高德利老师-大位移钻井技术及管柱力学2016

大位移井钻柱振动规律研究引言在油气开采过程中，井下钻井作业是至关重要的环节，而大位移井钻柱振动问题一直是制约井下钻井作业安全和效率的重要因素。

针对大位移井钻柱振动问题的研究具有重要的理论和实际意义。

本文将对大位移井钻柱振动规律进行研究，以期为井下钻井作业的安全和高效进行提供理论支撑。

一、大位移井钻柱振动的影响因素1.1 井下地层条件井下地层的条件会直接影响到钻井作业的振动情况。

不同的地层条件对井下钻井作业的振动表现会有所差异。

1.2 钻井工艺参数钻井工艺参数包括钻头旋转速度、钻压和进给速度等，这些参数的不同组合对于井下钻柱振动会产生不同的影响。

1.3 钻柱结构及材料钻柱的结构和材料也会对井下振动产生一定的影响。

不同的钻柱结构和材料对于振动的影响不同。

1.4 钻井液性质钻井液的性质会对振动产生一定的影响，包括密度、黏度和化学成分等。

1.5 其他因素除了以上因素外，地质构造、井眼形态等因素也会对井下大位移钻柱振动产生影响。

二、大位移井钻柱振动的数学模型2.1 振动的动力学方程大位移井钻柱振动的动力学方程可以用如下的形式表示：m\frac{d^2x}{dt^2} + c\frac{dx}{dt} + kx = F(t)m为钻柱的质量，c为阻尼系数，k为刚度，F(t)为外力。

2.2 大位移井钻柱振动分析通过对动力学方程的分析，可以得到大位移井钻柱振动的一些基本特性，包括振幅、频率和相位等。

这些特性对于理解和控制井下振动具有重要意义。

三、大位移井钻柱振动的实验研究3.1 实验内容针对大位移井钻柱振动问题，可以进行一系列的实验研究。

通过不同的地层条件、钻井工艺参数和钻柱结构等因素的组合，进行井下振动的实验研究。

3.2 实验方法实验方法主要包括现场井下实验和室内模拟实验两种。

现场井下实验可以直接采集井下振动数据，但操作难度大；室内模拟实验可以通过模拟井下条件，对振动进行研究。

四、大位移井钻柱振动的控制方法4.1 控制策略针对大位移井钻柱振动问题，可以采取一系列的控制策略，包括优化钻井工艺参数、改进钻柱结构和材料、调整钻井液性质等。

大位移井钻井技术难点1 概况大位移井（ERD）作为开发滩海和海洋油气资源的最重要手段，已得到越来越广泛的运用和快速发展。

采用大位移井可大大减少人工岛和钻井平台的数量，并使每个平台可控制的泻油面积增大，从而减少所钻井的数量，增加储层裸露面积，并提高油井产量和采收率。

大位移井通常定义为水平位移与垂直深度之比大于2.0的井。

大位移井的关键技术包括：井身剖面和钻柱优化设计，摩阻与扭矩，井壁稳定技术，井眼清洁、套管磨损预测与防治技术，以及完井技术等。

随着随钻测井技术、旋转导向钻井系统、随钻环空压力测量技术、闭环钻井技术以及配套钻井液技术的跨越发展，一大批高指标的大位移井陆续钻成，而且周期越来越短，成本明显降低，都表明大位移井钻井技术代表了当今世界钻井技术的一个新的高峰，并将有着更广阔的发展空间。

2 大位移井发展现状迄今为止,大位移井的位移世界纪录为10728m，是由BP公司于1999年在英国Wytch Farm 油田的1M-16SPZ井上创造的，该井测量深度11278 m，水平位移10728 m，位垂比6.55。

目前全世界位移超过万米的大位移井有3口。

分别是英国的Wytch Farm 1M-16SPZ井(10728 m)、阿根廷的Cullen Norte-1井(10585 m)和BP 的Wytch FarmM211Y井(10114米)。

在位移排前20位的大位移井中，中国拥有3口，名列第三。

中国的3口大位移井是由中国海洋石油总公司在西江油田施工的西江24-3-A14、西江24-3-A20、西江24-3-A17。

3 大位移井钻井施工技术难点（1）剖面设计及轨迹控制难大位移井的突出特点是水平位移大、井斜角大，井身设计、井眼轨迹控制等与常规定向井钻井明显不同，井眼轨迹优化设计和轨迹控制难度大，是减小大位移井摩阻和扭矩的主要途径之一。

（2）摩阻与扭矩大由于大位移井段井斜角多在70°以上，斜深大，重力效应突出，从而引起上提下放钻柱时的阻力大；钻柱摩擦力矩大，传递扭矩困难；钻柱与套管磨损严重；钻柱强度问题突出；施加钻压困难，下部钻具组合易产生屈曲导致自锁。

文章编号:1000-7393(2006)06-0001-03大位移井摩阻/扭矩预测计算新模型*宋执武1高德利1马健2(1.中国石油大学石油与天然气工程学院,北京102249;2.长庆油田公司采油一厂,陕西延安716000)摘要:井下摩阻/扭矩预测是大位移井钻井成功的关键技术之一。

常用的预测模型大都忽略了井眼的间隙,因此无法判断钻杆接头和本体与井壁的接触情况。

通过假设井壁对钻柱的支承点按一定的间隔分布,将钻柱在支承点处断开,相邻两断点间的钻柱作为一跨,根据加权余量法在每一跨内计算出钻柱的转角与弯矩的关系;根据相邻两跨在断开点处的转角相同,求出弯矩的迭代方程;再由已知的边界条件计算出各点的弯矩;进而计算出各支承点处支反力的大小和方向,根据这一方向逐渐调整钻柱在井眼中的位置;推导出一套新的没有忽略井眼间隙的摩阻与扭矩计算公式。

新模型能够计算出钻柱与井壁的接触情况,为合理的确定减扭接头或钻杆保护器等工具在钻柱上的安放位置提供更准确的依据。

关键词:大位移井;摩阻;扭矩;加权余量法中图分类号:TE22文献标识码:A大位移井具有长水平位移、大井斜角以及长裸眼稳斜段的特点。

大位移井钻井过程中的摩阻/扭矩的预测和控制是成功实施大位移井的关键和难点所在。

摩阻扭矩分析是大位移井轨道优化设计的基础,是选择合理的钻井和下套管工具的前提。

在实钻速,通过预测值和实测值的对比,可以了解井下的情况。

所以建立一个符合实际情况的,正确合理的摩阻扭矩计算模型是很有意义的。

国内外有多篇文献对摩阻/扭矩计算模型进行过研究[1-12],但这些模型大都忽略了井眼的间隙,即假设钻柱与井壁处处接触,因此无法判断钻杆的接头和本体与井壁的真实接触情况。

笔者根据加权余量法和三弯矩方程法的思想,推导出一套新的摩阻与扭矩计算公式,该套公式没有忽略井眼的间隙。

在分析中采用如下基本假设:(1)井壁对管柱呈刚性支承;(2)管柱与井壁的摩擦为滑动摩擦;(3)忽略管柱的动力效应。

44C HINAPE T ROLE UMANDCHEM ICALINDUSTRY中国石油和化工45C HINAPE T ROLE UMANDCHEM ICALINDUSTRY 中国石油和化工作业工况的管柱摩阻系数反演计算等。

２．３　管柱组合设计考虑了三维井眼轨迹下的井下管柱与套管的摩擦力、弯曲所产生的附加力、管内流体与管相对运动时产生的摩阻力以及振动载荷等［３］。

通过在空间上对管柱进行受力分析，建立了计算任意井眼中管柱轴向载荷的通用模型，可以用来设计任意井眼轨迹井中的生产与作业管柱，分别采用了等安全系数和等应力范围比两种设计方法。

本模块的目的在于事前防止井下故障的发生。

充分考虑井下管柱各种受力情况，考虑完井、井下作业或修井可行性，设计安全的管柱组合，保证井下作业的安全，避免管柱发生强度破坏而造成井下复杂事故。

２．４　管柱校核对油田提出的管柱组合方案进行校核。

软件基于三维井眼轨迹，同样考虑了管柱与套管的摩擦力、弯曲所产生的附加力、管内流体与管相对运动时产生的摩阻力以及振动载荷等。

分上提、下放、注入、采出四种工况对管柱进行校核，通过求出管柱危险点的安全系数，来判断管柱是否安全。

２．５　封隔器管柱系统计算封隔器管柱系统在井下工作时，温度和压力的变化，往往会引起系统的受力和管柱长度发生改变［４］，导致封隔器过早解封、错封或窜封，乃至无法起出封隔器及其他更为严重的恶性故障。

（１）软件能够准确计算在完井和作业过程中油管和环空内的温度变化和压力变化；（２）准确计算油管由于压力和温度的变化引起的油管柱长度的变化（包括活塞效应，温度效应，膨胀效应，螺弯效应）以及所产生的附加应力；（３）封隔器在实际使用中，为了使封隔器避开套管接箍并达到工艺设计要求，准确确定封隔器坐封位置显得尤为重要，软件可以准确确定封隔器坐封位置；（４）初始油管压缩量计算，是封隔器管柱受力分析计算的重要参数，它不仅能够对封隔器坐封时现场施工提供指导，而且还是后续施工或完井过程中计算管柱的受力和变形的基础；（５）对于自由移动封隔器管柱受力分析要解决的问题主要有：确定密封段的最小长度，以保证管柱下端的插管密封段在上下移动过程中不能移出密封腔；校核管柱能否出现永久性螺旋弯曲或因张力过大而损坏的情况；（６）对于不可移动封隔器确定封隔器对油管的作用力；校核管柱能否出现永久性螺旋弯曲或因张力过大而损坏的情况；（７）求出中和点的位置，提示中和点是在管内还是在管外；（８）求出在压力和温度变化后封隔器对油管的作用力，进而求出管柱危险点（包括井口）的拉力，计算出管柱危险点的安全系数，校核封隔器管柱的安全性。

钻具刚度和套管刚度匹配在下套管工艺中的应用研究1摘要：在钻井作业实践中，套管经常由于各种原因不能完全下到位，需要重新拔出套管，进行通井作业，或者就地固井，重新侧钻，启动备用井眼尺寸，更甚者，导致钻井失败。

失败的主要原因是套管下入刚度不适用钻具刚度，导致套管弯矩增大，井眼曲率半径过大而无法通过井眼。

因此本文利用惯性矩计算方法，对比通井钻具组合和套管刚度，得到钻具与套管刚度匹配性方法，成功解决中东某碳酸盐井表层套管多次下套管不到位的难题，为后期类似的碳酸盐井通井钻具组合提供了理论依据。

关键词：大尺寸套管，通井钻具，刚性，惯性矩Analysis of the effect of moment of inertia on casing runningSun Wenhua1(1. Unit, location zip Code)Abstract: In drilling practice, the casing is often not fully in place for various reasons, and it is necessary to pull out the casing again to run the well, or cement the well in place, re-sidetrack, and start the backup hole size, or even lead to drilling failure. The main reason for failure is that the casing running stiffness does not apply to the drilling tool stiffness, which leads to the increase of casing bending moment and the hole curvature radius is too large to pass through the hole. Therefore, in this paper, the calculation method of moment of inertia is used to compare the drilling tool assembly and casing stiffness, and the matching method of drilling tool and casing stiffness is obtained, which successfully solves the problem that thecasing is not in place for several times in the surface casing of a carbonate well in the Middle East, and provides a theoretical basisfor similar drilling tool assembly of carbonate well in the later period.Key words: large size casing, Drilling tools, Rigid, Moment of inertia0 引言在钻井过程中，通井作业主要是为了扩划井壁、破除台肩、消除阻点[1]。

科研组织管理国内外合作设想
国内合作。

实验室研究人员与国内相关的高校、科研院所及油气田企业进行了多项科研合作，并积极参加相关学术活动。

例如：在“十二五”期间，高德利教授作为项目组长主持承担的国家科技重大专项项目“复杂油气田地质与提高采收率技术（2011X05009）”，联合了中国地质大学、浙江大学、西南石油大学等12所优势高校及2个油田，进行协同研究并取得了丰硕的研究成果；李根生教授作为首席科学家主持承担的国家973计划项目“深井复杂地层安全高效钻井基础研究”，联合了中国科学院、中国石油、中国石化以及石油高校等7家国内优势单位，已顺利通过项目验收。

实验室学术带头人有多人次为国内各种相关学术活动作特邀报告，如高德利在2014年度应邀作了7次特邀报告。

2）国际合作。

实施研究人员积极开展国际学术交流与合作，承担国际合作项目，在国际会议上作特邀报告，不断提高国际化水平。

例如：实验室研究人员与美国Oklahoma大学合作承担了国家自然科学基金重大国际合作项目“页岩气藏水平井完井与多级压裂增产的基础研究”，与莫斯科古勃金油气科技大学合作承担了国家重大国际合作项目“油气井复杂钻井条件下管柱磨损防护技术研究”，还承担了石油企业的海外项目等。

在国际学术交流方面，例如：高德利连续两年（2013和2014）应邀在“International Conference on Computational & Experimental Engineering and Sciences”上作主题报告；2014年，高德利还在中国举行的三次国际会议上作特邀报告；李根生在环太平洋水射流会议上作特邀报告。

大位移井的关键技术概述摘要：大位移井的施工涉及到多方面钻井技术，需要综合定向井、水平井、深井技术，除此之外由于多目标三维大位移井技术难度大、各方面要求均较高，其突出特点表现为井斜角较大、水平段较长，由此也会带来众多问题。

大位移井涉及到的重要技术有井身剖面设计、井眼轨迹控制、钻具设计、减少摩擦阻力及扭矩等。

为了进一步提高大位移井钻井技术，我们就必须解决好这些问题。

关键词：大位移井；关键技术；井深结构；井眼轨迹；钻柱；摩擦阻力1、引言大位移井顾名思义就是具有较大水平位移量的钻井设计，并且该类钻井往往同时具有高井斜稳斜井段长的特点。

通常情况下大位移井的水平位移量与垂深比大于2，可进一步细分为大位移水平井、特大位移井和三维大位移井。

大位移水平井的井斜要大于86°，特大位移井的水平位移量与垂深比大于3，三维大位移井是指为了满足地质上的特殊要求而在钻进过程中转变方位的钻井。

大位移井具有较高的经济效益，尤其是面对海上油气田的开采，大位移井在现阶段应用越来越为广泛。

例如英国的Watch farm油田用在岸上设计大位移井的开采方式取代人工造岛，节省了超过1.5亿美元的钻井费用，并且产量比直井更高，经济效果十分显著；挪威北海Sleipneer油田在开发阶段同样采用大位移井技术取代传统的直井设计，取得了巨大的经济效益。

但大位移井在钻进过程中具有较大的井斜、较长的水平段以及较大的摩阻，钻进过程中发生工程事故的比率较高，因而对于钻井工艺具有较大的要求。

对大位移井的关键技术进行充分分析有利于提高钻井效果、降低工程事故发生的概率。

2、大位移井的关键技术大位移井设计是一项多种钻井工艺配合的复杂的技术，具有难度大、工艺要求高的特点，体现了当今钻井技术的最高工艺。

在大位移井设计过程中需要重点对井身剖面设计、井眼轨迹控制、钻具设计、减少摩擦阻力及扭矩等方面进行控制。

2.1井身结构设计大位移井井身剖面结构设计过程中应着重注意以下几点：尽量增大大位移井的延伸长度、有效做到降低扭矩和摩阻、降低套管磨损程度、提高管具的下入性能。

一 、工程背景压裂过程中,井下管柱要承受自重、内压、外压、各种效应力、粘滞摩阻力、套管支承反力、弯矩和锚定、坐封力等多种载荷的联合作用。

施工泵压、排量、流体性质的改变,将直接引起管柱内、外温度和压力变化,势必导致封隔器油管柱受力和变形发生变化,从而进一步影响到油管的强度和封隔器的密封效果,在高温高压深井、超深井作业中,这样的矛盾尤为尖锐和突出。

所以,压裂过程中的管柱受力已经成为影响压裂施工成败的关键因素之一。

本文对简化后的回接压裂油管的受力变形进行了分析。

略去封隔器上端水力锚的影响、忽略油套环空压力的变化（▽p o =0）、忽略粘滞摩阻力、忽略回接插头与回接筒的阻力。

二 、回接的压裂油管基本效应的力学模型建立1 活塞效应由油管内外压力引起的对油管的作用力称为活塞力，相应由油管柱内外压力的变化引起油管的伸长或缩短的这种现象叫做活塞效应。

如图1-a 所示（油管的内径等于密封管的外径），p o 为环空压力，p i 为油管压力，A o 、A i 各为油管内外径截面积，A p 为密封管的内腔截面积。

因此有：向上的力： )()('1p i i i o o A A p A A p F -+-=向下的力：)(''1p i i A A p F -=假设向下的力为正， 向上的力为负。

则活塞力为： '1''11F F F -= )(01o i A A P F --=假设油管伸长为正，缩短为负。

由胡克定律可得，活塞力引起的油管伸长或缩短为：P o P i P i P o Ap AoAiAp AiAo1-a 1-b 图1s EA L F L 11=∆ 式 1式中： L —— 油管的原始长度；E —— 油管的材料性能参数，205GPa ； A s —— 油管的横截面积，A s =A o -A i. 2 膨胀效应当油管内有内压时， 油管内压会作用在油管内壁上，使油管直径增大，管柱将缩短，这种现象叫做正膨胀效应，反之，称为反膨胀效应。

大位移水平井钻井技术难点及策略摘要：油气资源是我国社会经济发展过程中非常重要的能源。

目前，我国很多油气田的开采都已经到了后期开发阶段，石油开采量很低，开采难度较大，开采效率不高，从而影响石油开采水平的提高。

大位移水平井钻井技术是推动石油产量提升的重要方式或者途径，其对我国油气资源的开采非常有利。

在应用大位移水平井钻井技术时，影响其钻井效果的因素有很多，且在该技术应用过程中也会遇到很多的难点或者问题，加强对大位移水平井钻井技术难点的分析与策略的创新，对促进我国原油行业的快速发展非常有利。

基于此，本篇文章对大位移水平井钻井技术难点及策略进行研究，以供参考。

关键词：大位移水平井；钻井技术；难点；策略引言在大位移水平井钻井工作开展过程中容易出现很多技术难点或者问题，如井眼轨迹的控制难度较高、钻具的断裂程度较高、井下安全事故、坍塌事故等的频发，这些都是大位移水平井在钻井工作中遇到的实际技术难题。

为了能够解决这些技术问题，从控制井眼轨迹、强化钻井泥浆质量、优化钻具摩阻扭矩大等问题，促进大位移水平井钻井水平与效率的更好提高。

1大位移水平井钻井介绍大位移水平井钻施工难度大，在轨迹控制、井眼清洁、降摩减阻、单控储量大、泄油面积广及生产差压小等特点，已成为油气田高收收率和经济效益重要支柱，如今水平井钻井技术已日臻完善，但在水平井钻井方面仍存在技术难点，需要开展技术攻关研究。

2大位移水平井钻井技术难1）坍塌率较高。

应用大位移水平井钻井技术来进行钻井作业时，必须在地层中开展定向造斜作业，而这种作业容易破坏地层的土壤结构，进而诱发坍塌问题或者事故。

我国很多油气资源开采区块的土壤都比较疏松，在疏松区块的坍塌率较高。

坍塌的范围较小会直接影响钻井作业效率，如果坍塌的范围较大，那么可能会直接诱发安全事故，导致钻井作业无法正常开展与进行。

2）频发的井下事故。

岩屑床在大位移水平井钻井作业中的作用与影响很大，其会影响钻速，使钻速降低。

南堡油田大位移井注水管柱力学分析注水管柱是实现分层注水的重要部分,是联系地面和地层的重要通道,良好的管柱结构和工具组合能为分层注水施工带来良好的效果,保证施工的安全性、可靠性与有效性。

而在作业过程中,注水管柱通常会受到管柱自身重、流体粘滞阻力、管柱内外流体压力、温度效应、井壁与管柱间的支反力和摩擦力、井内液体浮力等多种载荷的综合影响,不同工况条件下的摩阻、载荷、应力及变形,直接影响到管柱及井下工具的安全性和可靠性。

因此一直以来,注水管柱在井下的力学行为特征都是工程界和学术界的重要研究课题。

而在冀东南堡滩海油田的大位移井中,由于井身结构的复杂性,管柱在井下的受力状况更加复杂,因此不同工况条件下的受力条件和力学行为特征也更加复杂,从而导致作业过程中安全性和可靠性问题更为突出。

鉴于此,亟需在管柱力学的基础上,针对冀东南堡油田大位移井分注管柱管柱的工艺、管柱结构及井身结构特点,开展大位移井分层注水管柱管柱力学研究,分析分注管柱在不同工况条件下的的稳定性、摩阻、受力和变形等力学行为特征,并借助计算机仿真技术,编制相应的仿真计算软件,从而为现场提供一套全面有效的大位移井分层注水管柱力学行为管柱分析工具,指导现场管柱结构、工具组合、施工参数等方面的优化设计。

将石油工程、油气井工程、力学、数学和计算机等多学科相结合,在考虑各种井况及井身结构的前题下,针对不同井段的井眼曲率特征对管柱受力影响的差异,建立了注水管柱力学理论模型;首次采用超静定求解方法,建立了多封隔器工况下的注水管柱和井下工具受力计算模型；研制了注水管柱受力测试仪器,用现场实测数据对理论模型进行了验证：采用管柱力学模型分析了大位移井注水管柱各种工况下工况下的受力特征,分析了井斜角、方位角等因素对注水管柱受力的影响,得到了一些新的认识；并开发了大位移井分注管柱力学分析软件；为南堡滩海油田分注作业管柱设计优化提供理论指导和有效工具。

(1)在全面考虑实测井眼轨迹、摩擦力、粘滞摩阻、管柱自重、浮力、内外压力等因素对大位移井分层注水管柱受力的综合影响基础上,针对不同井段的井眼曲率特征对管柱受力影响的差异,建立了大位移井注水管柱的三维“刚杆”和“软绳”力学分析模型；根据大位移井分注管柱的受力特点,详细分析了管柱在井筒内的各种效应,建立了大位移井分注管柱变形计算模型,该模型更能体现大位移井内注水管柱的受力特征。

钻柱力学是指应用数学、力学等基础理论和方法,结合实验以及井场资料等数据综合研究受井眼约束的钻柱的力学行为的工程科学。

开展钻柱力学研究, 对钻柱进行系统、全面、准确的力学分析,在井眼轨道设计与控制、钻柱强度校核、钻柱结构和钻井参数优化等都具有重要意义。

钻柱力学研究已经有五十多年的发展历史, 许多研究成果已经应用到生产实践并产生了巨大的经济效益, 但由于钻柱在充满流体的狭长井筒内处于十分复的受力、变形和运动状态,直到今天仍然无法做到对钻柱力学特性的准确描述和和精确的定计算。

近年来, 着欠平衡井、深井、超深井、水平井、大斜度井和大位移井在油气勘探开发中所占的比重越来越大, 井眼轨道控制、钻具疲劳失效、钻井成本等问题逐年突出,对钻柱力研究提出了更高的要求。

与现代钻井技术发展相适应,钻柱力学必然朝着更贴近井眼。

实际工况、控制和计算精度更高的方向快速发展。

文中首先介绍钻柱力学问题的提出、研究目标、研究方法、钻柱的运动状态和钻柱动力学基本方程。

然后将钻柱力学分为钻柱力学和动力学2个部分;介绍钻柱拉力扭矩、钻柱的弹性稳定性、底部钻具组合受力、钻柱与涡动等几个主要方面,并对未来发展趋势做出初步的预测。

在20世纪20- 30年代, 人们就发现了井斜,同时发现井斜与钻柱的力学问题有Lubinski是钻柱力学的创始人。

1950年,他从定量分析直井中钻柱的屈曲问题入手, 开创了钻柱力学研究的新局面,该研究成果得到了公认。

(1)钻柱的运动状态; (2)钻柱的应力、应变和强度; (3)钻柱与井底、井壁和钻井液相互作用及效果。

这是钻柱力学研究的3个主要方面, 互相联系、互相影响、不可分开。

在钻柱力学长期发展中,经过不断的优化和比较,形成了几种比较典型的研究方法,即经典微分方程法、能量法、有限差分法、纵横弯曲连续梁法、有限元法和加权余量法。

经典微分方程法是钻柱力学中应用最早的研究方法。

该方法要求在满足经典材料力学的基本假设的前提下,建立钻柱线弹性的经典微分方程并求解。