通过底部钻具组合设计控制钻井振动详解.docx

通过底部钻具组合设计控制钻井振动 J.R.Bailey等著 翻译：魏 振（钻井所） 审校：（） 摘要：通过底部钻具组合的重新设计，成功地控制钻井振动，从而实现钻井性能的大幅提高。这项技术不但增加了日进尺，而且减轻了钻具损坏。过去的文献已经对作为机械钻速控制过程关键组成的现场振动控制[1,2]的改进做了描述。作为一项并行的工作，底部钻具组合的重新设计使钻井施工获得了大约36%的额外性能提高。底部钻具组合的动态模型已经确立了影响性能提高的关键设计参数。相对于标准底部钻具组合，重新设计的底部钻具组合的计算振动指数更低。 底部钻具组合设计的评价过程使用了一种应用于钻前和钻进预测模式中的频域横向动态模型。底部钻具组合横向振动的特点是能够研发替代的底部钻具组合结构，并与推荐的原始组合直接比较。在预测模式中，底部钻具组合模型可以按照记录的钻压和转盘转速操作，以产生响应的钻时或井深的模型，并且这些值可以与实际测量数据相比较。 在一个实例研究中，描述了一个带有动力钻具和牙轮扩眼器的重新设计的底部钻具组合，并具有四个原始钻具组合以及四个重新设计钻具组合的现场数据。在第二部分应用中，通过对两个旋转导向组合的模型和现场实钻的比较，评价此模型在更小井眼尺寸和不同底部钻具组合类型中的预测能力。最后，在更大尺寸的井眼中，使用动力钻具底部钻具组合论证此模型确立的优选转盘钻速的功能。 关键词：底部钻具组合 振动 机械钻速 模型 介绍 之前两篇文章描述了由底部钻具组合模拟推导而来的基本方法。第一篇文章[3]对模型进行了总的描述，并介绍了四个用此模型进行的现场实例研究。第二篇文章对同一油田的13趟底部钻具组合进行研究，并使用了稍微不同的钻具组合设计和操作参数。第二篇文章的附录包括被称为VybsTM的基本的频域横向振动模型的详细数学描述。本文针对RasGas和ExxonMobil进行接头研究中所遇到的钻具组合设计问题进行了方法应用解释。 简言之，通过底部钻具组合组件的机械尺寸计算的输入模板开始模拟，直到加重钻杆（HWDP），其详尽水平与打捞图相近。正确的输入接触点条件是十分重要的，而刚度和惯性对底部钻具组合进行了恰当的描述。提供的操作参数包括钻压（WOB）和转盘转速（RPM）的预期范围。 线性建模过程考虑了关于静态的动态扰动问题。模型所采用两种振动模式对每种候选钻具组合设计进行比较：横向弯曲和螺旋。对于横向弯曲振动模式，设计时输入相同的钻头侧向力参照，并沿着底部钻具组合在其他的位置对响应值进行比较。对于螺旋模式，对每一个模型单元施加相同的质量偏心，以研究底部钻具组合的稳定性对偏心质量和离心力的影响。 对模拟结果绘图，以二维或三维向量对底部钻具组合设计进行显示。通过系数值的设计，简述动态性能，并选择确定最有效点的结构。系数包括底部钻具组合应变能和传输应变能，分别代表底部钻具组合和加重钻杆的动态弯曲应变，稳定器侧向力系数用于量化动态墙的接触作用力，而端点弯曲系数表示模型的顶端对钻头激振的弯曲。由于在底部钻具组合上部的自由钻杆上没有明确的已知节点位置，因此对模型顶部端点的多个可能的节点进行敏感性分析，并用结果确定平均和最差条件。对于挠曲横向弯曲模式，不同的转盘转速和长度条件下的激振，对每个转盘转速和钻压状态计算其系数的平均值（RMS或均方根）和最大值。 通过使用相对直观的模型，设计模型以描述底部钻具组合的振动趋势，并简化了设计选择的比较过程。按照本文所展示的，从振动角度考虑，由于一些其他的底部钻具组合设计，获取更加全面的解决方案，而不是简单的识别和避免已给设计的临界速度。通过推导底部钻具组合模拟的简化方法，实现切实的好处。这些好处包括广泛的适用性、易于使用、简化的计算需求以及基于实时现场观测的快速转换。这个模型是一个支持底部钻具组合设计和选择的决策过程的工程工具，并能够减轻横向动态振动和底部钻具组合产生的粘滞滑动。这个工具还能够对底部钻具组合做最佳操作开发，因此可以作为教学工具。最终，我们希望将这个模型部署到工程电脑上。 按照文献所述[1,2]，我们的此项工作于之前的努力对提高钻井性能有协同作用。下面的实例研究将会展示由模拟底部钻具组合设计得到的其他好处。 实例1：12-1/4英尺动力钻具底部钻具组合的重新设计 弯曲可调造斜动力钻具组合是12-1/4英尺井眼段的标准设计，RasGas所钻的每口井几乎都采用这个设计。在底部钻具组合设计时，几年前引入牙轮扩眼器，极大的减小了倒划眼的需求。旋转着提离井底不但浪费时间，而且对钻井设备也有危害。然而，在最初的现场应用中，超过12口井发生了牙轮扩眼器本体的断裂。为了解决这一问题，将牙轮扩眼器从底部钻具组合调整到加重钻杆上方一到两个接头的位置。与此同