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水平井防托压工具安全性评价与试验

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水平 井防托压 工具 安全性 评价 试验
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2015年 第 44卷第 1期 第 34页石 油 矿 场 机 械OIL FIELD EQUIPMENT2015,44(1):34-37文章编号 :1001-3482(2015)01-0034-04水平井防托压工具安全性评价与试验苏山林1,祝效华2,王鑫1,郝荣明1,张国伟1,石昌帅2,任广兵1(1.胜利石油工程有限公司 黄河钻井总公司管具公司,山东 东营257091;2.西南石油大学 机电工程学院,成都610500)①摘要 :摩阻问题是井下复杂事故的最直接原因 ,如何降低水平井摩阻是减少水平井事故 、提高机械钻速和目的层中靶率的关键 。设计了防托压工具 ,该工具可以降低水平井段摩擦阻力 ,提高机械钻速 ,能够解决井下卡钻 、钻井进尺小的问题 。现场试验表明 :设计的防托压工具工作参数满足要求 ,可以产生预期效果 ,使用该工具能够降低水平井段摩擦阻力 ,提高水平井延伸钻进能力 ,并且不会对钻头或其他钻具连接螺纹造成破坏 。关键词 :水平井 ;钻柱 ;摩擦阻力 ;机械钻速 ;钻井进尺中图分类号 :TE921.207   文献标识码 :A   doi:10.3969/j.issn.1001-3842.2015.01.009SafetyEvaluation and Test of the Horizontal Wels Anti-Tropsch Press ToolSU Shanlin1,ZHU Xiaohua2,WANG Xin1,HAO Rongming1,ZHANG Guowei 1,SHI Changshuai 2,REN Guangbing1(1.Huanghe DrillingTubular &Tools Company,Shengli Petroleum EngineeringCo.,Dongying257091,China;2.College ofMechatronic Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu610500,China)Abstract:The frictional resistance has been the most direct cause of the down hole complex acci-dent,to reduce the horizontal wels’friction is the keyto reduce horizontal wels accidents,im-prove driling speed and purpose layer target rate.To the question,the horizontal wels Anti-Tro-psch press tool is designed.It can reduce the horizontal wels’friction,improve drilingspeed,andsolve the problem of downhole stickingand drilingfootage smal.Accordingto the analysis,theworkingparameter of Anti-Tropsch press tool can meet design requirement and achieve the de-sired results.Use the tool can be able to reduce the horizontal section of the frictional resistance,improve horizontal wels extend drilingcapacity,and no to damage bit or other tool connectionthread.Keywords:horizontal wel;dril string;frictional resistance;ROP;drilingfootage随着石油勘探开发进程的不断深入 ,定向井 、水平井 、大位移井所占的比例越来越大 。长水平段钻井技术在国内外得到广泛应用 ,主要得益于其较好的投入产出比 。目前 ,国外水平井钻井成本已降至直井的1.2~2.0倍 ,而产量则是直井的4~8倍 ;国外已经钻成了水平位移超万米的大位移井 ,而国内只能完成水平位移约4 000m的大位移井 。在水平井的钻进过程中 ,由于摩擦阻力大 ,使得钻井效率低 、钻井周期长 、钻井成本高 ,这成为制约水平井发展的主要瓶颈 。在现场实践中 ,由于管柱的摩阻转① 收稿日期 :2014-07-26基金项目 :国家自然科学基金项目 (51122406);四川省高等学校科技创新团队项目 (12TD007)作者简介 :苏山林 (1969-),男 ,山东东明人 ,高级工程师 ,主要从事钻井工具及井控设备研究 ,E-mail:susl163@163.com。矩太大 ,可能引起以下情况的发生 :机械钻速明显变低 ;钻具不能上提或发生断钻具事故 ;达不到井身轨迹的设计要求 ,目的层中靶率低 。关于定向井及水平井摩阻的预测分析 ,国内外已作了不少研究 ,1983年Johancsick等人[1]首先发表了定向井中摩阻预测的 “软杆 ”模型 ,此后该模型得到了广泛应用 。1987年 ,Brett[2]等人通过应用研究 ,指出 “软杆 ”模型摩阻预测结果与实测结果之间存在误差 ,其原因可能是由于模型中没考虑下部钻具组合的刚度而造成的 ,并建议将井底钻具组合作为梁单元来考虑 。1988年 ,Ho H-S[3]以大变形理论为基础 ,考虑了钻柱的刚度作用 ,提出了改进的摩阻计算模型 ,并采用有限差分法进行求解 。国内学者基于以上理论 ,采用各种方法对不同井况下钻柱的摩擦问题进行了研究 ,并提出新的分析理论和解决措施[4-8]。因此 ,如何最大限度降低水平井段摩阻是减少水平井事故的关键 ,也是确保水平井延伸钻进能力的决定因素[9-11]。鉴于此 ,本文设计了一种水平井防托压工具 ,该工具可以降低水平井段摩擦阻力 ,解决井下卡钻 、钻井进尺小的问题 ,尤其是在使用动力钻具的定向井中效果更佳 。1 技术分析1.1 结构组成如图1所示 ,水平井防托压工具主要由振动部件 、动力部件和阀部件组成 。振动部件与上端钻柱连接 ,动力部件是1∶2头螺杆马达 ,阀部件下端与近钻头钻柱连接 ,该工具可以根据减阻需要安置在合适的位置 。图 1防托压工具结构1.2 工作原理水平井防托压工具通过振荡底部钻具组合或者钻柱减少摩擦 。具体过程是 :动力部件驱动阀部件产生周期性的压力脉冲 ,压力脉冲向上游传递 ,激励振动部件产生轴向窜动 ,轴向力破坏了水平井段的静摩擦 ,从而提高钻具的延伸钻进能力 。特殊的阀结构是工具的核心部件 ,它将钻井介质的能量转化成一系列的脉冲压力 ,该过程是通过阀部件过流面积周期性的变化来实现的 。阀部件过流面积最小时 ,产生脉冲压力 ,此时最大压降值为3.8~4.5MPa,而过流面积最大时 ,脉冲压力消失 。如图2所示 ,阴影处为阀部件开启的过流面积 ,其中 :a为阀部件过流面积最小时 ,产生脉冲压力 ;b为阀部件过流面积最大时 ,脉冲压力消失 ;c为阀部件过流面积又变为最小 ,产生脉冲压力 ,如此周期性循环作用 。图 2阀转动过程中的脉冲压力变化1.3 工具特点1)防托压工具脉冲频率为15~26Hz,振幅为3~10mm,产生周期性的温和振荡 ,引起的轴向力周期性地传递给钻头 。因此 ,使用该工具后钻具承受的载荷作用效果与静载荷相同 ,不会对钻头或其他钻具产生破坏 。2)防托压工具脉冲频率为15~26Hz,而MWD工作时的脉冲频率一般低于1Hz。因此 ,防托压工具产生的压力脉冲对绝大多数MWD没有干扰 ,可以配合MWD使用 。3)动力部件带动阀部件做周期性的开闭状态 ,当阀部件开启面积最小时 ,阀部件产生的压降为3.8~4.5MPa,而一般钻井中的泥浆泵均可以满足要求 。因此 ,使用防托压工具不需要改变现有循环系统 。2 连接螺纹安全性评价为研究压力脉冲对防托压工具连接螺纹使用寿命的影响 ,本文对工具连接螺纹在脉冲压力作用下的安全性进行了分析 。2.1 螺纹控制方程螺纹在拉弯复合载荷的作用下会发生弹性乃至塑性变形 ,弹塑性接触的基本方程为[K(u)]{u}={P}+{R(u)}≡{f(u)} (1)式中 :[K(u)]为整个系统的刚度矩阵 ,在非线性问题中是位移向量 {u}的函数 ;{P}为整体外载向量 ;{R(u)}为待定接触力向量 ,是接触点对相对位移的函数 ;{f(u)}为右端项向量 。这里存在2种迭代过程 ,即接触状态迭代和塑·53·第 44卷第 1期苏山林 ,等 :水平井防托压工具安全性评价与试验性修正迭代 。由套管和接箍组成的接触体系 ,将其看成2个独立的个体 ,按有限元的要求离散成若干单元 ,根据虚功原理 ,对套管和接箍分别在整体坐标系下建立刚度方程 ,即KaUa=Pa+Ra,KbUb=Pb+Rb(2)式中 :Ka、Kb为接触体的刚度矩阵 ;Ua、Ub为待求的节点位移向量 ;Pa、Pb为已知的节点外力向量 ;Ra、Rb为未知接触节点接触力向量 ;下标a、b分别代表套管 、接箍 。显然 ,式 (2)中未知量的个数多于方程数 ,方程无法求解 。在实际求解时 ,需要先假设接触状态 ,然后按这些状态所对应的接触条件补充方程后对式(2)求解 。其结果应满足假定接触状态所对应的判定条件 ,否则需要修改接触状态继续求解 ,直到满足相应的判定条件为止 。2.2 有限元模型防托压工具连接螺纹有限元模型如图3所示 。图 3螺纹强度分析有限元模型2.3 计算结果分析各载荷作用下螺纹接头应力云图如图4~7所示 。图 4转矩 3kN·m时母螺纹和公螺纹应力云图图 5转矩 3kN·m、压力 100kN时母螺纹和公螺纹应力云图图 6转矩 3kN·m、压力 117kN时母螺纹和公螺纹应力云图图 7转矩 3kN·m、拉力 17kN时母螺纹和公螺纹应力云图由图4~7可以看出 :母螺纹接头的最大应力值相差很小 ,公螺纹接头在轴向载荷的作用下最大应力值相反还有所降低 ,但是轴向载荷的作用使得接头本体的应力值增大 。·63·石 油 矿 场 机 械2015年 1月对比工具所产生的最大载荷作用时螺纹接头的应力云图和未使用该工具时的接头应力云图 ,峰值应力变化极小 ,接头本体的应力值略有增加 ,但是本体的应力值远小于接头的峰值应力 。载荷作用下接头的最大应力值为95.6MPa,而根据钻杆材料的特性 ,当循环次数为1010次时 ,疲劳应力值为205.2MPa,1010次对于频率20Hz的作用力可连续使用2 314.8h。因此 ,该工具的使用对钻杆接头的使用寿命影响极小 。3 现场试验根据现场需要及参数设计 ,试制了120.65mm(4英寸 )规格的水平井防托压工具 。为检测新型水平井段防托压工具的使用性能 ,于2014-05-25在陕北40782钻井队钻井现场进行了下井试验 (如图8)。试验井位为DPS-71井 ,设计井深3 998.7m,垂深2 792.00m,温度梯度为3.12m/dm,预计温度87.11℃。下井钻具组合为 :101mm钻杆+120mm防托压工具+120mmMWD+120mm 1°单弯螺杆钻具+152.4mm PDC;泥浆泵排量为13~14L/s。下钻后进尺11.7m,井深为2 993.7m,防托压工具泵耗为2.5~3.0MPa(如图9所示 )。现场试验结果表明 :水平井防托压工具工作参数与设计相符 ,可以产生预期效果 ,使用该工具可以降低水平井段摩擦阻力 ,提高水平井延伸钻进能力 。图 8防托压工具现场试验图 9防托压工具压耗测试4 结论1)水平井防托压工具工作参数与设计相符 ,可以降低水平井段摩擦阻力 ,解决井下卡钻 、钻井进尺小的问题 。2)防托压工具产生的压力脉冲对绝大多数MWD没有干扰 ,因此可以配合MWD使用 。3)防托压工具产生的周期性温和振荡不会对钻头或其他钻具连接螺纹使用寿命造成影响 。参考文献 :[1]Johanesiek C A,Frisen D B,Dawson R.Torque anddrag in directional welis prediction and meassurement[G].SPE11380,1983.[2]Brett J F,Beekett C A,Smith D L.Uses and limitationsof a directional and torque model to monitor hole Eon-ditions[G].SPE16664,1987.[3]Ho H S.Improved modeling program for computingthe torque and drag in directional and deep wels[G].SPE18047,1988.[4]刘巨保 ,张学鸿 ,樊显妹 .长中半径水平井钻柱接触摩擦阻力分析 [J].计算结构力学及其应用 ,1993,10(3):352-354.[5]高德利 ,高宝奎 .水平井段管柱屈曲与摩阻分析 [J].石油大学学报 ,2000,24(2):1-3.[6]李子丰 ,张永贵 ,侯绪田 ,等 .钻柱纵向和扭转振动分析[J].工程力学,2004,21(6):203-210.[7]祝效华 ,童华 ,刘清友 ,等 .旋转钻柱与井壁的碰撞摩擦边界 问 题 研 究 [J].中 国 机 械 工 程 ,2007,18(15):1833-1837.[8]左凯 ,马认琦 ,李宁 ,等 .水力脉冲提速工具作业性能分析 [J].石油矿场机械 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