地面导向钻井的钻柱力学特性分析

作     者：马苏南 

作者单位：长江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：易先中;殷光品

授予年度：2022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：地面导向钻井 扭摆减阻 微分方程 Matlab数值分析 试验测试 

摘      要：近年来,油气勘探开发技术逐渐向非常规领域发展,水平井和大位移井可以提高油气藏产量,已经成为高效开发油气层的重要技术支撑。但是,在滑动钻进过程中钻柱托压问题突出,钻压不能传递到钻头,导致钻井的速度和效率缓慢。国外斯伦贝谢、贝克休斯等分别研发了扭摆减阻系统,解决了钻柱托压问题,在现场成功应用,提高钻井效率。国内针对扭摆减阻技术取得一些阶段性进展,对滑动钻井作业中的扭摆减阻的影响因素缺乏理论知识,扭摆效果参差不齐,导致扭摆减阻不能在安全的前提下发挥最佳效果。针对当前滑动钻井技术中的托压问题,本文主要包括以下研究工作:(1)建立钻柱扭摆运动控制方程,给定初始和边界条件,通过Matlab数值分析,研究扭摆圈数(±1/6、±1/3、±1/2、±2/3、±5/6、±1)对扭摆深度、钻压的影响,随着扭摆圈数的增加,扭摆深度不断增加,钻压趋于平稳,过度增加扭摆圈数会造成工具面波动,影响钻井效率。研究扭摆速度(10-70r/min)对扭摆深度、钻压的影响,随着扭摆速度的增加,扭摆深度不断增加,钻压趋于平稳,扭摆减阻的效果更好,但是过度增加扭摆速度会造成工具面波动,影响钻井效率。(2)针对钻井过程中的粘滑振动现象,分析了摩阻扭矩的计算方法并给出实例计算,针对扭摆控制区粘滑振动特性研究,通过数值分析和试验平台两方面分析了转速(38.2r/min、57.3r/min、76.4r/min、114r/min),摩阻扭矩(8000Nm、7400Nm、6600Nm、6000Nm)、钻柱刚度(473Nm/rad、800Nm/rad、1400Nm/rad、1600Nm/rad)对粘滑振动的影响,搭建粘滑振动试验平台验证Simulink模块数值分析结果,提出增大转速,减小摩阻扭矩、增大钻柱刚度可以减轻粘滑振动,提高钻井效率。(3)根据相似理论推导,合理简化模型,将物理原型按照一定比例1:1000缩小,搭建扭摆作用下钻柱力学特性试验平台。该试验平台包括四大系统:驱动系统、钻柱-井筒模拟系统、数据测量系统、试验控制系统。测试不同扭摆圈数作用下,钻压变化曲线,以及不同扭摆速度作用下,钻压的变化曲线。针对试验结果分析,并与Matlab数值分析规律相互验证,保证数值分析的合理性、正确性。