氣體鉆井條件下的鉆柱動力學特性及防斜技術(shù)研究.pdf

1、本文以氣體鉆井條件下的鉆柱動力學特性及防斜技術(shù)研究為目標，開展了氣體鉆井井底應(yīng)力場、氣體鉆井底部鉆具組合運動規(guī)律、氣體鉆井鉆柱力學等研究，并根據(jù)研究成果提出防斜打直技術(shù)方案。 論文通過建立氣體鉆井狀態(tài)下的井底巖體力學模型，采用有限元法進行數(shù)值計算，分析了氣體鉆井與常規(guī)鉆井液鉆井井底應(yīng)力場的分布差異，探討了井底壓力、節(jié)理面傾角、巖石各向異性、井眼深度、井眼直徑、地應(yīng)力大小等參數(shù)對井底應(yīng)力場及井眼軌跡的影響規(guī)律。研究表明，氣體鉆井時

2、井眼內(nèi)壓力小于井眼周圍的圍壓，井底會出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，在井眼與節(jié)理面交接處會產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力集中處巖石更容易破壞，破巖過程中更容易產(chǎn)生井斜。垂直和平行于地層節(jié)理面內(nèi)的巖石的彈性模量差值越大，發(fā)生井眼偏斜可能性越大。隨著井眼深度增加，井底應(yīng)力隨之增大，井眼更容易向應(yīng)力集中的方向偏斜。數(shù)值模擬分析表明，與常規(guī)鉆井液鉆井相比，氣體鉆井時井底的應(yīng)力狀態(tài)較鉆井液鉆井時受地層傾角、巖石特性、井眼直徑、井眼深度及初始地應(yīng)力變化影響的敏感性更強，因而

3、更容易產(chǎn)生井斜。 論文分別利用室內(nèi)模擬實驗和數(shù)值模擬方法，研究了底部鉆柱的運動狀態(tài)及防斜打直效果，對比分析了氣體鉆井與常規(guī)鉆井液鉆井條件下鉆進參數(shù)（鉆壓、轉(zhuǎn)速）、井壁摩擦系數(shù)等對底部鉆柱運動狀態(tài)及防斜打直效果的影響規(guī)律。研究表明，鉆進參數(shù)對底部鉆柱運動狀態(tài)影響顯著。在同一種鉆壓水平下，隨轉(zhuǎn)速不同，底部鉆柱的運動狀態(tài)不同。當轉(zhuǎn)速低于臨界轉(zhuǎn)速時底部鉆柱無規(guī)則擺動或順初始擾動方向運動；轉(zhuǎn)速與臨界轉(zhuǎn)速接近時底部鉆柱發(fā)生共振，表現(xiàn)為無規(guī)則

4、運動或反向渦動；轉(zhuǎn)速高于臨界轉(zhuǎn)速時底部鉆柱反向渦動。在鉆柱上滑套式穩(wěn)定器，鉆柱能更好地居于井筒中心，且保持較穩(wěn)定的運動狀態(tài)。對于鐘擺鉆具，在氣體鉆井條件下，鉆柱與井壁之間摩擦系數(shù)較大，使得底部鉆柱沿井壁的反向渦動狀態(tài)趨向不穩(wěn)定，底部鉆柱與井壁之間間歇接觸作用明顯，由此造成氣體鉆井時鉆具組合的防斜打直效果明顯降低。因此，氣體鉆井時可考慮采用必要的技術(shù)措施減小摩擦系數(shù)，減輕鉆柱振動。 論文通過建立井筒的鉆柱力學模型，并考慮到氣體鉆井

5、條件下的井壁邊界和鉆柱上下端邊界等條件，建立了鉆柱動力學有限元分析方法。對不同鉆具組合在氣體鉆井條件下的動力學模擬仿真表明，剛性滿眼鉆具具有較好的穩(wěn)定性，即使在大鉆壓高鉆速的情況下也不會發(fā)生屈曲失穩(wěn)，因而具有較好的防斜性能。鐘擺鉆具的穩(wěn)定器起到了很好的穩(wěn)定作用，保證了鉆鋌的剛性，鉆頭橫向受力也較平穩(wěn)。尤其是大鐘擺的穩(wěn)定器位置安放更符合氣體鉆井防斜打快要求。塔式鉆具采用了較大尺寸的鉆鋌，剛性較強，鉆頭橫向受力穩(wěn)定，具有更好的防斜性能。對比