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免扩孔径向水平井钻管转向室内试验

数学的实践与认识 2019年第12期49卷 159-165页

作者：徐金超杨永印吴威东北石油大学机械科学与工程学院黑龙江大庆163318 中国石油大学(华东)石油工程学院山东青岛266580 大庆石化公司塑料厂黑龙江大庆163714

针对免扩孔径向水平井钻管经转向器后与地层干涉这一问题,设计了钻管转向试验台以及转向器样机,并对钻管通过转向器过程进行了室内试验,研究钻管弯曲转向后的截面变形、推进力的变化规律,并对钻管的校直情况进行了数据分析.结果表明:相... 详细信息

针对免扩孔径向水平井钻管经转向器后与地层干涉这一问题,设计了钻管转向试验台以及转向器样机,并对钻管通过转向器过程进行了室内试验,研究钻管弯曲转向后的截面变形、推进力的变化规律,并对钻管的校直情况进行了数据分析.结果表明:相同外径的钻管,通过转向器样机时,穿出校直段钻管的椭圆度与壁厚有关,壁厚越小的钻管,椭圆度越大,对于相同直径的钻管来说,壁厚越大,通过时的推进力越大.对于相同壁厚不同直径的钻管来说,直径越大的钻管其所需的推进力越大.

关键词：径向水平井钻管转向试验

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不扩孔径向水平井钻管转向机理及其优选研究

不扩孔径向水平井钻管转向机理及其优选研究

作者：徐金超中国石油大学

学位级别：硕士

超短半径水平井技术是一种成本低、效益高的剩余油开采技术,该技术在国外已被广泛应用,在国内却由于井下扩孔技术的限制使该技术发展缓慢。针对此问题,本文在7寸套管内不需扩孔操作的条件下,对能够在转向半径只有100mm的转向器滑道内完... 详细信息

超短半径水平井技术是一种成本低、效益高的剩余油开采技术,该技术在国外已被广泛应用,在国内却由于井下扩孔技术的限制使该技术发展缓慢。针对此问题,本文在7寸套管内不需扩孔操作的条件下,对能够在转向半径只有100mm的转向器滑道内完成由垂直到水平转向的钻管进行优选并对其转向规律进行研究。本文建立了钻管送进受力模型,以钻管所需推力最小为标准选定了转向器滑道转向段的轨迹形式为半径为100mm的单弯圆弧。并且分析了钻管所需推力的影响因素及规律,从而说明减小钻管半径及壁厚可以降低所需推力,实现小半径转向的可行性。根据本文的轨道条件,确定了URRS钻管的优选原则,拟选了钻管的材料为16Mn,规格为?1 4 ? 1.5mm的钻管为最佳钻管。使用ANSYS软件对钻管转向过程进行模拟,通过模拟得出, ?1 4 ? 1.5mm的钻管穿过转向器滑道时,最大应力值为464MPa,小于最大许可应力,截面几何参数的尺寸变形都小于5%,完全可以安全的穿过转向器滑道,钻管经过校直后可以沿滑道水平的前进,完全满足径向水平井的要求。钻管弯曲内侧在钻管弯曲转向时是更易发生失稳的区域,材料与壁厚相同的钻管,直径大的钻管转向时所受阻力及应力较大,因此直径大的钻管也更易达到其破坏强度。对于相同的直径的钻管,如果壁厚小的钻管能够安全稳定的通过转向器滑道,壁厚大的钻管则一定能够通过同样的转向器滑道。对钻管通过转向器样机进行了室内试验,设计出了转向器滑道样机,样机校直段采用单轮的校直方式,样机的横向宽度为158mm,确定了规格为?1 4 ? 1.5mm,材料为16Mn的钻管为最终优选钻管。

关键词：钻管转向滑道模拟实验

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套管内转向径向井减小挠性钻管送进阻力研究

套管内转向径向井减小挠性钻管送进阻力研究

作者：高朋中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

径向水平井钻井技术是利用高压水射流在油藏的某一层位或多个层位沿径向钻出多个水平分支井眼的钻井技术,该技术可在300mm的转向半径下在转向器内由垂直转向水平,能有效防止水锥和气锥,并保证钻进足够的推进力,可用于深部硬质底层的开... 详细信息

径向水平井钻井技术是利用高压水射流在油藏的某一层位或多个层位沿径向钻出多个水平分支井眼的钻井技术,该技术可在300mm的转向半径下在转向器内由垂直转向水平,能有效防止水锥和气锥,并保证钻进足够的推进力,可用于深部硬质底层的开采。但是在实际生产中,存在钻管送进阻力大导致送进距离受限甚至发生屈曲锁死无法送进的问题。本文在课题组确定了钻管优选原则、优化了不扩孔转向器的轨道参数基础上,针对钻管转向送进过程,分析在轨道加入滚轮与去掉校直段加入杠杆减阻机构的组合参数下,对钻管在不同阶段的转向阻力矫直情况等,进行挠性钻管减小送进阻力的研究。本文采用理论分析、数值模拟与室内实验研究相结合的方法,针对钻管在原有轨道中转向过程,分析确定阻力增大的位置,首次提出在不扩孔转向器轨道加入滚轮的思想并确定了滚轮的布置方案,进而分析滚轮间距等参数对阻力的影响。针对校直段阻力显著增大的现象,首次设计了杠杆减阻机构并分析了其工作原理。运用ABAQUS对钻管加入滚轮后转向过程进行模拟,得到减阻效果最佳的滚轮间距为20.0mm,滚轮超出轨道内壁高度为1.8mm,8个半径9mm的滚轮最优参数。通过改变滚轮半径、滚轮间距等若干组合参数,找出了滚轮间距等参数对阻力的影响规律,滚轮间距对阻力影响不明显;转向半径从6mm增大到9mm转向阻力大幅减小,继续增大半径阻力减小程度很小;随着滚轮个数增加,转向阻力呈先减后增趋势,在8个时阻力最小;转向阻力随超出高度增加先减后增,优选出滚轮超出轨道内壁最优高度1.8mm。运用ABAQUS对钻管加入杠杆减阻机构后的转向过程进行模拟,得到减阻效果最佳的杠杆横向尺寸为55mm,左臂与竖直方向夹角为30,右臂与竖直方向夹角为60的S55-30-60的杠杆减阻机构。找出了杠杆减阻机构尺寸角度参数对减小阻力的影响规律,在有限横向空间内,α越小β越大,杠杆减阻机构减阻效果越好。采用Q345b和304不锈钢钻管在组合机构下的改进轨道中进行转向送进模拟。对比发现屈服强度较小弹性模量较大的304钻管更利于钻管的转向送进实验且两种钻管均符合强度及变形要求,优选出304不锈钢钻管。对加入滚轮后的轨道进行钻管转向实验。结果表明:钻管在滚轮间距为20.0mm,滚轮超出轨道内壁高度为1.8mm,加入8个半径9mm的滚轮的轨道中转向阻力较原有轨道下减小了7.16%。对加入杠杆减阻机构的轨道进行钻管转向实验。结果表明:钻管在加入杠杆横向尺寸为55mm,左臂与竖直方向夹角为30,右臂与竖直方向夹角为60的S55-30-60的杠杆减阻机构轨道中转向阻力较原有轨道下减小了4.74%。对加入杠杆减阻机构和滚轮的组合机构进行联合转向送进实验。实验表明:组合机构较单一情况提高钻管送进能力效果更好,8个半径9mm滚轮和S55-30-60杠杆减阻机构组合较原有轨道下,转向阻力减小了8.37%,基本验证了杠杆减阻机构与滚轮组合对减阻具有可行性。

关键词：滚轮杠杆减阻机构钻管送进阻力轨道实验

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套管内超短半径转向的钻管送进力学研究

套管内超短半径转向的钻管送进力学研究

作者：路飞飞中国石油大学

学位级别：硕士

套管内实现钻管超短半径转向,可以解决径向井大直径扩孔困难的难题。钻进使用的钻管Φ14mm,转向半径小于100mm,在助推液缸中实施送进时很容易发生屈曲现象导致送进失败。针对这个问题,本课题研究了钻管在固定状态和送进状态下的屈曲行为... 详细信息

套管内实现钻管超短半径转向,可以解决径向井大直径扩孔困难的难题。钻进使用的钻管Φ14mm,转向半径小于100mm,在助推液缸中实施送进时很容易发生屈曲现象导致送进失败。针对这个问题,本课题研究了钻管在固定状态和送进状态下的屈曲行为,研究了钻管长度和不同助推液缸内径对钻管的正弦屈曲、螺旋屈曲以及锁死现象的影响,分别确定正弦屈曲和螺旋屈曲临界载荷及钻管锁死压力,寻求适当的助推液缸内径范围,保证对钻管进行扶正的同时能够提供足够的推动力,顺利送进钻管,为相关配套工艺的设计做好准备。采用室内屈曲实验和ANSYS有限元分析对固定钻管的屈曲行为和钻管的送进屈曲过程进行了研究。通过室内固定钻管屈曲实验,研究钻管屈曲变化情况,实验表明正弦屈曲阶段钻管变形为空间性变形,验证了钻管屈曲存在准螺旋屈曲阶段,定义了螺旋屈曲临界载荷及钻管锁死压力。实验发现,助推液缸内径对钻管屈曲行为有较大影响,钻管变形及其与液缸之间的摩擦力起主导作用;液缸内径较小时,钻管锁死压力较高且扶正效果较好。钻管送进实验表明,转向器的超短半径转向段加速钻管弯曲,钻管变形及滑道阻力对钻管屈曲行为起主导作用,在不产生大变形的情况下,滑道阻力及摩擦力小于钻管锁死压力时,钻管能够通过转向器。使用ANSYS软件对钻管屈曲行为及送进过程进行数值模拟。对钻管正弦屈曲过程进行三维建模,模拟结果显示,对考虑重力并带有初始缺陷的钻管进行正弦屈曲研究时,非线性屈曲分析更为合理,其正弦屈曲变形及临界载荷求解与实验数据非常接近,证明模型的合理性。对固定钻管屈曲行为进行三维建模,模型为等螺距变化,存在相对理想化,求解偏大,与实验对比误差在15%范围内;螺旋屈曲临界载荷随液缸内径和钻管长度的增加呈指数下降;液缸内径一定,锁死压力有最大值,存在最佳钻管长度有较大的锁死压力和位移;钻管长度一定,液缸内径增加钻管空间变形增大,锁死压力有最大值,存在最佳液缸内径满足钻管有较大的锁死压力和位移;钻管较长时,选取液缸内径范围25mm5mm为合理送进范围,并进行三维模拟。对长钻管送进过程进行模拟发现,助推液缸内径范围为26mm2mm时较为合理,钻管能够实施送进;钻管进入转向段后开始产生固定钻管屈曲行为,穿出转向器后推动力保持不变;助推液缸内径越大,钻管穿过转向器的最大推动力与变形都大幅度增加,内径过大时钻管无法穿出转向器。

关键词：超短半径转向钻管屈曲实验模拟

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超短半径转向轨道与钻管匹配研究

超短半径转向轨道与钻管匹配研究

作者：李新辉中国石油大学

学位级别：硕士

超短半径水平井技术是一种低成本、高效益的剩余油开采技术,目前在国外已被广泛应用。困扰国内超短半径水平井技术广泛应用的主要难题是大直径扩孔困难,扩孔空间很难达到目前转向器施工的要求。针对这个问题,本课题致力于小扩孔超短半... 详细信息

超短半径水平井技术是一种低成本、高效益的剩余油开采技术,目前在国外已被广泛应用。困扰国内超短半径水平井技术广泛应用的主要难题是大直径扩孔困难,扩孔空间很难达到目前转向器施工的要求。针对这个问题,本课题致力于小扩孔超短半径转向轨道与钻管的匹配研究,把传统的扩孔直径600mm缩小至300-450mm之间,寻求外径在Φ14-25mm,壁厚在1.0-2.5mm之间的薄壁钻管,使其能在高内压、不失稳条件下安全通过转向半径不大于200mm的轨道。采用理论分析、有限元仿真及室内实验对钻管弯曲转向的基本过程进行了研究。对满足井下工况的钻管材质进行了评价和优选,设计了转向空间在300mm-450mm范围内的转向轨道,并对轨道和相匹配的钻管进行了有限元仿真分析,分析结果表明优选出的不同规格钻管在仿真模拟中应变远小于材料的塑性极限0.21;钻管通过轨道时所受阻力随滑道轨迹曲率的变化单调增加,阻力的大小受曲率变化大小及其在滑道中所处位置的影响;钻管截面变形量由于塑性因素变化具有累加性,在滑道内随曲率变化呈阶段性增加。通过对转向半径150mm钻管匹配实验研究,研究结果表明,影响钻管行进阻力和截面变形的主要因素有滑道因素和钻管因素,包括钻管壁厚、外径、滚轮轮型、滑道间隙、矫直结构等,其影响规律与有限元分析相一致。对不同角度的转向要求的转向器进行了实验研究,优选出了60。-120。转角取得较好矫直效果时的矫直段滚轮结构和滚轮尺寸,实验结果表明,推进力并不是随着转角的增加而增加,在70。和100。附近钻管弯曲所需推进力比其它倾角要小,最大可减小20%,压下量随着转角的增大而逐渐增加,最大压下量为3.5mm。其结论可用于指导钻管规格的选取和新型转向器的设计,为将来超短半径水平井技术应用于非垂直井打下一定的基础。

关键词：超短半径钻管转向轨道有限元仿真转向倾角实验