双级双速复合钻具结构设计与破岩性能研究

作     者：林晓月 

作者单位：西南石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：田家林

授予年度：2019年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 082001[工学-油气井工程] 08[工学] 

主      题：双速钻头 复合钻井 井底应力场 破岩性能 实验测试 

摘      要：随着油气资源的开采由浅井转向深井、超深井,钻井成本升高的问题日益严重,深井和超深井的作业面临着机械钻速低与钻井周期长的通病,针对该问题,本文提出了一种双级双速复合钻具,并对其进行了结构设计,采取静态与动态结合、仿真与实验结合的方法对其工作性能进行了研究,论文的主要研究内容与成果为以下:（1）论文基于对国内外螺杆钻具的结构设计、材料优化和性能预估及随钻扩眼工具的发展、工具特征和实钻应用等研究现状的调研分析,提出了一种能保证井眼尺寸并且提高机械钻速的双级双速复合钻具,完成了工具的结构设计与工作原理分析。（2）采用有限元仿真的方法对工具产生的凹形井底进行了应力场研究,建立了常规井底与不同直径比的凹形井底有限元模型,对比了常规井底与凹形井底的应力状态,研究结果表明:凹形井底的领眼井壁有利于井底岩石应力的释放,凹形井底岩石比常规井底岩石更容易被破碎;领眼井段与扩眼井段直径比增大会导致领眼井底应力集中现象更明显,扩眼井底应力集中现象减弱,确定领眼钻头与扩眼钻头较优直径比为0.5。（3）进行了复合钻具与常规PDC钻头的破岩仿真对比研究。基于ABAQUS软件建立了复合钻具双速钻头与常规PDC钻头的有限元模型,进行了破岩仿真分析,对比之后得到:复合钻具的井底应力水平低,机械钻速高于常规PDC钻头,轴向振动小于常规PDC钻头,钻头所受反扭矩波动范围与均值都小于常规PDC钻头。（4）开展了转速组合对复合钻具破岩性能影响的研究。对比了领眼钻头分别以低速、中速和高速旋转时,双级双速复合钻具的破岩性能,结果表明:领眼钻头转速的增加可以提高机械钻速,同时也会增大复合钻具的轴向振动与钻头反扭矩。（5）开展了双级双速复合钻具的台架实验与现场试验。验证了双级双速复合钻具具有预期功能,并分析了钻井液排量与扩眼钻头喷嘴型号对领眼钻头转速的影响以指导工具使用时钻井液排量的调节;根据工具现场试验的数据与使用效果分析,双级双速复合钻具可有效提高机械钻速。综上,本文结合双级双速复合钻具的结构特征与工作原理,进行了静态凹形井底与复合钻具动态破岩的有限元仿真研究,针对工具的破岩性能进行了分析,并通过台架实验及井下试验验证了工具在提高机械钻速方面具有潜力,为双级类钻井提速工具的研究以及随钻扩眼工具的研究提供参考。