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导向钻井系统动态仿真分析及应用.pdf

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2004年第33卷石油矿场机械 第3期OILFIELDEQUIPMENT2004,33(3):92~94 文章编号:10013482(2004)03009203 导向钻井系统动态仿真分析及应用 刘东民 (胜利油田黄河钻井管具公司,山东东营257005) 关键词:导向钻井;钻具组合;动态数学模型;分析;应用 中图分类号:TE9文献标识码:B 来的三维空间坐标分解,得出了影响钻头轨迹的重 1导向钻井技术的定义和现状 要参数,即钻头侧向力(钻头上侧向力、钻头横侧向 导向钻井是80年代迅速发展起来的一种连续力)和钻头纵向力。 控制井眼轨迹的综合性技术,它包括先进的钻头(一按照固定坐标的定义,正的上侧向力使井斜增 般为PDC钻头)、井下导向工具、随钻测量技术加,负的上侧向力使井斜变小;同样,正的横侧向力 (MWD,LWD等)以及以计算机技术为基础的井眼轨使方位增加,负的横侧向力使方位减小。 迹控制技术。受国内现有仪器、设备的限制,目前,2.2模拟结果与分析 国内常用的导向钻具组合为PDC钻头+小角度弯用于分析的弯壳体井底钻具组合的配置为 壳体马达+MWD,这种导向钻具组合的特点是,采311.5mm钻头+197mm弯壳体PDM(容积式马 用小角度弯壳体马达,配合随钻仪器实现井身轨迹达)+177.8mm钻铤。钻头附近有一个稳定器, 的连续控制,保证井身轨迹的控制精度,从而达到提钻头距稳定器中部约0.75m;弯外壳的弯头与钻头 高钻进速度、降低钻进成本、保护油气藏的目的。之间距离约2.1m;PDM长约6.352m,PDM的弯曲 2弯壳体井底钻具组合动态分析刚度为等效刚度;模拟用总时间为钻柱旋转4周的 用时,时间增量是总时间的1/2000。 对于定向井和水平井,井底钻具组合动态分析 a)转盘转速的影响通过试验得出了钻头在 主要分析钻头侧向力和井底钻具组合的运动状态, 不同转盘转速下振动时的井斜侧向力的平均值,如 二者对定向井和水平井的井身轨迹有重大影响。 图1。其他输入参数中,井斜为50、钻压为60kN、 钻柱的振动以及地面和井下边界条件对钻柱运 稳定器与井壁的间隙为2mm。由图1知,当转速由 动状态的影响,使得钻柱动态分析非常复杂。根据 30r/min增至60r/min时,钻头平均井斜侧向力略 有限元理论,提出一个动态模型,用此模型可以研究 微下降,继续增大转速至90r/min,钻头井斜侧向力 转速、钻压、弯曲角、井斜角对弯壳体井底钻具组合 仅增大了210N。井斜为50时的平均井斜侧向力为 动态性能的影响。 36kN,表明,弯壳体井底钻具组合有稳斜或略微增 2.1BHA(井底钻具组合)动态数学模型 斜的倾向。 描述弯壳体井底钻具组合运动及力学特性的动 态模型为 [M]{U1}+[D]{U2}+[K]{U3}={Q} 式中,[M]为质量矩阵;[D]为阻尼矩阵;[K]为刚 性矩阵;{Q}为外力矢量;{U1}为加速度矢量;{U2} 为速度矢量;{U3}为位移矢量。 图1转速对井斜力的影响 本文用Wilson方法,通过模拟弯壳体井底钻具 组合的振动过程,按照井底平面及井眼轴线建立起图2为0、60、90r/min弯外壳弯头的轨迹。由 收稿日期:20040216 作者简介:刘东民(1952),男,山东阳谷人,工程师,副经理,现从事生产经营工作。 刘东民:导向钻井系统动态仿真分析及应用!93! 图2,转速增大,振动位移也随之增大,90r/min弯头 的横向位移约为60r/min的2倍。因为转速愈高, 横向振动就愈剧烈,并出现方位漂移。 图5弯曲角对井斜侧向力的影响 3导向钻具组合在现场的应用 图2不同转速时弯外壳弯头的轨迹 显然,钻柱旋转是引起钻柱振动的最直接因素,3.1钻具组合 因此,转盘转速对钻柱的井下动态有显著的影响。根据国内现有的设备仪器条件,胜利油田确定 过高的转速将导致剧烈振动,缩短钻柱寿命。因此,了符合自身特点的钻具组合,钻头(一般为PDC钻 转速应为30~60r/min。头)+弯壳体马达(角度较小)+随钻测量仪器+定 b)钻压的影响图3为钻压对平均井斜侧向向直接头+无磁钻铤+加重钻杆+钻杆。 力的影响,输入参数中,转速为60r/min,弯曲角为3.2工艺流程 1,井斜角为50,稳定器与井眼的间隙为2mm。井定向段增斜段稳斜段完钻段,能用一趟 斜侧向力随钻压的增大而增大,对所有不同的钻压,钻具组合钻完尽量不用两趟钻具组合,减少起下钻 井斜侧向力始终为正,井底钻具组合有增斜倾向。次数。具体而言,直井段钻完后采用随钻仪器配合 当钻压由40kN增至