《深井满眼、钟摆钻具防斜性能分析评价》由会员分享，可在线阅读，更多相关《深井满眼、钟摆钻具防斜性能分析评价（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、深井满眼、钟摆钻具防斜性能分析评价 吕长文张书瑞 ( 大庆石油管理局钻探集团钻井一公司，黑龙江大庆) 摘要：针对深井大倾角地层，根据底部钻具振动规律，建立了受力分析模型，进行了满眼钻具组合、钟摆钻具组合 受力分析，进而阐述了两种钻具组合的力学特性以及它们的适用范围，确定了不同倾角地层使用边界条件，以及钻进参 数，掌握了深井满眼、钟摆钻具防斜基本性能。在实际应用中见到了良好效果，实现了防斜打快的目的。 主题词：钻具组合振动分析振动受力分析防斜深井 随着大庆油田深层勘探领域的不断拓宽，在深井施工中，登娄库组以下地层多次钻遇大倾角地层。 根据深井地层倾角测井资料统计，登楼库组以上地层倾角在1 0 0
2、 以内，侏罗系地层倾角达2 0 0 - 3 0 0 。 在深井钻井中，钻具组合的合理确定直接关系到井身质量的好坏和钻井速度的快慢。大庆深井钻具组合 常用的只有满眼、钟摆钻具两种，既要满足防斜需要，又要保证加快钻井速度。所以掌握钻具组合性能 具有重要意义。 一、底部钻柱振动规律分析 在钻井过程中，是通过钻柱向钻头传递动力，靠钻头的牙齿、切削刃和射流破碎岩石形成井筒的。 为了控制井眼钻进的方向，靠近钻头的一段钻柱外径和抗弯刚度较大，并在一定位置上安放一定规格的 稳定器，下部钻柱只有稳定器和钻头接触井壁，钻柱本体则基本不与井壁接触。由于钻头牙齿间断地与 地层接触或岩石的间歇破碎，导致钻头并带动钻柱振
3、动。钻柱振动按形式分为纵向振动、扭转振动和横 向振动三类。 l 、纵向振动。纵向振动指的是钻柱沿其轴向的伸缩运动。该种振动产生的原因是井底不平、钻头 牙齿间歇压入岩石和岩石间歇破碎。钻头的振动以弹性波的形式通过钻柱向地面传播，到达地面后再沿 钻柱向钻头回传。由于钻井液的阻尼作用，在传播的过程中，振动波形逐步变化，振幅逐步减小。但当 钻头振动的频率为钻柱固有频率的整数倍时，钻柱将处于共振状态。钻柱内的交变应力和振幅相当大， 导致钻柱断裂或粘扣。 2 、扭转振动。扭转振动指的是钻柱绕其中心线的旋转运动。该种振动产生的原因是钻头间歇破碎 岩石时所产生的变化转速。扭矩波动使钻柱产生绕自身轴线的旋转波动
4、，以弹性波的形式通过钻柱向地 面传播，到达地面后再沿钻柱向钻头回传。由于钻井液的阻尼作用，在传播的过程中，振动波形逐步变 化，振幅逐步减小。但当钻头振动的频率为钻柱固有频率的整数倍时，钻柱将处于共振状态。钻柱内的 剪切交变应力也达到较大的数值。 、 3 、横向振动。横向振动指的是钻柱中心偏离井眼中心的振动。产生该种振动的原因一是钻头间歇 破碎岩石所产生的轴向交变力和位移，二是钻柱绕井眼中心的涡动。在大斜度定向井中，以前一原因为 主，横向振动主要发生在靠近钻头的一段具有稳定器的钻柱上。在垂直井中，则可能以第二原因为主， 横向振动主要发生在受压段上。 上述三种振动在钻井过程中始终存在，相互作用，相
5、互影响，并以纵向振动为主。 二、底部钻具组合力学特性分析模型 应用纵横弯曲连续粱理论，对井下钻柱组合进行二维分析，只考虑井斜角的变化而不考虑方位角 的变化，对于直井钻进来说，这完全可以满足要求。将井底钻具组合所在井段的中心线看作是位于铅直 平面内的一条圆弧。 4 7 下部钻柱所处的井眼曲率为k ，钻头处B 点为坐标原点，建立直角坐标系，x 轴代表井身曲线在钻 头处的切线方向，Y 轴向上为正。在下部钻柱上所受的载荷有横向载荷和轴向载荷。 为了适用于一般情况，设下部钻柱具有N 个稳定器，这N 个稳定都与井壁点接触，则各稳定器接 触点的纵坐标可由下式计算： 1f Y ，= 去七( 扩一哆 ( 1 )
6、 J = l 式中：卜第j 跨钻柱的长度 g 广一第i 个稳定器直径与井眼直径差值的一半 e i - - - 0 5 ( D o - D s i )( 2 ) 式中：D D 井眼直径 D ，广一第i 个稳定器直径 将钻头和各稳定器间的接触视为简单铰支，钻柱将在钻压、自重等作用下发生变形，第N 个稳定 器上面的钻柱将与下井壁相切，切点为T 。将钻具组合从钻头处O 点及各稳定器S 1 、S 2 S N 和上切点 T 处断开，并在端部附加内弯矩M l 、M 2 、M N 和M T ，即可得到N + I 跨纵横弯曲载荷作用的简支梁。基 中M T 可由钻柱变形条件求得： Mr=KEIN+l(” 式中：E
7、 弹性模量 I N + l 极惯性矩 在整个钻具组合中，根据位移连续性条件，每个稳定器左右两跨梁的转角相等。每一跨都分别作用 着均布侧向力、轴向力和弯矩。根据纵横弯曲法对每一跨梁柱进行求解，就职得到各端点的转角。然后 利用叠加原理，就可列出在各载荷作用下的转角计算公式。 根据连续性条件，并简化整理得三弯矩方程组： 也- z ) + 2 w y ) + 锻y + 1 ) 】榭M 撼z + 1 ) 一q 4 i l i ：X ( u i ) q i + l i + 2 ；1 i 龇+ 1 ) 一T 6 E l i ( 半一警) q N + ，X ( u + 1 ) 如+ 。4 + 4 1 2 M
8、+ 。Y ( u + 。) + 肘Z ( u + 1 ) 如+ 。2 ：2 4 E I M i t + l ( N + 1 0 ) K y + l + 】 方程组中：x ( “。) ：3 ( t g ( u 了1 ) - u i ) H j ( 6 ) ( 4 ) ( 5 ) y ( “| f ) = 五3 ；( z i l 一石1 ) z ，= 云c 去S i l lU 一寿A U “， Z ff z i = 生21 - 旦E I i p 厂鼍喜i 跨梁所受的轴向力 一患 q i 第i 跨梁所受的横向均布力 ( 7 ) ( 8 ) ( 9 ) p i = P i J 一0 5 w i 1 l
9、 i - l C O $ O li J 0 S w d i c o sO li( 10 ) q i = w i s i n O l i( 1 1 ) 根据该方程组就可求出各稳定器处的内弯矩和第N 个稳定器以上的切点距离。然后确定出任一跨 的挠度和转角。并根据最大挠度判断在稳定器处是否形成新的切点。如果产生新切点，则把它看成新的 支座，重新求解。 钻头偏转角为： O h = t g l 笱l 。，1 1 )( 1 2 ) 钻头侧向力为： R 日= P os i n 6 b + l ( M l + p 。) ，l + 华)( 1 3 ) 1 l 二 在三弯矩方程组中，内弯矩M i 和上切点距离L
10、，N + l 是未知量，N + 1 个方程组可计算出N + 1 个未知量。 但方程组对l N + l 是非线性超越方程组，可采用二分法多次迭代，求其数值解。 三、影响底部钻具性能因素分析 主要分析各因素对钻头侧向力的影响，侧向力为正降斜，侧向力为负增斜。分析以下四种钻具组合 ( # 1 、襻2 满服钻具，襻3 、苷4 钟摆钻具) o 样l ：巾2 1 5 牙轮0 书2 1 4 螺扶+ 书1 7 8 短钻铤1 5 m + d p 2 1 4 螺扶+ 巾1 7 8 钻铤9 m + 巾2 1 4 螺扶+ 书1 7 8 减 震器5 1 2 m + d p l 7 8 钻铤1 8 m + d p 2 1
11、 4 螺扶+ 审1 5 9 钻铤2 7 m + d p 2 1 4 螺扶+ 巾1 5 9 钻铤1 5 0 m + d p l 2 7 钻杆( 巾 1 7 8 钻铤内径7 4 ，由1 5 9 钻铤内径7 1 ) 。 择2 ：q b 2 1 5 牙轮+ d p 2 1 4 螺扶+ 巾1 5 9 短钻铤1 5 m + 巾2 1 4 螺扶+ 巾1 5 9 钻铤9 m + d ：2 1 4 螺扶+ 由1 5 9 减 震器5 1 2 m + d p l 5 9 钻铤1 8 m + q b 2 1 4 螺扶+ 巾1 5 9 钻铤2 7 m + d p 2 1 4 螺扶+ 书1 5 9 钻铤1 8 0 m +
12、 4 , 1 2 7 钻杆( 七 1 7 8 钻铤内径7 1 ) o 群3 ：审2 1 5 牙轮+ 由1 7 8 钻铤1 8 1 6 m + 2 1 4 螺扶+ 审1 7 8 钻铤9 m + 由2 1 4 螺扶+ 耷1 7 8 钻铤9 m + 耷2 1 4 螺扶+ 巾1 5 9 钻铤1 4 5 m + 币1 2 7 钻杆( 审1 7 8 钻铤内径7 4 ，巾1 5 9 钻铤内径7 1 ) 。 襻4 ：, 1 , 2 1 5 牙轮+ 由1 5 9 钻铤1 8 1 6 m + 2 1 4 螺扶+ 审1 5 9 钻铤9 m + + 2 1 4 螺扶+ 由1 5 9 钻铤9 m + q b 2 1 4
13、 螺扶+ 书1 5 9 钻铤1 3 5 m + 耷1 2 7 钻杆( 审1 5 9 钻铤内径7 1 ) 。 4 9 l 、稳定器的位置对钻头侧向力的影响 满眼钻具第一、第二稳器的距离对钻头侧向力的影响 满眼钻具第一、第二稳定器的距离对钻头侧向力的影响见表1 。 表1第一、第二稳定器的距离与钻具组合钻头侧向力的关系 距离彝l 钻具组合释l 钻具组合 ( 米) 1 4 02 0 02 5 01 4 02 0 02 5 0 R bR bR bR bR b 16 6 4 49 7 4 31 1 5 0 86 6 3 98 舅7 68 4 7 2 1 54 2 7 76 4 8 07 1 2 04 2
14、6 95 7 2 06 4 4 0 2 03 0 7 65 0 6 44 8 2 03 0 5 53 4 2 63 9 8 5 2 52 3 3 93 8 0 43 3 5 12 3 0 62 1 。4 82 3 5 l 3 01 8 3 32 6 1 52 3 0 41 7 8 51 2 1 41 3 3 3 3 51 4 5 51 9 8 41 7 8 81 3 9 24 6 6_ o 3 8 4 01 1 5 51 6 6 51 3 01 0 7 41 7 29 0 注：I k 钻头侧向力( 牛顿)井斜角为2 度，钻井液密度为1 1 5 。、 由表格中的数据可以看出，随着第一、第二稳定器
15、问的距离增大，钻头侧向力不断减小。 钟摆钻具第一稳定器到钻头的距离对钻钻头侧向力的影响 钟摆钻具第一稳定器到钻头的距离对钻头侧向力的影响见表2 。 表2第一稳定器到钻头的距离与钻头侧向力的关系 距离钻头侧向力( N ) ( M ) 群3 钻具组合 一 撑4 钻具组合 81 1 4 91 1 3 8 1 11 7 5 6 9 1 7 7 5 1 42 ：1 2 O2 3 1 1 3 1 72 3 8 1 2 4 1 6 2 02 3 5 7 2 2 9 9 2 31 9 0 51 6 8 6 2 67 7 8 91 9 8 2 7 51 9 9 1 0 9 8 注：井斜角为2 度，钻井液密度为1
16、 1 5 ，钻压为1 4 0 千牛 由表2 数据可知，为使侧向力最大，钟摆钻具第一稳定器与钻头距离应在1 7 m 左右。 2 、稳定器的外径对钻头侧向力的影响 满眼钻具稳定器磨损对侧向力的影响 刚性满眼钻具起着扶正钻头的作用，同时也起着增大刚度，稳定井斜的作用。当稳定器被磨损后， 与井跟形成间隙，则钻头轴线与井眼轴线形成偏转角。满眼钻具稳定器磨损对侧向力的影响见表3 。 稳定器 群1 钻具组合 群2 钻具组合 外径 最大临界偏转角( 。)钻头侧向力( N ) 最大临界偏转角( 。)钻头侧向力 ( M M )( N ) 2 1 40 0 1 9 6 6 7 0 0 26 1 7 2 1 30 0 3 8 1 3 3 4 0 0 3 91 0 8 6 2 1 2 0 。0 5 72 0 0 1 0 0 5 7
