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1、2004年第33卷石油矿场机械第3期第92页OILFIELDEQUIPMENT2004,33(3):92~94文章编号:10013482(2004)03009203导向钻井系统动态仿真分析及应用刘东民(胜利油田黄河钻井管具公司,山东东营257005)关键词:导向钻井;钻具组合;动态数学模型;分析;应用中图分类号:TE9文献标识码:B来的三维空间坐标分解,得出了影响钻头轨迹的重1导向钻井技术的定义和现状要参数,即钻头侧向力(钻头上侧向力、钻头横
2、侧向导向钻井是80年代迅速发展起来的一种连续力)和钻头纵向力。控制井眼轨迹的综合性技术,它包括先进的钻头(一按照固定坐标的定义,正的上侧向力使井斜增般为PDC钻头)、井下导向工具、随钻测量技术加,负的上侧向力使井斜变小;同样,正的横侧向力(MWD,LWD等)以及以计算机技术为基础的井眼轨使方位增加,负的横侧向力使方位减小。迹控制技术。受国内现有仪器、设备的限制,目前,2.2模拟结果与分析国内常用的导向钻具组合为PDC钻头+小角度弯用于分析的弯壳体井底钻具组合的配置为壳体马达+MWD,这种导向钻具组合的特点是,采311.5mm钻头+
3、197mm弯壳体PDM(容积式马用小角度弯壳体马达,配合随钻仪器实现井身轨迹达)+177.8mm钻铤。钻头附近有一个稳定器,的连续控制,保证井身轨迹的控制精度,从而达到提钻头距稳定器中部约0.75m;弯外壳的弯头与钻头高钻进速度、降低钻进成本、保护油气藏的目的。之间距离约2.1m;PDM长约6.352m,PDM的弯曲2弯壳体井底钻具组合动态分析刚度为等效刚度;模拟用总时间为钻柱旋转4周的用时,时间增量是总时间的1/2000。对于定向井和水平井,井底钻具组合动态分析a)转盘转速的影响通过试验得出了钻头在主要分析钻头侧向力和井底钻具
4、组合的运动状态,不同转盘转速下振动时的井斜侧向力的平均值,如二者对定向井和水平井的井身轨迹有重大影响。图1。其他输入参数中,井斜为50、钻压为60kN、钻柱的振动以及地面和井下边界条件对钻柱运稳定器与井壁的间隙为2mm。由图1知,当转速由动状态的影响,使得钻柱动态分析非常复杂。根据30r/min增至60r/min时,钻头平均井斜侧向力略有限元理论,提出一个动态模型,用此模型可以研究微下降,继续增大转速至90r/min,钻头井斜侧向力转速、钻压、弯曲角、井斜角对弯壳体井底钻具组合仅增大了210N。井斜为50时的平均井斜侧向力为动态性能
5、的影响。36kN,表明,弯壳体井底钻具组合有稳斜或略微增2.1BHA(井底钻具组合)动态数学模型斜的倾向。描述弯壳体井底钻具组合运动及力学特性的动态模型为[M]{U1}+[D]{U2}+[K]{U3}={Q}式中,[M]为质量矩阵;[D]为阻尼矩阵;[K]为刚性矩阵;{Q}为外力矢量;{U1}为加速度矢量;{U2}为速度矢量;{U3}为位移矢量。图1转速对井斜力的影响本文用Wilson方法,通过模拟弯壳体井底钻具组合的振动过程,按照井底平面及井眼轴线建立起图2为0、60、90r/min弯外壳弯头的轨迹。由收稿日期:2004
6、0216作者简介:刘东民(1952),男,山东阳谷人,工程师,副经理,现从事生产经营工作。刘东民:导向钻井系统动态仿真分析及应用!93!图2,转速增大,振动位移也随之增大,90r/min弯头的横向位移约为60r/min的2倍。因为转速愈高,横向振动就愈剧烈,并出现方位漂移。图5弯曲角对井斜侧向力的影响3导向钻具组合在现场的应用图2不同转速时弯外壳弯头的轨迹3.1钻具组合显然,钻柱旋转是引起钻柱振动的最直接因素,根据国内现有的设备仪器条件,胜利油田确定因此,转盘转速对钻柱的井下动态有显著的影响。了符合自
7、身特点的钻具组合,钻头(一般为PDC钻过高的转速将导致剧烈振动,缩短钻柱寿命。因此,转速应为30~60r/min。头)+弯壳体马达(角度较小)+随钻测量仪器+定向直接头+无磁钻铤+加重钻杆+钻杆。b)钻压的影响图3为钻压对平均井斜侧向3.2工艺流程力的影响,输入参数中,转速为60r/min,弯曲角为1,井斜角为50,稳定器与井眼的间隙为2mm。井定向段增斜段稳斜段完钻段,能用一趟钻具组合钻完尽量不用两趟钻具组合,减少起下钻斜侧向力随钻压的增大而增大,对所有不同的钻压,次数。具体而言,直井段钻完后采用随钻仪器配合井斜侧向力始终为
8、正,井底钻具组合有增斜倾向。井下动力钻具形成导向钻具组合,钻完定向段和增当钻压由40kN增至100kN时,平均井斜侧向力由3223N增至4511N,井斜侧向力的增量是1288N,斜段,按工程设计选择一个最佳
