气体钻井双稳定器钟摆钻具的模拟仿真分析-天然气与石油.DOC

气体钻井双稳定器钟摆钻具的模拟仿真分析 魏臣兴1，练章华1，林铁军1，郭衍茹1，王延民(1.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; 2; 3.塔里木油田公司，新疆库尔勒 841000) 摘要 关键词 气体钻井 双稳定器 钟摆钻具文献标识码：A 在传统直井设计和施工中，防斜是设计和施工的重点难点，特别是高陡构造条件下更为突出，不仅造成机械钻速低、钻井周期长、钻井成本高，而且造成井身质量差，严重时导致中途填井重钻或报废[1-]。而气体钻井是一项新兴钻井技术，正逐渐成为大幅提高机械钻速、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。将气体钻井技术应用到钻直井上，强调防斜和打快的统一，因此研究气体钻直井的井斜控制问题，无论在生产实践上还是在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来防斜[]。为了减少钻柱与井壁的摩擦，本课题组设计了气体钻井专用的新型稳定器，并申报了国家专利，该稳定器为短球型稳定器[]。本文主要此稳定器组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。 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，钻具组合为：12 1/4″钻头＋9″钻铤3根＋稳定器＋9″钻铤1根＋稳定器＋8″钻铤18根＋5″加重钻杆15根＋5″钻杆至井口。在建立有限元力学模型时，作如下基本假设： （1）钻头底面中心位于井眼中心线上，钻压的作用方向沿井眼轴线方向； （2）井眼尺寸不变化； （3）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； （4）不考虑转动和振动的影响； （5）不考虑地层因素。 表1 钟摆钻具组合结构参数 钻头直径mm 稳定器 稳定器有效长度mm 钻铤 稳定器位置 外径mm 内径mm 气体钻井 外径mm 内径mm L1/m L2/m 311.15 311.15 76 100 228.6 71.44 9～27 6～15 在有限元模型中采用的钟摆钻具组合的结构参数见表1所示。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，这样更能真实模拟井下实况。为了保证稳定器能较好的接触和支撑井壁，施工中选择的稳定器外径会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）。，本文所建立的有限元模型见图1所示。图中L1为近钻头稳定器与钻头的距离，L2为两个稳定器之间的间距，L3是上部钻柱研究长度。 双稳定器钟摆钻具的有限元分析 用ANSYS中的APDL语言以L1钻压P0井斜角θ为循环变量，嵌套L2循环求出各种情况下的双稳定器钟摆钻具组合的钟摆力，确定各个参数对钟摆力的影响程度。图2为井斜角θ=3°，L1=12m，L2=9m，P0=10t时的挠度曲线、弯矩图和Von Mises应力图，其中最大挠度在钻头与下稳定器之间，仅为0.622mm，其值远小于钻铤与井眼的间隙41.275mm，钻铤不会碰井壁，此钟摆钻具组合可按预定的工作状态正常工作。此时最大的Von Mises应力为4.05MPa，远小于钻具的破坏强度，钻具正常钻进时不会产生强度破坏，只能疲劳破坏；弯矩最大值出现在下稳定器上，达到2672N·m。 图3为钻压P0=10t，L2=9m时钟摆力与L1的关系，钟摆力随着L1的增长是逐渐增大的，接近线性增加；并且在不同的井斜角θ下，增加的幅度各不相同，井斜角θ越大，钟摆力以及钟摆力的增加幅度越来越大，也就是说即井斜角θ大，较大的钟摆力，这种双稳定器钟摆钻具能够产生较好的降斜纠斜效果，便于气体钻井钻出高质量的直井。钟摆力随着井斜角θ的增加是逐渐增大的，这点与相吻合，[9,10]。近钻头稳定器与钻头之间的距离L1越长，单位线长度越重，井斜角θ越大，该组合段钻铤的横向分力即钟摆力就越大。 (1) 式中，Pc为钻具组合在钻头处产生的侧向力，N；e1为近钻头稳定器与井壁的间隙，m；M1为近钻头稳定器处的内弯矩，N·m；w1为钻铤的有效线重量；N/m。 图4为L1=27m，L2=9m时钟摆力与钻压P0的关系，当钻压P0=0t时，θ=1°时，钟摆力为497.99N，θ=3°时，钟摆力为1493.38N；当钻压P0=14t时，θ=1°时，钟摆力为474.05N，θ=3°时，钟摆力为1421.58N。由此可见，对于L2=9m的双稳定器钟摆钻具组合来说，钟摆力虽是随着钻压增大而稍微减小的，其对钻压并不敏感。同时也验证了在使用钟摆钻具的时候采用“轻压吊