气体钻井全井段钻柱动力学研究

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井下多体钻柱系统瞬态动力学仿真分析

井下多体钻柱系统瞬态动力学仿真分析
[ ] 1 6 -
等把钻柱与井壁处 理 成 刚 性 碰 撞 , 采用位移约束的
6] ; 方法 来 描 述 钻 柱 与 井 壁 的 碰 撞 接 触 [ 张其昌等将 7] 。 以上 2 种方 两者的接触关系利用弹簧约束模拟 [
法虽然能够有效模 拟 两 者 接 触 边 界 条 件 , 但工作量 巨大 , 而且没有考虑 钻 井 液 对 钻 柱 系 统 瞬 态 动 力 学 特性的影响 。 本文 采 用 有 限 元 法 , 根据两种管单元 P I P E 5 9, P I P E 1 6的 力 学 特 性 分 别 建 立 了 钻 柱 系 统 钻进过程中考虑钻井液作用与不考虑钻井液作用下
。2 0世纪8 0年代
随着钻井技术的不断发展 , 国内外学者对井下钻 起, 柱系统 动 力 学 进 行 了 深 入 的 研 究 。 M i l l h e i m K K
2 0 1 3 1 0 2 2 ① 收稿日期 : - - ( ) 山东省自然科学基金 “ 井下控制工程基础理论研究 ” Y 2 0 0 8 F 4 8 基金项目 : , : 肖文生( 男, 陕 西 西 安 人, 教 授, 博 士, 博 导, 主 要 从 事 计 算 机 辅 助 设 计 及 海 洋 工 程 研 究, 1 9 6 6 E-m a i l l i 作者 简 介 : -) - u z h o n a n 2 0 0 7 u c 6 3. c o m。 @1 g y p
( 1. C o l l e e o M e c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n i n e e r i n C h i n a U n i v e r s i t o P e t r o l e u m, Q i n d a o 2 6 6 5 8 0, C h i n a; g f g g, y f g , , 2. S i n o e c T i a n i n LNG C o. L t d. T i a n i n3 0 0 4 5 7, C h i n a) p j j

气体钻井下部钻柱非线性动力学分析

气体钻井下部钻柱非线性动力学分析

( 2 )
基金项 目: 国家 8 6 3计划项 目( 2 0 0 6 A A 0 6 A1 0 3 ) 。
作者简介 : 肖洲 ( 1 9 8 1一 ) , 男, 四川西充人 , 工程师 , 硕士 , 研 究方向为气体钻井技术。

11 9・
肖洲 , 等: 气体 钻 井下部钻 柱非 线性 动 力学分析 着钻井 成 本 的降低 。
移、 速度 、 加 速度 向量 。
3 计算结果分析
3 . 1 下部 钻柱 与 井壁 非线性 接触 分析 当钻柱 旋转 运 动 时 , 钻 柱 在任 一 轴 线 位 置 和 井 眼 圆周 方 向上 都 可能 与 井 壁 产 生 非 线性 碰 撞 接 触 ,
采用 N e w m a r k时 间积 分法 可得 如下 积 分方 案 : 动力 学 平衡 方程 :

接触力开始减小 , 到0 . 2 8 5 S 时法 向接触力减s i g n
1 1 3 . 1 k N, X负方 向接触力 减小 到 4 3 . 2 k N。在 0 . 2 9 S , 钻柱再 次在 正 方 向与 井 壁 接触 , 法 向接 触 力 增
加到 3 2 4 . 9 k N, X 方 向接 触 力 增 加 到 1 2 4 . 3 k N 。Y
1 钻柱 系统 非线性动力学方 程
钻 柱 系 统 可 以假 设 为 六 自由度 有 限元 离 散 系 统, 对应 t 时刻 , 其 动力学 平 衡 方程 可 用 矩 阵形 式 表
示 如 下 一 :
计; ( 3 ) 初始时刻钻铤轴线与井眼轴线重合 ; ( 4 ) 不
考虑 下部 钻柱 磨损 , 钻 头具有 理想 的破 岩效 果 。 井筒 、 钻铤 、 钻头 、 地 层有 限元 模型 如 图 1 所示 。 钻压 5 0 k N、 转速 5 0 r a d / m i n施加 于钻铤顶 部 。

钻柱失效的动力学分析

钻柱失效的动力学分析
关 键词 : 钻柱 ; 动力 学方程 ; 曲变形 ; 弯 最大 弯矩 中图分 类号 : TU1 3 文献标 识码 : 文章 编号 :o 4 5 1 ( o 7 0 一 o 7 —0 9 B 10— 7 620 )2 0 8 3 钻柱 是钻井 过 程 中 的主 要 钻井 工 具 之一 。钻 柱 失 效在石油 钻井界 是普遍 存 往 的。在钻井 过程 中 , 钻柱 处 () 略钻柱扭 转变形 和 与井壁 的摩擦 作用 。 2忽
动力 学 的研 究 方 面 已做 了一 些 工作 , 并取 得 了一 些 成 果 [] 2 。在前人研 究 的基础 上 , 虑 了钻 柱 的重力 、 口 考 井
钻柱在井下工作时 , 受到综合内力 的作用 , 其中弯 曲变形 是钻柱 失效 的主要 原 因[ ; 引起弯 曲变形 的因 2而
1 2 钻柱 动力学 方程 .
在 内、 外充满钻井液的狭长井眼里工作 , 通常承受着拉 、 压、 扭及液力等载荷 , 弯、 其运动 的动态过程十分复杂。 伴随着浅 部油气 层 的长期 开采 , 各大 主力油 田现大 多 已 进人 了开 发 的中后期 , 今后 越来 越多地钻 深井 、 超深井 , 钻具的安全可靠性就成为一个十分突出的问题 。据统 计, 我国各油 田每年发生钻具事故约 50 0 起 , 0  ̄60 经济 损失巨大, 我国每年必须用数亿元人民币的外汇进 口各 种规格的钻杆和钻铤 , 这项费用是十分巨大的[ 。 1 ] 随着石油资源钻探难度的不断加大, 有效地预测和 控制钻 柱 的动 力 学 和 运 动 规 律 , 现 对 井 眼 的精 确 控 实 制 , 少钻柱 内的应 力是 目前 钻井工 程 中的关键技 术 问 减 题, 而解决这些问题 的基础工作之一就是要建立合理可 靠的钻柱动力学模型和方程 , 找到钻柱在钻井过程中在 井下 的实 际运 动规 律和 力学 性能 。因此 , 内外在 钻柱 国

斜直井眼中石油钻柱动力学特性仿真研究的开题报告

斜直井眼中石油钻柱动力学特性仿真研究的开题报告

斜直井眼中石油钻柱动力学特性仿真研究的开题报告
一、选题背景和意义
当前,全球能源需求不断增长,传统能源开采面临压力,非常规能源成为重要补充。

其中,在非常规油气开采技术中,斜直井的应用越来越广泛。

斜直井在油气探采中有着广泛的技术应用和应用前景,然而,斜直井的钻井过程复杂,流体力学仿真分析难度大。

因此,本研究旨在通过对斜直井眼中石油钻柱动力学特性仿真研究,探究该过程中钻柱的受力特性和动态响应。

二、研究内容和方法
本研究将从以下几个方面展开:
1. 收集和整理相关文献,了解钻柱在斜直井钻井过程中的力学特性;
2. 建立斜直井眼的模型,利用ANSYS软件进行有限元分析,模拟钻柱钻进过程中的受力情况,并分析其动态响应;
3. 设计实验方案,开展实验验证仿真结果的准确性和可靠性。

三、研究预期成果及意义
本研究将通过对钻柱在斜直井钻井过程中的力学特性进行仿真分析,研究得出斜直井眼中钻柱在受力过程中的动态响应情况。

同时,可以为斜直井钻井过程中的钻柱设计提供参考,并为后续的相关研究提供数据和思路。

最终,本研究成果对于提高斜直井钻井技术的安全性和可靠性具有重要意义,对于保障油气勘探开采工作的顺利进行具有积极的推动作用。

气体钻井钻柱失效统计及影响因素研究

气体钻井钻柱失效统计及影响因素研究

气体钻井钻柱失效统计及影响因素研究全球非常规天然气储量是常规天然气储量的8.5倍,页岩气在非常规天然气中异军突起,引发了能源行业的革命,美国正常页岩气钻井规模每年16000口左右,大规模“工厂化”作业模式成为页岩气开发的新趋势,高效快速的完成页岩气钻井成为新的目标,长宁区块作为国家页岩气开发示范区,在汲取国外页岩气钻井先进经验的基础上,通过新技术实现钻井提速,长宁区块韩家店~石牛栏组地层岩性变化大、可钻性差,气体钻井技术提速效果好,但实施过程中钻柱失效问题尤为突出,严重制约气体钻井技术的应用[1-2]。

针对气体钻井钻柱失效这一技术难题,前人对钻柱失效影响因素的分析主要集中在地质特征、钻具组合、钻头选择、井径扩大等方面[3-4],较少考虑井眼轨迹设计方面的影响,因此重点分析井眼轨迹设计对气体钻井钻柱失效的影响,为韩家店~石牛栏组地层气体钻井提供一定技术指导。

一、长宁区块气体钻井钻柱失效统计长宁区块自2011年钻成第一口水平井N201-1井,统计已完钻57口水平井,其中在韩家店~石牛栏组层位实施气体钻井的有30口,气体钻井的实施比例达到了52.6%,平均机械钻速6.83m/h,而采用钻井液钻井平均机械钻速仅为3.71m/h,提速效果明显,在实施气体钻井的30口井中,有7口井发生断钻具事故,断钻具的井数占实施井数的23.3%。

断钻具次数达10次,特别是N24-1井断钻具多达4次。

对钻柱失效位置统计,上部钻杆公扣根部位置断裂占40%,另外底部钻柱发生断裂占60%,从钻达层位统计结果分析,石牛栏组钻进过程钻柱失效比例较高,占比70%,韩家店组钻进钻柱失效占比30%,其统计见表1,上述情况表明,气体钻井是该段地层重要的钻井提速技术手段,但钻柱失效问题日益突显。

表1 长宁页岩气韩家店~石牛栏组气体钻井钻柱失效案例统计井号钻达井深(m)钻达层位顶深(m)失效位置失效次数N2-51886石牛栏组551钻杆公扣根部1N4-21758韩家店组565钻杆公扣根部1N6-21716韩家店组1705无磁钻铤母扣台阶 1N6-61979石牛栏组1755加重钻杆母扣根部 12441石牛栏组2325随钻震击器本体 1N11-32757石牛栏组2668钻铤母扣根部1N24-11717韩家店组1706无磁钻铤母扣根部 41994石牛栏组1800加重钻杆母扣根部 2009石牛栏组696钻杆公扣根部2030石牛栏组392钻杆公扣根部二、钻柱失效影响因素分析及对策1.地质特征长宁区块韩家店~石牛栏组气体钻井钻柱失效的7口井中,有5口井是钻达石牛栏组下部地层断钻具,有2口井在韩家店组地层上部钻具断裂,主要原因是韩家店上部岩性为页岩夹灰岩,软硬交错,在气体钻进过程中扭矩波动大,钻柱振动剧烈,石牛栏下部岩性为灰色泥质灰岩,质地坚硬,可钻性差,钻井液钻进平均机械钻速仅有4m/h,实施气体钻井破岩效果差,冲击力大,对钻具造成严重的疲劳破坏。

关于气体钻井全井段井筒冲蚀规律研究

关于气体钻井全井段井筒冲蚀规律研究

关于气体钻井全井段井筒冲蚀规律研究李皋;胡强;冯耀民;孟英峰【期刊名称】《计算机仿真》【年(卷),期】2015(032)010【摘要】气体钻井实际工况中,高速携岩气体会对钻具、井壁及地面管汇等造成冲蚀磨损,是诱发钻井风险的因素之一.针对气体钻井高速携岩气体冲蚀钻具和井壁问题,根据气固两相流理论建立了井筒内钻具居中、井壁扩径、钻具偏心情况下的冲蚀模型,并结合CFD软件对模型进行了相应仿真.对比环空气体流场、钻具冲蚀速率和岩屑运移轨迹可知,岩屑对钻具的冲蚀作用随着井深的增加而逐渐减小,最大冲蚀速率发生在钻具接头迎风面处.井壁扩径情况下,分析钻具与井壁的冲蚀速率和岩屑运动轨迹可知,井壁扩径会加剧岩屑对钻具的冲蚀作用.钻具偏心会在局部加剧钻具和井壁冲蚀作用.【总页数】5页(P154-158)【作者】李皋;胡强;冯耀民;孟英峰【作者单位】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;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;中国石油集团川庆钻探工程有限公司,四川成都610051;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【正文语种】中文【中图分类】TE28【相关文献】1.气体钻井钻杆冲蚀规律研究 [J], 王景;祁健2.气体钻井空井压井井筒气液两相瞬态流动数学模型 [J], 魏纳;孟英峰;吴鹏程;李皋;方强;李鹏杰;陶祖文3.气体钻井全井段环空流场改善方法 [J], 刘伟;李黔;程桥;伍贤柱;王明华;张萍;唐洪发;郑新华;段长春4.气体钻井全井段钻柱动力学研究 [J], 肖国益;蒋祖军;练章华;林铁军;魏臣兴5.气体钻井井筒冲蚀作用定量分析及控制方法 [J], 郭建华;佘朝毅;李黔;孙万里因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。

长庆气体钻井技术研究与实践

长庆气体钻井技术研究与实践

气体钻井技术研究与实践长庆石油勘探局苏里格气田探明储量达6000亿方,是我国西气东输的重要气源之一,勘探面积2万平方公里,但如何高效开发,面临着两大技术问题,一个是如何提高机械钻速,缩短钻井周期;第二个是打开储层后,如何最大限度的保护储层。

长庆石油勘探局从1999年开始进行以天然气为循环介质打开储层的钻井技术研究,通过对地层出水预测、地层稳定性、最佳注气参数等几方面的研究,取得了初步成果,并在陕242、苏35-18井和苏39-14-1井、苏39-14-4井进行了试验,试验数据表明:机械钻速大幅度提高,苏35-18井的钻速达到18m/h,是临井的9倍多,苏39-14-4井的天然气钻进井段为1092m,是迄今为止天然气钻进井段最长的。

通过研究与试验,初步形成了地层出水、稳定性评价、井眼净化技术以及天然气钻井HSE文件。

针对苏里格气田的储层特征,为了最大限度的保护储层不受外来水的污染,长庆石油勘探局于1999年提出以天然气作为循环介质打开储层,并分别于2000年、2002年在陕242井、苏35-18井上进行了试验;2003年以提高机械钻速、缩短钻井周期为目的,在苏39-14-1和苏39-14-4井进行了全井段天然气钻进试验,几项研究与试验均取得了明显的效果。

一、苏里格气田的储层特征分析1.储层特征苏里格气田的主力气藏是上石盒子组盒8,岩性主要是含砾砂岩、石英砂岩及岩屑砂岩,分布着微细裂缝,微裂缝的密度为0.2 0.3条/米;储层空隙中粘土矿物,含量在15%~30%左右,孔隙内自生的粘土矿物主要以伊利石、高岭石为主,少量的绿泥石混层;储层的束缚水饱和度为70%~90%。

2.苏里格气田属于典型的“四低”气田苏里格气田属于典型的“四低”气田:压力系数低,仅为0.85左右;平均渗透率低(0.3~2×10-3μm 2);丰度低;产量低,截至2002年12月,75口井试气产量中,日产大于10万方的井占17.3%,日产4~10万方的井占36%,日产2~4万方的井占18.7%,日产小于2万方的井占28%。

全井钻柱系统耦合振动多体动力学模型的建立与算例分析_程载斌

全井钻柱系统耦合振动多体动力学模型的建立与算例分析_程载斌
1 2] - 、 学者进 行 了 广 泛 的 研 究 , 包 括 现 场 测 试[ 全尺
学研究和工程应用中发挥作用 。
1 模型建立
全井钻柱系统耦合振动多体动力 学 模 型 ( 图 1) 的建 立 , 包 括 钻 柱 系 统 建 模、 钻 柱 与 井 壁 的 接 触/摩 擦描述以及井口和钻头处的边界条件 。 大长细比柔 性钻柱离散为绝对 节 点 坐 标 梁 单 元 , 钻头和稳定器 离散为刚体 , 钻井液的影响包含在附加质量系数 、 系 统阻尼和钻柱与井壁的摩擦系数表征中 。 整体系统 力学模型如图 1 所示 。 1 . 1 绝对节点坐标梁单元 绝对节点坐标法直接采用定义在全局坐标系下 的空间坐标及其梯 度 作 为 广 义 坐 标 , 克服了传统柔 性体描述方法 ( 如 浮 动 标 架 法、 共 旋 坐 标 法、 相对节 点位移法及大转动 向 量 法 ) 由于固连在柔性体上的
1 5] 局部参考坐 标 系 而 导 致 运 动 方 程 高 度 非 线 性 [ 的
寸 法
[ 3 4] - [ 6 9] -
/模型
[ 5]
试 验 和 数 值 模 拟 方 法 ,如 有 限 元
[ 1 0 1 2] -
、 集中质量法
[ 1 4]
、 弹性线法
[ 1 3]
及转子动力学
模型分析
。 这些研究表明 : 钻柱系统呈现出复杂
井口扭转边界条件采用电机驱动模型18定转速恒定功率模型919更符合钻井工程实际法通过计算检测钻柱梁单元轴线上的点到井壁的距离来判断该检测点是否侵入井壁图3钻柱与井壁接触检测示意图当钻柱轴线上的检测点pipi1的距离大于井眼半径算例分析采用2021求解全井钻柱系统动力学方程式时间积分离散为非线性方程组再用牛顿迭代法求解非线性方程组为隐式积分算法其初始静平衡构型采用动力器采用稀疏矩阵结构优化及并行计算技术提高计算效率
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导 意义 。
关 键 词 : 力 学 ; 体 钻 井 ; 柱 ; 斜 ; 限元 法 动 气 钻 井 有
中 图分 类 号 :H1 3 E 2 T 2: 91 T 文 献标 识 码 : A 文 章 编 号 :6 3 18 (0 1o 一 1 — 3 17 — 9 0 2 1 )4 叭 9 0
开 展 全 井段 钻 柱 动 力 学特 性 参 数 的 室 内试 验 , 由于现 场 测试 难度 大 、 费 高 , 耗 真正 意义 的井 下测 量 次数 较 少 , 以借 鉴 的 试验 数 据 也 较 少 。 比较 引 人 可
注意 的两 次 井下 测 量分 别是 16 年 至 1 6 年 由E s 94 96 so Po u t n R sac 公 司 用 井 下 磁 带 机 完 成 和 1 8 rd c o eerh i 94 年 由N d s i c 司用 有 导线钻 杆 完成 。两次 L I ute I 公 n rsn

1 9・ 1
肖国益 , 蒋祖 军 , 章华 , 铁 军 , 臣兴 : 练 林 魏 气体 钻 井全 井段 钻 柱 动力 学研 究
钩 载荷 和 转 盘转 动 。井 壁面 采 用 刚 体 单元 、 柱 采 钻 用 梁单 元 进 行 网格 划 分 。在 定 义 了材 料 参数 、 触 接 对、 边界 条件 和 划分 网格 后 , 进行 计算 分 析 。
2西 南石 油大 学 油气藏 地质 及 开发 工程 国家重点 实验 室 , . 成都 6 0 0 ) 15 0
摘 要 : 用 有 限 元 法 开 展 气 体 钻 井 全 井 段 钻 柱 的 非 线 性 动 力 学 运 动 过 程 模 拟 研 究 。 立 了 某 井 全 井 段 塔 式 钻 具 采 建 的 三 维 模 型 和 钻 头 与 岩 石 以 及 钻 柱 与 井 筒 之 间 的接 触 关 系 , 析 了 钻 柱 在 动 态 钻 进 过 程 中 的 力 学 参 数 , 出 气 体 分 得 钻 井 全 井 段 钻 柱 的 运 动 规 律 以 及 对 钻 柱 寿命 的 影 响 。 气 体 钻 井 中钻 柱 力 学 、 斜 控 制 等 方 面 的 深 入 研 究 具 有 指 对 井
两 钻杆 之 间的 螺纹 连接及 其钻 杆连 接接 头 的截 面变 化 情况 . 杆分段 视 为 同一 内外径 。 钻 ( ) 设钻 头 、 3假 套管 和井 壁为 刚体 。 () 4 假设 全 井段 钻柱 为细 长梁 单元 , 材料特 性 其 分 段为 常数 。 ( ) 考虑钻柱 与井壁 以及钻 头与岩石 面 由于接 5不 触产 生 的摩擦 生 热 。不考 虑井 内温度 对 钻具 材 料性 能的影 响 ,不考 虑气 体 所携 带岩 屑对 钻杆 的运 动形 第1 3 Nhomakorabea 第 4期
重 庆科 技学 院学 报 ( 自然 科学 版 )
21 0 1年 8 月
气体 钻 井全 井段钻柱 动力学研 究
肖国益 蒋祖 军 练章华z 林铁 军。 魏 臣兴
(. 国石 油化 工股 份 有 限公 司西 南油 气分公 司工程技 术研 究院 , 阳 6 8 0 ; 1中 德 10 2
1 气 体 钻 井 全 井 段 钻 柱 非 线 性 动 力 学 模 型
本文 选择 普光 某 井二开 塔 式钻 具组 合 和实钻 参
数 建 立全 井 段 钻柱 动 力 学模 型 。 钻 压 为 15N。 其 4 k 转
盘转 速 为 65a/, 了减 少 建 模 的难 度 , 建 模 时 . ds 为 r 在 作如下 的简化 和假 设 : ( ) 考 虑钻 井时 的扩 眼 。 1不 ( ) 略不 同规 格 钻具 之 间转 换 接 头 和工 具 的 2忽
图 1 塔 式 钻 具 组 合 有 限 元 实 体 图
学 模 型 ,该 有 限元模 型 建立 全井 段钻 柱单元 与 井壁 面之 间 的广义 接触 。建 立钻 头 与地层 岩石 面之 间 的
接触 . E钻 杆施 加 轴 向 提拉 力 和 转速 模 拟 井 口大 井 l
外 径 变 化 , 长度 等 效 为 相接 的钻 铤 长度 。不 考 虑 其
收 稿 日期 :0 1 4 2 21加 — 6
基 金项 目 : 家 科 技 重 大 专 项 专 题 “ 渗 气 藏 气 体 钻 井 关 键 技 术 ” 2 0 Z 0 02 0 5 0 1部 分 研 究 成 果 国 低 (0 8 X 5 2 — 0 — 0 ) 作者简介 : 肖国 益 (9 4 , , 16 一) 男 高级 工 程 师 , 国 石 化 西 南 油 气 分公 司 工 程技 术 研 究 院钻 井 工 艺 所 所 长 , 究 方 向为 钻 井 技 术 。 中 研

在 假设 的基础 上 , 立如 图1 示 的非 线性 动力 建 所
些 有 价 值 的数 据[ 2 1 。前 人在 钻 柱 动 力学 方 面 进 行
了大 量 研究 [ / 全井 段 钻 柱在 气 体 钻井 井 内动 力 3, -但 5 学特 性 研究 还 很 少 。 为此 , 文 利 用 有 限元 方 法 建 本 立气 体 钻 井全 井 段钻 柱 的动 力学 模 型 , 不 同 的角 从 度分析 钻 柱 的动力 学参 数变 化 规律 。
态 的影 响 。
耗 费 巨大 , 仅仅 证 明 了 蹩钻 、 钻 的存 在 , 柱 弯 却 跳 钻 曲应 力与 转 盘转速 不一 定相 等 以及 反转 客观存 在 等 现象[ 1 ] 内, 。国 兰州 石油 机械 所 章扬 烈等 人建 立 了钻
柱 比例 模 拟试 验 装置 . 过 系统 的试 验 测量 得 出 了 通
23 钻 柱 运动 状 态分 析 .
从 图4 的气体 钻井 钻柱 与井 壁接 触 分布 可知 , 在
不 同时 刻 钻 柱 与井 壁接 触 点 矢 量方 向 和大 小 不 同 .
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