文摘

过度拖/扭矩和压力支持是一个重要因素,限制了渗透率的改善和扩展延伸滑动钻井过程中钻进的井和水平井。处理这一问题,本文开发了一种新型可控混合指导钻井系统(CHSDS)基于旋转钻柱的减阻原理。CHSDS由齿轮离合器、液压系统和测控系统。通过控制离合器的啮合和分离泥浆脉冲信号,CHSDS两种工作状态,导致两个边界条件。结合stiff-string阻力矩模型,钻井参数对减阻性能的影响,系统地分析了CHSDS。结果表明,减阻效果在倾斜部分是最重要的,其次是在水平部分,而在垂直部分几乎没有影响。减少摩擦增加转速和钻井液密度,而它与表面的增加减少钻压和扭矩一点反应。现场试验证实CHSDS的分离和啮合函数。发达可控混合动力转向和减阻技术提供了一个可选择的方法安全、高效开采的水平井。

1。介绍

实现经济高效开发非常规油气资源取决于结合水平钻井和水力压裂技术(1]。然而,由于钻井设备的局限性和水平井钻井的性能工具,钻井效率低的问题和长期施工期间在非常规水平井在中国很常见2]。考虑页岩气水平井钻井作为一个例子,在一个特定的垂直深度和国内水平比北美的短节,国内钻井周期比北美[3.6 - 4倍3,4]。这主要是因为超高阻力和扭矩钻柱与井眼墙和诱导严重支持压力效应已成为一些主要技术瓶颈制约水平井的优化和快速钻井的非常规资源。

解决上述钻井问题,学者们开始从摩擦学的基本原则,包括降低摩擦系数,减少正常的接触力,并改变摩擦力方向,研究减阻技术在水平钻井5,6]。因此,各种先进的减阻工具开发和成功的领域应用程序实现,如钻杆轴承潜艇、液压振荡器,旋转导向系统(rss)和钻柱摇摆系统(7- - - - - -10]。然而,上述方法有不同程度的限制11,12]。钻杆轴承子是影响井筒质量和安装数量,导致减阻效果差(13- - - - - -15]。例如,一个水力振荡器高循环压力损失是有限的,使用寿命短。此外,高频振动可以很容易地破坏井下测量仪器(16- - - - - -18]。RSS具有显著的和潜在的风险坚持和埋葬自己的结构性缺陷,和其服务成本相对比较高19- - - - - -21]。大型应用程序和促销尚未意识到钻柱振动系统,因为减阻机理和自动控制技术没有充分了解22- - - - - -24]。因此,一个完整的理解现有机械的缺陷减阻技术发达,和减少摩擦机理深入研究水平井。最后,基于的原则由旋转钻柱摩擦减少,一种新型可控混合指导钻井系统(CHSDS)开发,可以在啮合和分离状态之间自由切换的从地面接收远程控制命令。

在减阻的效果的评价系统中,有必要确定相应的边界条件,建立力学模型根据钻井系统的实际工作状态检查(25]。因为有两种工作状态的啮合和分离在实际钻井CHSDS,边界条件的传统阻力矩模型不再适用。因此,现有的摩擦转矩预测模型不能直接用于评价CHSDS的减阻效果。

因此,基于CHSDS的实际工作条件,边界条件的分离或啮合状态和决心。的减阻性能CHSDS分析了结合古典钻柱的阻力矩模型。现场试验验证远程CHSDS的分离和啮合函数提供的基础减阻性能测试和随后CHSDS的应用。

2。CHSDS的工作原理和结构

2.1。操作原理CHSDS

在滑动钻井过程中传统的滑动导向钻井系统的底部钻具组合(BHA)如图1(a),它包括一个,弯接头,容积式液压马达(PDM),和随钻测量(随钻测量)。钻柱不旋转但幻灯片沿井壁的轴线。井筒的偏差和方位角度变化的指导工具的滑动面,从而控制井眼轨迹。当实际的井眼轨迹偏离了设计一个,需要调整,手动控制转盘旋转一个角度旋转的工具面钻工具装配到指定的方向。

RSS可以分为push-the-bit point-the-bit,根据指导模式。当push-the-bit系统运作,它控制三翼肋推墙根据实际的偏差,方位数据,和预定的轨迹;这确保了指向的方向钻。point-the-bit系统取决于偏压机制在RSS偏见芯棒;因此,有一个夹角的轴旋转钻柱与井眼。最后,实现了旋转导向钻头的旋转角度。如图1(b), RSS旋转钻井时,它将钻柱的轴向摩擦转化为圆周摩擦力矩,从而减少钻柱的摩阻。

从图可以看出1(c)的指导方法CHSDS是一样的传统滑动导向钻井方法。倾角和方位角度的控制由一个旋转的转盘啮合状态。减阻的钻井模式,当系统处于分离状态,上钻柱旋转钻柱的轴向摩擦部分转化为圆周摩擦力矩。这会显著减少钻柱摩擦,这是类似于旋转导向钻井。较低的钻柱滑演习与稳定工具的脸。因此,CHSDS包括三种工作模式:(1)传统的滑动导向钻井模式(网格)(2)常规旋转钻井模式(网格)(3)控制混合动力转向减阻模式(分离)

2.2。结构设计的CHSDS

CHSDS主要由测量和控制系统,液压系统,离合器单元。结构如图2。

测量和控制系统的功能是检测泥浆压力脉冲,确定地面命令,启动电机和电磁阀驱动电路,并将地上的活塞在一个预定的方向。此外,系统应实现有效分离或参与工具的离合器装置,有效地控制减阻工具的工作模式在地上。

如图2(一)、测量及控制系统主要包括压力脉冲检测、信号滤波和放大、a / D转换、单片机和电机电磁阀驱动电路。

液压系统的主要作用是执行井下单片机的指令,指定注入液压油油缸,推动活塞朝着预定的方向。从图可以看出2(b),它主要由液压缸、电机和泵、压力安全阀、3/2电磁阀,止回阀,双作用油缸。

离合器的主要目的单位是独立的或转让从上部钻柱扭矩降低钻柱。如图2(c),它主要包括一个内齿轮、外齿轮、活塞轴,离合器外缸和轴瓦。液压系统驱动活塞轴来回移动驱动分离和内部和外齿轮的啮合实现分离和啮合CHSDS的功能。

CHSDS描绘在图的原理样机3。

2.3。功能测试的CHSDS

CHSDS功能测试进行测试是否能实现地面控制命令并完成井下分离或啮合函数。

2.3.1。基本参数的测试

测试的深度是746米,偏差点的深度是545米,最大偏差角是22.15°,裸眼井段的长度是201米,和钻井液密度是1080公斤/米³。底部钻具组合由Φ215.9毫米,关节,Φ172 mm钻铤,Φ172 mm CHSDS,转换接头,Φ127毫米钻杆。

2.3.2。CHSDS功能测试的过程和结果

图4显示CHSDS跳闸。CHSDS功能测试的过程如下:(一)CHSDS在啮合状态,随后与底部钻具组合,实现在井底。(b)每分钟泵中风人数保持在40,转速是30 rpm。钻井工具是取消了9米,悬挂重量和笔画数每分钟记录。(c)每分钟泵中风人数保持在40。钻柱的升高和降低,以恒定的速度,和悬挂重量记录。(d)分离命令启动,随后重复步骤(b)。(e)啮合命令启动。CHSDS绊倒了,拆卸检查井下单片机存储的数据。

测试结果如下所示。

表中的数据1表明,该系统可以有效地执行命令发送从地面分离。脱开后,发现CHSDS链夹不能旋转。这表明,在啮合状态。的拆卸CHSDS提取脉冲信号数据存储在单片机。发现CHSDS接收到命令从地面完全和准确地发送。上述结果表明,CHSDS可以准确接受和识别地面泥浆脉冲信号,有效地实现啮合和分离的命令。

3所示。减阻性能建模

开发CHSDS根据旋转钻柱减阻的原理,和,随后,它的功能测试完成。CHSDS更好地指导现场应用,有必要预测和评估减阻性能。因此,CHSDS分析的数学模型描述如下。

3.1。基本假设

在分析钻柱摩擦基于库仑定理,正常的接触力的解决方案是关键。的钻柱与井壁之间的接触状态是不确定的因素;因此,很难准确地解决正常的接触力。因此,有必要进行适当假设接触和钻柱的变形26- - - - - -28]:(1)钻柱与井壁在连续接触,井壁是刚性的,钻柱的变形在弹性范围内(2)钻柱的中心线与井眼轨道(3)重力,法向力、泥浆浮力和摩擦力的钻柱单元均匀分布在钻柱的元素(4)钻柱的元素是一个弧形的常曲率空间斜平面(5)钻柱的动态负载是不考虑

3.2。控制方程

有必要考虑井眼弯曲的影响拉力和扭矩和钻柱刚度,以及钻井液阻尼和摩擦的轴向和周向分量在旋转钻探。因此,一个数学模型(29日,30.)是用来计算摩擦和钻井中钻柱的扭矩CHSDS。 在哪里 在哪里是钻柱扭矩;是钻柱弯矩, ; 钻柱的轴向拉力, ; 井眼曲率;是自然曲折的中心线钻孔, ; 弹性模量, ; 钻柱的转动惯量, ; 钻孔直径;钻柱的外半径, ; 钻柱的旋转角速度, ; 钻柱的轴向速度, ; 的单位长度重量是钻柱, ; 钻井液的剪切应力, ;和是动态钻井液的粘度, 。

因为和都很小,他们的产品是最小的,这个词包含的产品吗和可以忽略(31日]。此外,当使用最小曲率法,测定点相邻钻孔轴是一个圆弧空间斜平面,和井眼扭转总是密切平面。此外, 可以看到从接近剖面的定义5]。 在哪里 , ,和是自然坐标系的单位基向量,无量纲;钻柱的重力基向量,无量纲;偏差率, ; 方位变化率, ; 倾角, ; 是线性浮动钻柱的权重系数,无量纲。

同时,Frenet-Serret [32方程(3)代入方程(1),得到以下方程:

3.3。边界条件

有两种工作状态CHSDS:啮合和分离。不同工作状态对应于不同的边界条件。

3.3.1。CHSDS啮合状态的边界条件

当CHSDS啮合状态,就像常规旋转钻井钻柱旋转作为一个整体,井口扭矩和钻头扭转力矩是已知的。井口扭矩是外部扭矩施加转盘或顶部驱动,和钻头扭矩是PDM产生的扭转力矩。因此,边界条件如下(33]: 在哪里 元素上的扭矩, ; 下的钻柱长度节点,米; 是拉下的钻柱的顶部节点, ; 位上的扭矩, ;和上的重量, 。

3.3.2。CHSDS分离状态的边界条件

当CHSDS分开,在其工作状态,上部钻柱旋转和下部钻柱幻灯片。在图所示的边界条件5。类似于上面的场景中,井口扭矩是外部扭矩,扭矩是PDM产生的扭转力矩。因此,钻柱的上边界条件CHSDS如下(以下33]: 在哪里的摩擦力矩CHSDS轴承旋转, ; 是拉力CHSDS上面的钻柱的底部, ; 是拉力的底部钻柱CHSDS以下, ; CHSDS的安装位置,米;和是转矩的底部钻柱CHSDS以下, 。

上面的钻柱的下边界条件CHSDS 在哪里是转矩的底部钻柱在CHSDS之上, 。

3.3.3。一些边界条件

在钻井的过程中,形成力量在主要包括钻压的反应,反应的钻头侧向力和摩擦转矩。因此,边界条件之间的相互作用,形成可以表示如下(34,35]: 在哪里是平均钻压,kN;和是激励因素,无量纲,相关的类型。此外,是一个的钻头的切削深度, ; 是形成刚度, ; 钻压的波动频率, ;和动态摩擦系数,无量纲。

4所示。结果与讨论

4.1。基本参数的情况下

以下4.4.1。轨迹和套管程序

设计的井深水平井三维(3 d)是5016 m,套管程序概要文件和井轨迹数据6和7。

根据三维轨迹,实际钻探的深度是5000米,和偏差角第一增加然后减少浅垂直部分。同时,最初的水平部分的偏差降低,然后增加,最后减少。水平段的长度大约是1500米。这口井的井眼轨迹是复杂,摩擦非常大。

4.1.2。井底总成

底部钻具组合分为两组:一组包含CHSDS和另一组不包括CHSDS。具体地说,丁基羟基茴香醚1:钻头+ PDM +弯接头+非磁性钻铤+钻铤+ CHSDS +钻杆丁基羟基茴香醚2:钻头+ PDM +弯接头+非磁性钻铤+钻铤+钻杆

4.1.3。钻井参数

钻井参数如下:钻压80 kN,位移26 L / s,钻井液密度为2200公斤/米³24、钻井液粘度mPa·年代,和钻井液动态剪切力5.5 Pa。

4.2。性能分析的CHSDS

4.2.1。准备分析CHSDS减阻效果

(我)拖扭矩分布。底部钻具组合的阻力分布1,底部钻具组合2,和钻井条件计算相结合,呈现在图8。钩的负载的CHSDS大于没有CHSDS,这表明CHSDS可以有效减少钻柱的摩擦力。图9显示了底部钻具组合的阻力差异的变化曲线1和底部钻具组合2井深。在垂直部分,拖的区别基本上是一条水平线。因此,几乎没有减阻效应在垂直的部分。倾斜部分的阻力差异大约提供了一个大斜率直线,表明减阻的效果是显著的。水平剖面,拖的区别是几乎线性斜率小于倾斜部分的斜率,表明水平截面的减阻效果显著。然而,比在倾斜部分稍差。结合钻井的钻柱的阻力分布非常接近底部钻具组合1。主要的区别是没有CHSDS下旋转钻柱。

在定向钻井底部钻具组合的旋转扭矩1显著高于底部钻具组合2。的差异所产生的扭矩是由于摩擦力矩CHSDS上面的钻柱的旋转,如图10;安装CHSDS没有影响的扭矩分布较低的钻铤。因此,不管底部钻具组合1或底部钻具组合2,降低钻柱使用摩擦来抵消一些反向扭矩。因此,较低的钻柱的扭矩分布是一致的。不同之处在于,所产生的摩擦力矩CHSDS轴承疲软影响较低的钻柱的扭矩分布在CHSDS附近。结合钻井的井口底部钻具组合的转矩大于1,而扭矩分布规律基本上是相同的。所不同的是,底部钻具组合1下的钻柱不旋转;因此,摩擦力矩小于在钻井相结合。

(2)摩擦底部钻具组合1和底部钻具组合2的分布。底部钻具组合的摩擦分布1和底部钻具组合2图所示11。丁基羟基茴香醚1的摩擦力是略大于底部钻具组合2在垂直部分;这是由于钻柱与井壁之间的接触力更大的旋转钻探比滑动钻井。根据图11,产生的摩擦力底部钻具组合在倾斜部分1和底部钻具组合2 253.1 kN, 494.65 kN,分别由底部钻具组合和1是由丁基羟基茴香醚2相比减少了48.83%。因为斜井的曲率增加显著,对钻柱与井壁之间的接触力显著增加。此外,基于旋转钻柱的原理,减少摩擦阻力,旋转的轴向摩擦力小于滑动钻井的钻井。同样的,产生的摩擦力底部钻具组合1和底部钻具组合2的水平截面412.95 kN, 572.7 kN,分别和底部钻具组合产生的力小于底部钻具组合2 1 27.89%。的钻柱与井壁之间的接触力显著增加,由于弯曲和倾斜段钻柱的刚度。相比之下,接触力的水平截面主要由重力。因此,斜截面的CHSDS的减阻效果优于水平部分。

4.2.2。影响因素分析CHSDS减阻效果

(我)CHSDS安装位置对摩擦力的影响。与PDM在钻井的过程中,产生的扭转力矩是抵消了钻柱与井壁之间的摩擦力矩CHSDS以下,如图12。的反向转矩相同条件下,不同CHSDS安装位置的影响减阻效果的描述。从图可以看出,当CHSDS安装位置接近,减阻效果大。如果CHSDS安装非常远离钻头,钻柱的轴向摩擦的水平截面大,而减阻效果很低。如果CHSDS安装非常接近钻头,钻头的扭转力矩不能抵消,和工具表面会不稳定。因此,它是必要的,以确保摩擦力矩的钻柱的扭转力矩可以抵消,CHSDS之间的亲密和与一个良好的减阻效果。

(2)旋转速度对摩擦的影响。根据摩擦分解的原则,轴向和切向摩擦力与轴向和圆周速度有关。图13显示摩擦曲线获得通过改变转速的恒定速率条件下渗透(ROP),钻压和扭矩。从图可以看出,摩擦力随转速的增加而减小的倾斜和水平部分。根据分解原理的摩擦力钻柱复合运动,圆周速度的增加导致轴向摩擦系数下降,,因此,轴向摩擦力减小。然而,转速的影响在垂直轴向摩擦部分还不清楚。可以从图指出,与转速的增加,在倾斜部分减阻的效果是最好的,其次是在水平部分。然而,减阻的效果在垂直部分并不显著。

(3)钻压对摩擦的影响。钻压的变化会导致钻柱的接触力的变化在弯曲的部分,导致钻柱的轴向摩擦力的变化。作为显示在图14,在垂直部分,钻压的变化不会导致摩擦力的变化,因为增加轴向力在垂直部分没有修改接触力。在倾斜部分,轴向摩擦增加钻压的增加,因为钻柱与井眼之间的接触力增加而增加钻压。水平部分,增加钻压、钻柱的轴向摩擦力并不显著增加;然而,波动幅度显著增加。随着水平段钻压的增加,光滑的水平截面的接触力不增加,而弯曲部分的接触力显著增加。

(iv)钻井液密度对摩擦的影响。钻井液的密度决定了浮动的钻柱的重量,它改变了钻柱与井眼的接触力。因此,它有一个对钻柱的摩擦力的影响。从图15,我们可以看到,钻柱摩擦力的分布曲线与钻井液密度的变化。提高钻井液密度,钻柱的轴向摩擦逐渐减少,因为高密度钻井液与一个小浮动的钻柱的重量。此外,一个小钻柱与井壁之间的接触力对应于一个较小的摩擦力。

4.3。仿真结果的讨论

基于图11,与传统的滑动导向钻井相比,减阻效果的CHSDS倾斜部分可以达到48.83%和27.89%的水平部分。这是基于给定的次经过精心策划的参数;这不是普遍的。此外,由于减阻的效果和轨迹,安装位置、转速、钻压、钻井液存在密切关系。虽然用不同的钻井参数计算的结果是不一样的,仿真结果可以定性解释,钻井过程中一个特定的水平井,的倾斜部分CHSDS比水平截面有更好的减阻效果。

因为三维水平井钻柱动力学模型计算是复杂和耗时,不利于现场促销。考虑到水平井钻井中钻柱的轴向速度非常低,阻力矩的计算钻井中钻柱主要侧重于钻柱静态平衡,而不是瞬时动力响应作为钻柱振动(5,26,34]。简化计算和忽略动载荷的影响,使用静态模型,这是不同于实际的场景。

水平井钻井过程中,推荐的钻井工具装配位+ PDM +弯接头+非磁性钻铤+钻铤+ CHSDS +钻杆。井下系统进行功能测试;然而,它并不实际测试它的减阻效应在钻井水平和倾斜部分。模拟减阻效果需要通过现场试验进一步证实。接下来的步骤将在井下进行减阻性能测试系统和随后的执行与模型计算结果进行比较。这将是紧随其后的是模型的分析和修改,提高预测精度,以及提供一个理论依据的后续应用系统。

5。结论

应对极端摩擦、扭矩和压力支持在滑动钻井延伸井和水平井,一种新型可控混合指导钻井系统已经被开发出来,和现场进行功能测试和数值模拟。根据试验和分析结果,是得出以下结论:(1)原则的基础上减少摩擦旋转钻柱的发展,一种新型可控混合指导钻井系统和设计功能是通过现场试验验证。(2)根据CHSDS的工作模式,两种类型的边界条件确定啮合和分离状态。结合stiff-string模型,减阻效果和钻井参数对CHSDS的影响进行了分析。(3)仿真结果表明,斜截面的减阻效果是最好的,达到48.83%,其次是在水平部分,达到27.89%,而垂直节礼物小减阻效果。(4)在相同的条件下,随着转速和钻井液密度的增加,钻柱的轴向摩擦减少。然而,随着CHSDS和钻头钻压和距离增加,钻柱的轴向摩擦增加。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了中国国家科技重大项目(批准号2016 zx05022-01)和中国博士后科学基金资助项目(批准号2020 m673576xb)。作者表达深深的感激之情的宝贵的支持机构。