深井随钻扩眼钻柱动力学分析及钻井参数优选

2015-12-16 11:58孙伟佳付建红杨兰田侯子旭
西部探矿工程 2015年2期
关键词:钻柱井眼钻具

孙伟佳,付建红,周 伟,杨兰田,侯子旭

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学,四川成都610500;2.中石化西北分公司工程技术研究院,新疆乌鲁木齐830000)

深井随钻扩眼钻柱动力学分析及钻井参数优选

孙伟佳*1,付建红1,周 伟2,杨兰田2,侯子旭2

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学,四川成都610500;2.中石化西北分公司工程技术研究院,新疆乌鲁木齐830000)

随钻扩眼技术存在着钻柱动力学稳定性差、扩眼效果不理想等问题。为了解钻压、转速对大斜度小井眼随钻扩眼钻井中的影响,基于有限元分析方法,通过模拟双中心钻头随钻扩眼作业过程(将Ø149.2mm大斜度井眼扩至Ø170mm井眼),建立了适合大斜度小井眼随钻扩眼钻柱动力学分析模型,模拟了不同钻压、转速下全钻柱关键位置处钻杆运动状态、扭转角速度、有效应力随时间的变化,据此优化现场随钻扩眼作业中的钻压和转速,为随钻扩眼措施的制定提供理论支持。

随钻扩眼;动力学模型;钻压;转速

随钻扩眼技术可以有效地解决深井/超深井大斜度小井眼开窗侧钻作业中面临的诸多工程技术问题。如井眼尺寸小,环空间隙小,难以下入合适的生产管柱,难以保证固井质量等。但同时随钻扩眼技术也存在着钻柱动力学稳定性差、扩眼效果不理想等问题。在随钻扩眼作业过程中,钻压和转速是最为重要的2个可控钻井参数,不合理的钻压转速会使钻柱振动加剧,与井壁接触造成钻柱的疲劳破坏,影响井眼质量,造成井下事故。本文基于有限元动力学分析方法,建立钻具—地层有限元动力学分析模型,模拟随钻扩眼过程中,不同钻压、转速对钻具运动轨迹、扭转角速度及钻杆等效应力的影响。进而为优化深井大斜度小井眼随钻扩眼作业中的工作参数,解决小井眼随钻扩眼作业中稳定性差、扭矩突变所引起的钻柱破坏问题提供理论依据。

1 随钻扩眼钻柱动力学模型的建立

1.1 模型建立

选取六自由度管单元作为基本研究对象,利用弹簧单元模拟井架和钢丝绳,质量单元模拟游动系统、水龙头,管单元模拟钻柱,将所建模型划分单元进行动力学计算,钻柱瞬态动力学模型见图1。

图1 钻柱瞬态动力学模型

模型考虑的几何及力学因素包括:①钻柱浮重;②破岩工具承受的钻压;③钻井液产生的附加质量及阻尼;④井眼曲率造成的钻柱初弯曲(将弯曲井段各节点所受重力等价为横向分布力和纵向分布力,然后施加于各节点上);⑤钻柱质量偏心;⑥钻柱结构及尺寸等。

物理模型中,Kf1a、Kf1t为井口轴向弹簧、扭转弹簧弹性系数,表征钻杆与水龙头之间的轴向及扭转作用;Kf2a、Kf2t为地层轴向弹簧、扭转弹簧弹性系数,表征钻头与弹性地层间的轴向及扭转作用;Cfa、Cft为地层弹性及扭转阻尼系数,表征钻头切削地层的能量损失。

1.2 模型求解

边界条件:领眼及扩眼钻头处节点仅允许纵向和扭转运动(绕井眼轴线方向),井口处节点允许纵向及扭转运动,钻柱节点允许横向、纵向和扭转运动,其余节点自由度全部约束。

WOR(t)、TOR(t)为施加在扩眼钻头上的激励力及激励扭矩,WOB(t)、TOB(t)为施加在领眼钻头上的激励力与激励扭矩。其中:

式中:Nr——领眼或扩眼钻头PDC切削齿辐条数;

ω——转速;

A0——比例系数。

模型算法:瞬态动力学分析用于求解受任意动载荷结构上的动力学响应。确定结构在静荷、瞬态载荷和简谐载荷的组合作用下位移、应变、应力及力随时间变化规律。其运动方程,可用Newmark时间积分法求解。

式中:{} δ——钻柱各节点广义位移矩阵;

{δ·}——钻柱结构各节点广义速度矩阵;

{δ··}——钻柱各节点广义加速度矩阵;

[M]——钻柱结构总体质量矩阵;

[C]——钻柱结构总体阻尼矩阵;

[K]——钻柱结构总刚度矩阵;

{}

R——钻柱结构广义外力矩阵。

2 钻压、转速对钻柱动力学特性的影响

2.1 模拟参数

扩眼工具:Ø146mm×Ø165mm×Ø120.65mm双中心钻头(领眼钻头长0.026m,扩眼部分长度0.039m)。

钻柱结构:双中心钻头+Ø120mm可调式单弯螺杆+单流阀+Ø88.9mm无磁承压钻杆1根+Ø120mmMWD短节+Ø88.9mm无磁承压钻杆1根+Ø88.9mm钻杆30根+Ø88.9mm加重钻杆15根+Ø88.9mm钻杆。

井眼状况:扩眼后井眼尺寸是Ø170mm,环空间隙为40.6mm,扩眼井段是5695~5825m,井眼曲率取5°/30m,造斜点深度为5695m,扩眼终点井斜角为40°。

2.2 钻压影响模拟及分析

设定转速(45r/min),井眼参数及钻柱结构参数为定值,通过改变钻压,分析不同钻压对钻具运动轨迹、扭转角速度及等效应力的影响。

(1)钻压对钻具运动轨迹的影响。由图2可知,随着钻压的增大,钻杆运动轨迹趋于复杂,钻具的纵向、横向位移均增大,纵向(高低边)变化尤为显著,其中Y轴负方向为钻柱低边方向,Y轴正方向为高边方向。90kN钻压下,距井底15m处的钻具已与井壁发生接触。

图2 钻压30kN、60kN、90kN条件下距井底15m处钻具运动轨迹

(2)钻压对扭转角速度的影响。由图3可知,扭转角速度振幅与频率随钻压的增大而增大,90kN钻压下的扭转角速度较30、60kN钻压情况下明显增大,钻柱振动加剧,大钻压情况下易引起钻柱疲劳破坏。

(3)钻压对钻杆等效应力的影响。钻压对近钻头钻杆处等效应力的影响见图4。由图可见,钻杆处等效应力值随钻压的增加而增大,等效应力越大,钻杆越易出现疲劳破坏。

2.3 转速影响模拟及分析

设定钻压(30kN),井眼参数及钻柱结构参数为定值,通过改变转速,分析不同转速对钻具运动轨迹、扭转角速度及钻杆处等效应力的影响

图3 钻压对近钻头钻杆扭转角速度的影响

图4 钻压对近钻头钻杆处等效应力的影响

(1)转速对钻柱运动轨迹的影响。由图5可以看出,转速越高,钻具横向位移越大,从而导致振动越剧烈。转速主要影响井下BHA的水平方向的横向运动,转速对钻杆高低边方向位移影响不大。主要原因是转速影响到质量偏心引起的不平衡力,转速越高,不平衡力越大,导致垂直于高低边方向的横向位移越大。

图5 转速30r/min、60r/min、90r/min条件下距井底30m处钻具运动轨迹

(2)转速对扭转角速度的影响。转速对螺杆处扭转角速度的影响见图6。由图可知,扭转角速度波动均值和频率也随转速的增大而增大,转速对螺杆处扭转角速度影响明显。

图6 转速对螺杆处扭转角速度的影响

(3)转速对等效应力的影响。由图7可知,井口处钻杆等效应力波动幅度随转速的增加而增加,转速越高,等效应力波动频率越高,钻柱承受波动载荷越大,越易出现疲劳损坏。

图7 转速对井口处钻杆等效应力的影响

3 结论

(1)考虑钻柱质量偏心、质量/刚度阻尼、钻井液附加质量、井眼尺寸及轨迹参数、领眼/扩眼钻头钻压扭矩分配等因素的影响,建立了符合深井大斜度小井眼随钻扩眼钻柱动力学模型,提高了计算结果的准确性。

(2)对于本文给定的钻柱结构和模拟的钻压、转速数据,推荐当扩眼施工钻压控制在30~50kN,复合钻进时转速为30~60r/min时,钻柱关键位置处扭转角速度、等效应力都较小,运动状态较平稳,因此可以选择该钻压和转速范围作为实际钻压和转盘转速。

(3)过大的钻压和过快的转速都容易加剧钻柱的疲劳破坏。通过优化钻压和转速,可较大幅度地减弱钻柱的振动,降低钻柱的动态工作应力。该结果对于工程实际具有指导意义,并为现场操作提供理论依据。

[1] B.Meyer-heye;H.Reckmann;G.-P.Ostermeyer.Underreamer Dynamics[J].SPE/IADC 139893,2011.

[2] 付建红.下部钻柱有限元动力学仿真研究[J].西南石油大学学报:自然科学版,2008(6).

[3] 石晓兵,陈平,熊继有.油气深井随钻扩眼钻柱扭转振动分析[J].西南石油大学学报:自然科学版,2008.

[4]胡以宝,狄勤丰.斜直井眼中转速对钻柱动力学特性的影响[J].工程力学,2010.

[5] 章扬烈.钻柱运动学与动力学[M].北京:石油工业出版社,2001.

[6] 夏炎.随钻扩眼工具结构及与之相匹配的钻具组合设计方法研究[D].中国石油大学,2006.

[7] B.C.Sketohler,C.M.Fieldar,and B.E.Lee.New Bi-Center Technology Proves Effective in Slim Hole Horizontal Well[J]. SPE/IADC29396,1995.

[8] Carlos Perez Tellez,et al.Application of Advanced Dynamics Modeling Significantly Improves the Stability of Rotary Steerable Drilling with Roller Reamer[J].IPTC 13978,2009.

[9]石晓兵,施太和.下部钻具组合应力水平影响因素的敏感性分析[J].石油矿场机械,2001.

Drill String DynamicsAnalysis of Deep Well Reaming While drilling and Drilling Parameter Optimizing

SUN Wei-jia1,FU Jian-hong1, ZHOU Wei2,YANG Lan-tian2,HOU Zixu2
(1.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,SouthwestPetroleum University,Chengdu Sichuan 610500,China;2.SINOPEC Northwest Branch Company Engineering Technology Research Institute,Urumqi Xinjiang 830000, China)

Reaming while drilling(RWD)technology has some disadvantages in drilling operations,such as poor stability in drill string dynamics,non-ideal reaming effect.In order to learn how the WOB(weight on bit)and ROP(rate of penetration)affect the process of RWD operation,based on finite element method(FEM), the paper simulated the reaming process of double center bit(to enlarge highly declined well hole from Φ149.2mm toΦ170mm),and built the RWD drilling string dynamic model to simulate the varying tendency of drill string motion state,torsion angular rate and stress with time at the vital location of drilling string under different WOB and ROP.The results are helpful to optimize RWD technological applications and provide theory supports for RWD drilling operations.

reaming while drilling(RWD);dynamic model; WOB;ROP

TE245

A

1004-5716(2015)02-0020-04

2014-03-12

2014-03-21

超深深井开窗侧钻钻井技术配套(编号:2011ZX05049-002-002)。

孙伟佳(1987-),男(汉族),山东滨州人,西南石油大学在读硕士研究生,研究方向:钻井工艺。

猜你喜欢
钻柱井眼钻具
钻具失效原因分析及对策研究
深水无隔水管钻井钻柱三维振动响应特性研究*
基于应力刚化效应的直井钻柱横向振动分析
新疆玛湖油田水平井低摩阻导向钻具组合优选与应用
煤层气多分支水平井分支井眼重入筛管完井技术
推靠式旋转导向系统底部钻具组合动态安全评价方法
伊拉克H 油田Sadi 油藏鱼骨井井眼布置方案研究
自适应BPSK在井下钻柱声波传输中的应用
国外潜孔钻具研发方面的新动向
长庆油田储气库水平井大井眼钻井技术