下部钻具组合横向振动随钻监测与参数优化研究

发布时间：2020-04-23 13:43

【摘要】：钻柱失效是钻井严重事故之一,钻柱振动作为钻柱失效的主要原因,包括钻柱的纵向、横向及扭转等振动形式,其中钻柱横向振动多发生下部钻具组合上且是最具破坏力和最复杂的振动,研究下部钻具组合的横向振动机理并实现随钻横向振动监测与参数优化对于降低钻井风险、提高机械钻速等具有实际意义。采用理论分析与现场试验相结合的方法,研究了直井中下部钻具组合在指定外激励条件下的状态矢量响应特征:基于线性叠加方法和欧拉伯努利梁理论建立了适用于直井钻进的频率域下、单自由度和有阻尼条件下的下部钻具组合受迫振动质量分布模型,并将二维钻柱模型扩展到三维钻柱模型;同时基于牛顿动力学微分方程与欧拉伯努利梁理论建立了适用于直井钻进的频率域下、单自由度和有阻尼条件下的下部钻具组合受迫振动集中参数模型。在给定外激励条件下,基于所建立的数学模型并利用MATLAB编程获得了下部钻具组合的状态矢量分布规律,通过比较相同外激励条件下不同下部钻具组合的状态矢量响应程度,实现钻前下部钻具组合的对比及优选;通过控制变量法改变钻井参数实现了钻前下部钻具组合中钻柱失效高风险区域识别;基于获得的状态矢量参数(位移、倾角、弯矩、剪切力)形成了横向振动强度评价指数(LSE),并利用井下存储式振动测量短节的现场试验完成了对所建立数学模型的对比与校核,对比结果显示直井中正常钻进时下部钻具组合的横向振动强度是影响钻头破岩机械比能和机械钻速的主要因素,且模型计算结果与测量结果基本相符,验证了模型对直井中下部钻具组合横向振动强度的预测精度;基于提出的下部钻具组合横向振动强度评价指数(LSE)形成了一套横向振动随钻控制与优化流程,并通过现场试验验证了下部钻具组合横向振动强度随钻监测与优化流程的适用性,对钻井现场评价与降低下部钻具组合的横向振动强度具有指导意义。
【图文】：

曲线,比能,机械钻速,钻头

原则上强度越大的地层岩石，钻头破岩所响钻头破岩机械比能因素还包括钻头磨损、钻头泥包横向振动）、井底泥包、水力参数等诸多因素[75]，在情况下钻井过程中机械比能消耗越多说明钻头破岩效机械比能概念的同时也通过大量室内实验得到以下三个程中钻头破岩所需要的最小机械比能理论上等于所钻即钻井过程中钻头破岩比能基线值由地层岩石本身决碎地层岩石颗粒大小与钻头破岩所需能耗成反比，岩中井底“压持”效应越明显，，钻头破岩机械效率越低井过程中影响钻头破岩效率的因素多且复杂，岩石强头破岩机械比能变化范围较大，一定长度井段内钻头地层岩石强度的比值可以用来分析和评价井下实际工，钻头的钻压和扭矩组成钻头破岩输出能量系统，原机械钻速越高。但实际钻井过程中钻头机械钻速和钻线性关系，典型的机械比能和机械钻速的关系曲线如

示意图,钻具组合,直井,微元体

图 3.1 直井中下部钻具组合二维示意图Fig3.1 two-dimensional schematic diagram of the BHA in vertical well3.1.1 状态矢量的叠加与传递当下部钻具组合发生横向运动时，定义下部钻具组合微元状态矢量μ 表示为：1yMVθμ = (3.1)式（3.1）中， y 为微元体相对井眼轴线的横向位移，m ；θ 为微元体相对于井眼轴线于的倾角，rad ；M 为微元体所承受弯矩，N m；V 为微元体所受剪切应力， N 。
【学位授予单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE921.2

【参考文献】