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MACHINERY
第30卷第5期
ANDEQUIPMENT|机械设备
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气体钻井双稳定器钟摆钻具的模拟仿真分析
魏臣兴1,2练章华2林铁军2郭衍茹2王延民3
1.中国石油集团渤海钻探工程有限公司工程技术研究院,天津300457;
2.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;
3.中国石油塔里木油田公司,新疆库尔勒841000
摘要:
针对气体钻直井的井斜控制问题,设计了一套气体钻井专用稳定器,用有限元仿真软件对气体钻井专用双稳定器钟摆钻具的力学特性进行模拟分析。从钻具本身的结构参数、井眼参数以及钻井参数等方面考虑,分别讨论了上下稳定器间距、下稳定器与钻头的距离、钻压、井斜角以及上下稳定器尺寸与钻具钟摆力的关系,分析了各个参数对钻具钟摆力的影响程度。计算结果与相同条件下纵横弯曲梁理论得出的结果相对比,两者基本吻合。通过分析可知,使用该专用稳定器的钟摆钻具组合在用气体钻井时具有较强的防斜纠斜能力,能够有效地控制气体钻井井斜问题。
关键词:
气体钻井;双稳定器;钟摆钻具;井斜文献标识码:A
文章编号:1006-5539(2012)05-0075-03
0前言
在传统直井设计和施工中,防斜是设计和施工的重点难点,高陡构造条件下尤为突出,不仅造成机械钻速低、钻井周期长、钻井成本高等问题,而且井身质量差,严重时可导致中途填井重钻或报废1-4]。气体钻井作为一项新兴钻井技术,正逐渐成为能大幅提高机械钻速、发现与保护油气层、治理恶性井漏、降低钻井成本的重要技术手段。研究气体钻直井的井斜控制问题,将气体钻井技术应用到钻直井上,强调防斜和打快的统一,在生产实践和理论上都具有重要意义。常用的防斜处理措施是采用满眼钻具组合或钟摆钻具组合、空气锤钻井来防斜s-7]。为了减少钻柱与井壁的摩擦,本课题组设计了新型气体钻井专用稳定器,并
申报了国家专利,该稳定器为短球型稳定器8。本文采用ANSYS有限元软件对气体钻井中由此类稳定器组成的双稳定器钟摆钻具组合的力学特性进行模拟分析,以期对现场施工提供理论指导。
1模型的建立
以四川气田某口井二开的钻具组合为依据进行分析,其钻具组合为:12/4”(311.15mm)钻头+9(228.6mm)钻铤3根+稳定器+9(228.6mm)钻铤1根+稳定器+8(203.2mm)钻铤18根+5(127mm)加重钻杆15根+5(127mm)钻杆至井口。在建立有限元力学模型时,作如下基本假设:
a)钻头底面中心位于井眼中心线上,钻压的作用
收稿日期:2012-05-08基金项目:
国家“十一五”863重大项目“气体钻井技术与装备”(2006AA06A103)。
作者简介:
魏臣兴(1979-),男,山东曹县人,博士,主要从事钻完井技术的研究。
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天然气与石油
NATURALGASANDOIL
2012年10月
方向沿井眼轴线方向;
b)井眼尺寸不变;
c)稳定器间的短钻铤、无磁钻铤和普通钻铤都有相同的力学参数和横截面积;
d)不考虑转动和振动的影响;
e)不考虑地层因素。
在有限元模型中采用的钟摆钻具组合的结构参数,见表1。将钻头处简化为铰支,钻头处的三个转动自由度不约束,只约束钻头处三个平动位移。稳定器简化为线接触约束,这样能真实模拟井下实况。为保证稳定器较好接触和支撑井壁,施工中选择的稳定器外径尽可能接近钻头尺寸,既然稳定器的外径和钻头尺寸相差无几,在建立几何模型时就取钻头尺寸作为稳定器的外径尺寸。采用本课题组设计的气体钻井专用稳定器,其与井壁的有效接触长度H=0.1m,并且上稳定器向上连接8钻铤(外径203.2mm,内径71.44mm)。由此建立的有限元模型见图1。
表1钟摆钻具组合结构参数
钻头直径/mm
稳定器/mm
稳定器有效长/mm
钻铤/mm
稳定器位置/m
外径内径气体钻井外径内径L?L?
311.15311.1576100228.671.449~276~15
7近钻头稳定器两个稳定器上部钻柱与钻头的距
7
近钻头稳定器两个稳定器上部钻柱
与钻头的距离。之间的间距研究长度
钻铤截面
第二稳定器
第一稳定器
图1有限元模型
2双稳定器钟摆钻具的有限元分析
采用ANSYS软件中的APDL语言以L?、钻压P?、井斜角θ为循环变量,嵌套L?循环求出各种情况下的双稳定器钟摆钻具组合的钟摆力,从而确定各个参数对钟摆力的影响程度。图2为井斜角θ=3°,L?=12m,L?=9m,P?=10t时的挠
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