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气体钻井井底应力场数值模拟研究

石油机械 2013年第5期41卷 11-14页

作者：黄志强曾其科李琴王明波万科峰郝磊西南石油大学石油天然气装备教育部重点实验室

通过分析气体钻井井底岩石边界条件,建立了轴对称井底岩石物理模型。利用有限元方法求解,对1 000～3 000 m井深条件下的井底岩石应力场进行数值模拟计算,并对井眼轴线、井底面、井壁进行岩石力学特性分析。分析结果表明,井轴最大主应力... 详细信息

通过分析气体钻井井底岩石边界条件,建立了轴对称井底岩石物理模型。利用有限元方法求解,对1 000～3 000 m井深条件下的井底岩石应力场进行数值模拟计算,并对井眼轴线、井底面、井壁进行岩石力学特性分析。分析结果表明,井轴最大主应力在1.6～2.8倍井径距离后,应力逐渐低至水平地应力,破岩难度增加;井底面0.0～0.8倍井径区域存在低应力区,有利于岩石破碎;在井底面向上0.0～0.2 m井壁范围内出现拉应力增加趋势,易出现井壁失稳现象。

关键词：气体钻井岩石力学有限元法井底应力场数值模拟

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利用井底应力场研究双级钻头导扩眼直径比

石油钻采工艺 2007年第1期29卷 22-24页

作者：彭烨沈忠厚中国石油大学石油工程学院

为研究双级钻头导扩眼直径比,应用双级钻头的井底应力场分析模型、开挖方法、分析过程及分析选项,对Φ190.5mm×Φ311mm、Φ215.9mm×Φ311mm和Φ241.3mm×Φ311mm3种双级钻头进行井底三维应力场开挖分析,得到了井底应力场分布曲线,井... 详细信息

为研究双级钻头导扩眼直径比,应用双级钻头的井底应力场分析模型、开挖方法、分析过程及分析选项,对Φ190.5mm×Φ311mm、Φ215.9mm×Φ311mm和Φ241.3mm×Φ311mm3种双级钻头进行井底三维应力场开挖分析,得到了井底应力场分布曲线,井底应力场曲线显示:Φ241.3mm×Φ311mm双级钻头的径向应力释放较充分,有利于提高机械钻速;Φ215.9mm×Φ311mm双级钻头径向和周向两应力差减小,但仍有较大提高机械钻速的潜力;Φ190.5mm×Φ311mm双级钻头的径向和周向两应力差很小,其提高机械钻速的潜力较小;双级钻头的导眼体与钻头的直径比存在最优值,最优直径比为0.7～0.8。

关键词：开挖方法数值分析有限元法井底应力场钻头设计

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高压水射流井底切槽应力卸载特性

石油学报 2022年第9期43卷 1325-1333页

作者：廖华林王华健牛继磊魏俊牛文龙刘建胜中国石油大学(华东)石油工程学院/非常规油气开发教育部重点实验室山东青岛266580

深井/超深井岩石应力大造成的岩石强度升高是导致钻头磨损快、钻井效率低的主要原因之一。高压水射流技术由于可以大幅度提高机械钻速而被广泛应用于钻井工程领域。传统高压水射流破岩理论认为水射流能够起到清岩和辅助破岩的作用,但水... 详细信息

深井/超深井岩石应力大造成的岩石强度升高是导致钻头磨损快、钻井效率低的主要原因之一。高压水射流技术由于可以大幅度提高机械钻速而被广泛应用于钻井工程领域。传统高压水射流破岩理论认为水射流能够起到清岩和辅助破岩的作用,但水射流形成的凹槽对井底岩石应力状态分布的影响一直没有引起足够的重视。结合钻头与高压水射流联合破岩过程,提出了高压水射流井底切槽应力卸载方法。基于Biot多孔弹性力学理论,建立了深部岩层物理模型,分析了不同井深、地应力状态、井底压差条件下岩石有效应力的分布形态和切槽应力的卸载程度;结合不同围压条件下花岗岩的力学特性,使用自定义岩石抗压强度函数分析了井底切槽对岩石强度分布特征的影响规律。研究结果表明:随着井深的增加,应力卸载效率不断升高,井底轴线处有效应力卸载效率在70%以上,井底周围有效应力卸载效率约为50%;钻井液压力的升高减小了应力卸载效率,且井底轴线处应力卸载效率受钻井液压力的影响较大;水射流切槽显著降低了井底轴线处岩石的强度,卸载效率达50%以上,井底周围岩石强度卸载效率约为30%;井底凹槽的存在释放了岩石的有效应力,并将井底岩石应力集中于区域推离切削面,从而降低了钻头作用区域的应力值,在一定程度上降低了岩石的强度,进而提高机械钻速。

关键词：深井/超深井高压水射流切槽应力卸载多孔弹性井底应力场

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双级双速复合钻具结构设计与破岩性能研究

双级双速复合钻具结构设计与破岩性能研究

作者：林晓月西南石油大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：双速钻头复合钻井井底应力场破岩性能实验测试

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柔性钻具组合防斜打快机理研究

柔性钻具组合防斜打快机理研究

作者：周雄西南石油大学

学位级别：硕士

柔性钻具组合是最近提出来的一种钻具组合,并在油田某些区块收到很好的应用效果,该钻具组合安装有柔性接头,通过稳定器的配合,能改变钻头轴线的偏转方向和受力状态。柔性接头钻具组合防斜打快机理研究是基于柔性钻具组合在易斜地层中的... 详细信息

柔性钻具组合是最近提出来的一种钻具组合,并在油田某些区块收到很好的应用效果,该钻具组合安装有柔性接头,通过稳定器的配合,能改变钻头轴线的偏转方向和受力状态。柔性接头钻具组合防斜打快机理研究是基于柔性钻具组合在易斜地层中的应用,本文从以下几个方面开展了工作： 1.采用有限元法建立了直井的井底应力场分析模型,分析了不同因素下各向异性地层井底应力场的分布差异,探讨了不同因素对井底应力场及井眼轨迹的影响。研究表明,不同节理面倾角岩体发生应力集中的位置受节理面与井眼相交的影响较大,井眼内的液柱压力越小,井底岩石越容易受到拉应力破坏,易产生偏斜;节理面间距越小,应力集中发生次数越多,岩石更容易破坏,产生偏斜;水平主应力的大小和方向会改变井眼偏斜方向;大尺寸井眼中,井底井眼附近岩石更容易发生破坏;考虑钻压作用的井底井周附近的岩石应力增大,更容易发生应力集中现象。 2.从静力学上分析了柔性钻具组合的防斜原理,其降斜的条件是柔性接头的中心位于井眼轴线上,主要靠加压改变钻具变形产生的挠曲方向,使近钻头稳定器紧贴于上井壁,在加压钻进中实现钻头偏转角下倾,产生降斜趋势;建立了柔性钻具组合静力学分析模型,实例计算表明,柔性钻具组合的钻头降斜力随钻压和井斜角增大而增大,在井眼产生井斜的条件下,相比常规钟摆钻具组合具有更好的防斜性能。 3.基于地层和钻头的相互作用模型,考虑钻头各向异性和地层各向异性的影响,采用“井斜趋势角”综合指标对防斜钻具组合的防斜性能进行分析;实例计算表明,在地层特性和钻头特性相同条件下,随着钻压的增大,柔性钻具的井斜趋势角明显大于钟摆钻具组合,其降斜趋势更明显,在大钻压下能更好地发挥其防斜性能。 4.运用转子动力学理论和虚功原理建立了底部钻具组合的动力学分析模型,以距离钻头较近的带柔性接头的钻铤段为研究对象,探讨分析了钻压和井斜影响下的钻铤形心涡动规律;动力学仿真结果表明,在钻井液中涡动特征为向前涡动,井斜角越大,钻铤形心偏向下井壁的运动越明显;适当的增加钻压,对于钻井过程中的防斜和纠斜是有利的;钻压波动频率较大时,影响钻头对上下井壁的切削位置和程度。

关键词：井底应力场柔性钻具组合柔性接头防斜机理转子动力学

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基于井底降压对岩石强度影响的提速效果研究

基于井底降压对岩石强度影响的提速效果研究

作者：席境阳西南石油大学

学位级别：硕士

在当前常规、浅层、易开采的油气资源不断减少的情况下,深层油气资源已成为我国目前和未来能源勘探开发的重要领域。然而,由于深层油气资源埋藏深,所需钻的井段长,深部地层可钻性差、研磨性强、机械钻速低已成为制约其有效勘探开发的瓶... 详细信息

在当前常规、浅层、易开采的油气资源不断减少的情况下,深层油气资源已成为我国目前和未来能源勘探开发的重要领域。然而,由于深层油气资源埋藏深,所需钻的井段长,深部地层可钻性差、研磨性强、机械钻速低已成为制约其有效勘探开发的瓶颈。在众多钻井提速手段中,欠平衡和气体钻井技术在深井提速中发挥着不可替代的作用,这主要是由于欠平衡和气体钻井技术大幅度降低了井底压力,从而提高了机械钻速。本文研究的重要目的是认识井底压力对井底平面岩石应力场及岩石强度的影响规律,并以此为基础探讨评价“降低井底压力提高机械钻速”效果的理论方法。岩石的破碎是钻头与井底平面岩石相互作用的结果,井底应力场是决定钻头破岩效果的重要因素。利用有限元数值模拟手段探讨了特定地应力条件下井底压差对井底平面岩石应力的影响规律。认为,降低井底压力可以减小井底岩石的等效应力、改变岩石的应力状态,有利于钻头对岩石的破碎。同时得到结论：井底平面上井眼中心附近的岩石最易破碎,越靠近井壁岩石所处的应力越大,在近井壁地带0.8R(R为井眼半径)附近,会出现明显的应力集中现象,这使得该区域的岩石最难破碎。准确确定岩石所受的围压条件是实验室测试岩石强度的重要前提。原有确定岩石围压的方法存在较大的缺陷和误差。基于有限元的井底应力分析确定井底岩石围压的方法,计算结果更接近真实围压条件。同时,还分析了井底围压与钻井液密度之间的关系,认为二者之间具有很好的线性相关性,并得到了函数表达式。井底岩石强度的评价对指导钻井工艺、钻井参数优化、钻井工具优化设计都有着重要意义。通过定量比较常用岩石强度准则,认为：莫尔-库伦准则和Hoek-Brown准则不适于描述井底条件下岩石的非线性强度特征,而含三参数的指数型强度准则在这方面有明显的优势,能够用于不同井底压力下岩石的强度特征的描述。结合围压与钻井液密度的函数关系,得到了特定地应力条件下,以钻井液密度为自变量的岩石强度评价模型。目前实验室获取岩石强度准则的做法是通过多个岩心样品在不同围压下的强度测试,得到应力圆族的外包络线,从而确定强度准则的表达式。这种方法耗费岩心较多,测试成本高且效率低。通过分析指数型强度准则表达式及曲线的特点,提出了“三点法”获取强度准则的方法,并通过实验分析对两种方法进行了对比,结果表明：两种方法获得的参数相差不大,而“三点法”所需的岩心较少,具有成本低、效率高的优点。建立了基于有限元分析和井底岩石强度评价模型的多元钻速方程,可以直观的评价钻井液密度对机械钻速的影响,定量的评价降低钻井液密度提高钻速的幅度或效果。本文取得的认识对揭示井底岩石破碎机理,丰富钻井提速基础理论体系有着重要的意义,建立的井底岩石强度评价模型及多元钻速方程能够用于指导现场钻井实践。为研究最经济、最有效的钻井工艺和破岩技术提供了理论依据,对破岩工具的优化设计具有指导性意义。

关键词：钻井提速井底压差井底应力场井底岩石强度多元钻速方程