组合在高钻压下应力处于一个较低的水平 , 在安全使用的范围内。 关键词: 钻压 ; 钟摆钻具 ; 井斜; 力学 中图分类号: T E24 文献标识码: A 文章编号: 1004 5716( 2010) 06 0071 03
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图 6 钻具组合 ! 侧向力 随钻压变化
图 8 钟摆钻具组合等效应力分布
斜条件高钻压作用下控制井斜的机理。 ( 2) 研究表明单钟摆钻具组合在高钻压作用下 , 其 应力状态处于较低的水平, 可以安全使用。 ( 3) 高钻压下单钟摆钻具组合的合理使用要以钻头 和稳定器之间的钻铤不与井壁接触为原则。
参考文献 : [ 1] 图7 钻具组合 ! 钻头转角随钻压变化 [ 2] 尹虎 , 李 黔 , 等 . 单 弯 螺杆 控制 井 斜力 学特 性 分析 及应 用 [ J] . 天然气工业 , 2004( 6) . 李黔 , 尹虎 . 预 弯纠斜 钻具 组合设 计与 机理分 析 [ J] , 天然 气工业 , 2004( 增刊 B) . 殷朝阳 , 等 . 直井防斜钻具 组合技 术综述 [ J] . 天 然气工 业 , 2000. [ 4] [ 5] M illheim K K . Bot tom H o le assembly anslysis using finite element method [ J] . JPT , 1978, 30( 2) : 265 274. M ichel B. A microco mputer prog ram for predictio n of bot tom hole assembly tr ajector y[ J] . SPE Drilling Eng ineering , 1988, 3( 3) : 167 172. [ 6] L iZifeng , M aX ing, Huang Wenhu, et al. 3D Analy sis o f bot tom H o le A ssembly under L ar ge Deflect ion[ J] . SPE D rill ing & Completio n, 1996, 11( 2) : 104 110. [ 7] [ 8] 徐次达 , 华伯 浩 . 固体 力学有 限元 理论、 方 法及 程序 [ M ] . 北京 : 水利电力出版社 , 1983. 白家祉 , 苏义脑 . 井斜控 制理论 与实践 [ M ] . 北京 : 石 油工 业出版社 , 1990.
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