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水平井防托壓工具安全性評價與試驗

文檔作者：蘇山林祝效華王鑫文檔來源： 1．勝利石油工程有限公司黃河鉆井總公司管具公司 2西南石油大學機電工程學院		點擊數：	更新時間： 2021年09月10日
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2015焦
第1期
第44卷
第34頁
石油礦場機械
OIL FIELD EQUIPMENT 2O15，44(1)：34—37
o o
文章編號：1001—3482(2015)01-0034-04
水平井防托壓工具安全性評價與試驗
蘇山林 。祝效華。。王鑫 ，
(1．勝利石油工程有限公司黃河鉆井總公司管具公司，
郝榮明
山東東營
張國偉
257091；2．
， 石昌帥 ，任廣兵
西南石油大學機電工程學院，成都610500)
摘要：摩阻問題是井下復雜事故的最直接原因，如何降低水平井摩阻是減少水平井事故、提高機械
鉆速和目的層中靶率的關鍵。設計了防托壓工具，該工具可以降低水平井段摩擦阻力，提高機械鉆
速，能夠解決井下卡鉆、鉆井進尺小的問題?，F場試驗表明：設計的防托壓工具工作參數滿足要求，
可以產生預期效果，使用該工具能夠降低水平井段摩擦阻力，提高水平井延伸鉆進能力，并且不會
對鉆頭或其他鉆具連接螺紋造成破壞。
關鍵詞：水平井；鉆柱；摩擦阻力；機械鉆速；鉆井進尺
中圖分類號：TE921．207 文獻標識碼：A doi：10．3969／j．issn．100i-3842．2015．01．009
Safety Evaluation and Test of the Horizontal W ells Anti—Tropsch Press Tool
SU Shanlin ，ZHU Xiaohua ，W ANG Xin ，HAO Rongming ，
ZHANG Guowei ，SHI Changshuai ，REN Guangbing
(1．Huanghe Drilling Tubular&amp;amp; Tools Company，Shengli Petroleum Engineering Co．，Dongying 257091，China；
2．College of Mechatronic Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China)
Abstract：The frictional resistance has been the most direct cause of the down hole complex acci—
dent，to reduce the horizontal wells’friction is the key to reduce horizontal wells accidents，im—
prove drilling speed and purpose layer target rate．To the question，the horizontal wells Anti—Tro—
psch press tool is designed．It can reduce the horizontal wells’friction，improve drilling speed，and
solve the problem of downhole sticking and drilling footage smal1．According to the analysis，the
working parameter of Anti-Tropsch press tool can meet design requirement and achieve the de—
sired results．Use the too1 can be able to reduce the horizontal section of the frictiona1 resistance。
improve horizontal wells extend drilling capacity，and no to damage bit or other tool connection
thread．
Keywords：horizontal well；drill string；frictional resistance；ROP；drilling footage
隨著石油勘探開發(fā)進程的不斷深入，定向井、水
平井、大位移井所占的比例越來越大。長水平段鉆
井技術在國內外得到廣泛應用，主要得益于其較好
的投入產出比。目前，國外水平井鉆井成本已降至
直井的1．2～2．0倍，而產量則是直井的4～8倍；國
外已經鉆成了水平位移超萬米的大位移井，而國內
只能完成水平位移約4 000 m 的大位移井。在水平
井的鉆進過程中，由于摩擦阻力大，使得鉆井效率
低、鉆井周期長、鉆井成本高，這成為制約水平井發(fā)
展的主要瓶頸。在現場實踐中，由于管柱的摩阻轉
收稿日期：2014—07—26
基金項目：國家自然科學基金項目(51122406)；四川省高等學校科技創(chuàng)新團隊項目(12TD007)
作者簡介：蘇山林(1969一)，男，山東東明人，高級工程師，主要從事鉆井工具及井控設備研究，E—mail：susl163@163．com。
第44卷第1期 蘇山林，等：水平井防托壓工具安全性評價與試驗
矩太大，可能引起以下情況的發(fā)生：機械鉆速明顯變
低；鉆具不能上提或發(fā)生斷鉆具事故；達不到井身軌
跡的設計要求，目的層中靶率低。
關于定向井及水平井摩阻的預測分析，國內外
已作了不少研究，1983年Johancsick等人 首先發(fā)
表了定向井中摩阻預測的“軟桿”模型，此后該模型
得到了廣泛應用。1987年，Brettc 等人通過應用研
究，指出“軟桿”模型摩阻預測結果與實測結果之間
存在誤差，其原因可能是由于模型中沒考慮下部鉆
具組合的剛度而造成的，并建議將井底鉆具組合作
為梁單元來考慮。1988年，Ho H—Sc胡以大變形理
論為基礎，考慮了鉆柱的剛度作用，提出了改進的摩
阻計算模型，并采用有限差分法進行求解。國內學
者基于以上理論，采用各種方法對不同井況下鉆柱
的摩擦問題進行了研究，并提出新的分析理論和解
決措施[4 ]。
因此，如何最大限度降低水平井段摩阻是減少
水平井事故的關鍵，也是確保水平井延伸鉆進能力
的決定因素 。鑒于此，本文設計了一種水平井
防托壓工具，該工具可以降低水平井段摩擦阻力，解
決井下卡鉆、鉆井進尺小的問題，尤其是在使用動力
鉆具的定向井中效果更佳。
1 技術分析
1．1 結構組成
如圖1所示，水平井防托壓工具主要由振動部
件、動力部件和閥部件組成。振動部件與上端鉆柱
連接，動力部件是1：2頭螺桿馬達，閥部件下端與
近鉆頭鉆柱連接，該工具可以根據減阻需要安置在
合適的位置。
振動部件
— ● l _ _ — l — I
閥部件 動力部件 連警
—●■—●—■—■■—■
圖1 防托壓工具結構
1．2 工作原理
水平井防托壓工具通過振蕩底部鉆具組合或者
鉆柱減少摩擦。具體過程是：動力部件驅動閥部件
產生周期性的壓力脈沖，壓力脈沖向上游傳遞，激勵
振動部件產生軸向竄動，軸向力破壞了水平井段的
靜摩擦，從而提高鉆具的延伸鉆進能力。
特殊的閥結構是工具的核心部件，它將鉆井介
質的能量轉化成一系列的脈沖壓力，該過程是通過
閥部件過流面積周期性的變化來實現的。閥部件過
流面積最小時，產生脈沖壓力，此時最大壓降值為
3．8～4．5 MPa，而過流面積最大時，脈沖壓力消失。
如圖2所示，陰影處為閥部件開啟的過流面積，其
中：a為閥部件過流面積最小時，產生脈沖壓力；b為
閥部件過流面積最大時，脈沖壓力消失；C為閥部件
過流面積又變?yōu)樽钚。a生脈沖壓力，如此周期性循
環(huán)作用。
圖2 閥轉動過程中的脈沖壓力變化
1．3 工具特點
1) 防托壓工具脈沖頻率為15～26 Hz，振幅
為3～10 mm，產生周期性的溫和振蕩，引起的軸向
力周期性地傳遞給鉆頭。因此，使用該工具后鉆具
承受的載荷作用效果與靜載荷相同，不會對鉆頭或
其他鉆具產生破壞。
2) 防托壓工具脈沖頻率為15～26 Hz，而
MWD工作時的脈沖頻率一般低于1 Hz。因此，防
托壓工具產生的壓力脈沖對絕大多數MWD沒有
干擾，可以配合MWD使用。
3) 動力部件帶動閥部件做周期性的開閉狀
態(tài)，當閥部件開啟面積最小時，閥部件產生的壓降為
3．8～4．5 MPa，而一般鉆井中的泥漿泵均可以滿足
要求。因此，使用防托壓工具不需要改變現有循環(huán)
系統(tǒng)。
2 連接螺紋安全性評價
為研究壓力脈沖對防托壓工具連接螺紋使用壽
命的影響，本文對工具連接螺紋在脈沖壓力作用下
的安全性進行了分析。
2．1 螺紋控制方程
螺紋在拉彎復合載荷的作用下會發(fā)生彈性乃至
塑性變形，彈塑性接觸的基本方程為
[K(11)]{U)一{P)+{R(1I))三{，(11)} (1)
式中：[K(“)]為整個系統(tǒng)的剛度矩陣，在非線性問
題中是位移向量{U)的函數；{P)為整體外載向量；
{R(“))為待定接觸力向量，是接觸點對相對位移的
函數；{．廠(11))為右端項向量。
這里存在2種迭代過程，即接觸狀態(tài)迭代和塑

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