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一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)井減摩阻及動(dòng)力鉆具工具面調(diào)整方法與流程

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一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)井減摩阻及動(dòng)力鉆具工具面調(diào)整方法與流程

本發(fā)明屬于鉆井技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)井滑動(dòng)鉆進(jìn)過(guò)程中的減摩阻和動(dòng)力鉆具工具面調(diào)整工藝,特別是一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)井減摩阻及動(dòng)力鉆具工具面調(diào)整方法。



背景技術(shù):

與普通直井相比,水平井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井具有更大的儲(chǔ)層控制面積,能大幅地提高單井產(chǎn)量,降低噸油成本,已成為開(kāi)發(fā)復(fù)雜油氣藏和海上油氣資源最重要的手段。目前復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的鉆井仍普遍采用“動(dòng)力鉆具+MWD”的傳統(tǒng)定向鉆進(jìn)方法,該方法在定向鉆進(jìn)的過(guò)程中由于鉆柱不旋轉(zhuǎn),鉆柱和井壁之間存在很大的摩擦阻力,導(dǎo)致“托壓”、“粘滑”、馬達(dá)失速、跑方位等一系列問(wèn)題,嚴(yán)重影響了鉆探效率,限制了水平延伸能力,推高了鉆井成本。雖然旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井可以較有效的解決上述問(wèn)題,但是在大位移井中需要克服的摩扭較大,而且成本昂貴,限制了其使用范圍。

激發(fā)鉆柱軸向振動(dòng)是一種有效的減摩阻方法,國(guó)內(nèi)外研究了大量的鉆柱軸向激振工具,以美國(guó)國(guó)民油井公司的水力振蕩器(U.S.Pat No.6,279,670)為代表,這類軸向激振工具的基本原理是調(diào)制水力脈沖,通過(guò)水力能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu),將壓力脈動(dòng)直接轉(zhuǎn)化為作用在鉆柱上的周期性沖擊載荷,這類工具能起到一定的減摩阻效果,但當(dāng)井的水平延伸距離較長(zhǎng)時(shí),軸向振動(dòng)的作用距離相對(duì)有限,減摩阻效果不足,多個(gè)軸向激振工具串聯(lián)使用時(shí)又會(huì)造成過(guò)大的循環(huán)壓耗。

地面扭擺鉆柱是另一類復(fù)雜結(jié)構(gòu)井減摩阻方法,已有大量的相關(guān)專利,例如U.S.Pat No.6,050,348(Canrig Drilling Technology公司),U.S.Pat No.6,918,453和U.S.Pat No.7,096,979(Noble Drilling公司)以及U.S.Pat No.7,152,696(Comprehensive Power Inc.公司),該類方法通過(guò)控制地面左右扭擺鉆柱的幅度或扭轉(zhuǎn)時(shí)間,使鉆柱的上半部分轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái),實(shí)現(xiàn)減摩阻的目的,該類方法還可以通過(guò)增大地面扭擺鉆柱的幅度或扭轉(zhuǎn)時(shí)間使整個(gè)鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái),從而調(diào)整井下動(dòng)力鉆具的工具面角,無(wú)須將鉆頭提離井底進(jìn)行重新定向。雖然上述方法能起到一定的減摩阻效果,但也存在缺陷,主要體現(xiàn)在兩方面,一是為避免地面扭擺作用影響動(dòng)力鉆具工具面角穩(wěn)定,往往在動(dòng)力鉆具上部設(shè)置一段較長(zhǎng)的“扭轉(zhuǎn)作用緩沖區(qū)”,緩沖區(qū)內(nèi)鉆柱不旋轉(zhuǎn),從而降低減摩阻效果;二是當(dāng)井的水平延伸距離較遠(yuǎn)時(shí),在一個(gè)扭擺周期內(nèi)只有在地面扭轉(zhuǎn)作用的深度較大時(shí)才能有明顯的減摩阻效果;專利U.S.Pat No.7,588,100公布了一種變轉(zhuǎn)速鉆井復(fù)雜結(jié)構(gòu)井減摩阻方法,該方法的工作原理是控制地面鉆柱的旋轉(zhuǎn)速度,當(dāng)真實(shí)動(dòng)力鉆具工具面角在定向鉆進(jìn)工具面角范圍內(nèi)時(shí),緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)鉆柱,不在該范圍內(nèi)時(shí)快速轉(zhuǎn)動(dòng)鉆柱,使動(dòng)力鉆具工具面處在定向鉆進(jìn)工具面范圍內(nèi)的時(shí)間占鉆進(jìn)的絕大部分時(shí)間。由于井下摩阻的變化使得鉆柱的扭轉(zhuǎn)變形量發(fā)生變化,從而不能準(zhǔn)確判斷地面扭轉(zhuǎn)與井下工具面扭轉(zhuǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,因此該方法實(shí)施困難。因此仍然有必要設(shè)計(jì)一種新型高效的復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井設(shè)備及方法。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn),尋求設(shè)計(jì)提供一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)井減摩阻及動(dòng)力鉆具工具面調(diào)整方法,改善整個(gè)鉆柱與井壁之間的接觸狀態(tài),減小鉆柱軸向送進(jìn)的摩擦阻力,獲得更大的、更平穩(wěn)的鉆壓和更快的機(jī)械鉆速,同時(shí)降低調(diào)整動(dòng)力鉆具工具面的非鉆進(jìn)時(shí)間,進(jìn)一步提高鉆井效率。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明在復(fù)雜結(jié)構(gòu)井減摩阻及動(dòng)力鉆具工具面調(diào)整裝置中實(shí)現(xiàn),具體過(guò)程為:

(1)定向井滑動(dòng)鉆進(jìn)至一定井深后,準(zhǔn)備起鉆接入軸向振動(dòng)減阻工具;起鉆前測(cè)量鉆頭離底旋轉(zhuǎn)、上提鉆柱和下放鉆柱三種工況下的大鉤的載荷值和地面扭矩值以及離底旋轉(zhuǎn)時(shí)的立管壓力值Poff,然后根據(jù)大鉤載荷和扭矩值利用文獻(xiàn)“Torque and Drag in Directional Wells-Prediction and Measurement”提出的摩阻扭矩計(jì)算的“軟模型”擬合鉆柱與井筒側(cè)壁之間的摩擦系數(shù),根據(jù)井深、井眼尺寸、摩阻大小選擇軸向振動(dòng)減阻工具的尺寸和結(jié)構(gòu),然后根據(jù)鉆井液排量、鉆柱尺寸、鉆柱和井筒之間的摩擦系數(shù)計(jì)算軸向振動(dòng)減阻工具的作用范圍L米(或者從軸向振動(dòng)減阻工具的說(shuō)明書(shū)上查找振動(dòng)減阻工具在當(dāng)前鉆柱組合、鉆井液排量下的作用距離),在鉆頭上部(L/2+100)m處接入軸向振動(dòng)減阻工具,預(yù)留的100m下部鉆柱因反扭矩波動(dòng)會(huì)做往復(fù)的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);

(2)接入軸向振動(dòng)減阻工具后,繼續(xù)滑動(dòng)鉆進(jìn),并控制鉆柱的下放速度使鉆頭離底旋轉(zhuǎn)時(shí)的立管壓力Poff與鉆進(jìn)時(shí)的立管壓力Pon的差值ΔP保持在所選用動(dòng)力鉆具(一般為螺桿鉆具)的工作壓差范圍內(nèi)(ΔP的范圍可以從井下動(dòng)力鉆具的說(shuō)明書(shū)中查找),當(dāng)鉆井液流經(jīng)軸向振動(dòng)減阻工具時(shí),鉆井液激發(fā)軸向振動(dòng)減阻工具產(chǎn)生周期性的激振力,在激振力作用下鉆柱做軸向振動(dòng)/蠕動(dòng),由于鉆柱與井筒壁面的摩擦力以及鉆井液的阻尼作用,軸向振動(dòng)/蠕動(dòng)分別從激振源向上、下傳播產(chǎn)生兩個(gè)振動(dòng)能量消失的分界面第一分界面Ⅰ和第二分界面Ⅱ,軸向振動(dòng)工具到第一分界面Ⅰ和第二分界面Ⅱ的距離由前述文獻(xiàn)“Modeling ofAxial Vibrations toAllow Intervention in Extended Reach Wells”介紹的鉆柱振動(dòng)能量傳遞的有限剛體模型計(jì)算得到(或者直接從振動(dòng)減阻工具的說(shuō)明書(shū)上查找工具的振動(dòng)作用范圍);在第一分界面Ⅰ和第二分界面Ⅱ中間的鉆柱段內(nèi),鉆柱在軸向振動(dòng)/蠕動(dòng)的作用下,改善其與井壁的接觸摩擦,將靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)摩擦,使該段鉆柱的送進(jìn)運(yùn)動(dòng)更容易;

當(dāng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的水平延伸距離較大時(shí),例如大于2000m(軸向振動(dòng)減阻工具的有效作用范圍一般在幾百米的范圍內(nèi)),鉆柱送進(jìn)的摩阻力很大,僅靠第一分界面Ⅰ和第二分界面Ⅱ中間段的鉆柱振動(dòng)/蠕動(dòng)不能明顯降低摩阻,此時(shí),在地面使用頂驅(qū),往一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)鉆柱,直到被旋轉(zhuǎn)鉆柱的作用深度到達(dá)受軸向振動(dòng)減阻工具作用做軸向振動(dòng)/蠕動(dòng)的鉆柱段上部,通過(guò)文獻(xiàn)“Modeling Transient Vibrations While Drilling Using a Finite Rigid Body”介紹的鉆柱振動(dòng)的有限剛體模型計(jì)算頂驅(qū)施加的旋轉(zhuǎn)扭矩與被旋轉(zhuǎn)鉆柱的作用深度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,并根據(jù)頂驅(qū)輸出的扭矩值判斷被旋轉(zhuǎn)鉆柱的作用深度是否達(dá)到受軸向振動(dòng)減阻工具作用做軸向振動(dòng)/蠕動(dòng)的鉆柱段上部,記錄此時(shí)的地面鉆桿扭矩值;

(3)改變地面旋轉(zhuǎn)鉆柱的方向,往反方向旋轉(zhuǎn),直到被旋轉(zhuǎn)鉆柱的作用深度到達(dá)受軸向振動(dòng)工具作用做軸向振動(dòng)/蠕動(dòng)的鉆柱段上部,判斷方法如步驟(2),記錄此時(shí)的地面鉆桿扭矩值;由于上部鉆柱的轉(zhuǎn)動(dòng),鉆柱與井筒之間的摩擦將由靜摩擦變?yōu)閯?dòng)摩擦,而且鉆柱的旋轉(zhuǎn)部分與井筒接觸點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于軸向送進(jìn)的速度,根據(jù)摩擦力矢量分解原理,轉(zhuǎn)動(dòng)部分的鉆柱所受的摩擦力將主要分解到旋轉(zhuǎn)方向上,減小軸向送進(jìn)的摩阻力;

(4)隨著鉆井深度的延長(zhǎng),逐漸增加每次地面扭轉(zhuǎn)鉆柱的幅度,繼續(xù)按照步驟(3)的方法旋轉(zhuǎn)鉆柱,同時(shí)平穩(wěn)的控制鉆柱下放速度保持鉆壓穩(wěn)定,鉆壓是否穩(wěn)定通過(guò)立管壓力的波動(dòng)觀察;

(5)彎外殼動(dòng)力鉆具的工具面角與設(shè)定值的平均偏差大于10°需要調(diào)整時(shí),先通過(guò)鉆柱振動(dòng)的有限剛體模型模擬計(jì)算地面施加的旋轉(zhuǎn)扭矩在鉆柱中的傳遞,同時(shí)考慮軸向振動(dòng)減阻工具對(duì)傳遞的影響,得到為改變工具面角地面需要施加的順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)扭矩值的大小,在下一個(gè)地面扭擺周期內(nèi)增大地面順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)鉆柱的幅度,直到達(dá)到數(shù)值模擬計(jì)算得到的扭矩值,然后反向旋轉(zhuǎn)鉆柱,反向旋轉(zhuǎn)鉆柱的幅度與上一個(gè)周期一致;等待半分鐘后(MWD靜止下的測(cè)得的工具面角是準(zhǔn)確的,鉆柱旋轉(zhuǎn)時(shí)一般的MWD測(cè)得工具面角誤差較大)井下測(cè)斜短節(jié)MWD獲得工具面角變化信息后上傳到地面,根據(jù)工具面角變化值確定是否需要繼續(xù)調(diào)整,如果需要,按照上述方法繼續(xù)調(diào)整,整個(gè)調(diào)整過(guò)程通過(guò)地面控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)、計(jì)算和控制頂驅(qū)執(zhí)行,大大降低了人工操作的時(shí)間;

(6)當(dāng)滑動(dòng)鉆進(jìn)需要轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合鉆進(jìn)時(shí),逐漸增加地面順時(shí)針旋轉(zhuǎn)鉆柱的扭矩值并逐漸減小逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)鉆柱的扭矩值,最終使整個(gè)鉆柱順時(shí)針旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)換為復(fù)合鉆井,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)井減摩阻及動(dòng)力鉆具工具面調(diào)整。

本發(fā)明所述復(fù)雜結(jié)構(gòu)井減摩阻及動(dòng)力鉆具工具面調(diào)整裝置的主體結(jié)構(gòu)包括定滑輪、游輪、大鉤、頂驅(qū)、地面鉆桿測(cè)量短接、鋼絲繩、井架、絞車、鉆臺(tái)面、鉆柱、井筒、軸向振動(dòng)減阻工具、測(cè)斜短節(jié)MWD、彎外殼動(dòng)力鉆具、鉆頭、地面控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、泥漿泵、立管壓力傳感器、水龍帶、第一分界面和第二分界面;鉆臺(tái)面的上部設(shè)置有梯形結(jié)構(gòu)的井架,鉆臺(tái)面的頂部左側(cè)安裝有絞車,絞車通過(guò)鋼絲繩與定滑輪連接,定滑輪的下端連接有游輪,游輪的下端與大鉤連接,大鉤的下端掛有頂驅(qū),頂驅(qū)下部設(shè)有地面鉆桿測(cè)量短接,地面鉆桿測(cè)量短接內(nèi)安裝有測(cè)量鉆柱扭矩的應(yīng)變傳感器和測(cè)量鉆柱扭轉(zhuǎn)變形量的角位移傳感器,地面鉆桿測(cè)量短接下部與鉆柱連接,鉆柱的下部連接有軸向振動(dòng)減阻工具、測(cè)斜短節(jié)MWD、彎外殼動(dòng)力鉆具和鉆頭;鉆臺(tái)面的右側(cè)放置有泥漿泵,泥漿泵上安裝有立管壓力傳感器,泥漿泵通過(guò)水龍帶與頂驅(qū)連通,鉆柱延伸到地層內(nèi),地層中有正在鉆進(jìn)的井筒,在鉆頭的作用下破巖鉆進(jìn),鉆井液從泥漿泵中泵出,經(jīng)過(guò)水龍帶進(jìn)入鉆柱,立管壓力傳感器測(cè)量鉆柱內(nèi)的鉆井液壓力,鉆井液從鉆頭中噴射出,將巖屑攜帶到地面;泥漿泵右側(cè)放置有地面控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng),第一分界面和第二分界面為振動(dòng)能量消失的分界面,軸向振動(dòng)減阻工具到第一分界面和第二分界面的距離由文獻(xiàn)“Modeling of Axial Vibrations to Allow Intervention in Extended Reach Wells”介紹的鉆柱振動(dòng)能量傳遞的有限剛體模型計(jì)算得到(或者從軸向振動(dòng)減阻工具的說(shuō)明書(shū)上查找)。

本發(fā)明所述鉆柱使用頂驅(qū)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),頂驅(qū)的類型為電動(dòng)頂驅(qū)或液壓頂驅(qū)。

本發(fā)明所述地面控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)含有一臺(tái)運(yùn)行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的計(jì)算機(jī),數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)收集測(cè)斜短節(jié)MWD(包括井斜和動(dòng)力鉆具工具面信息)、地面鉆桿測(cè)量短接(包含鉆桿扭矩信息和鉆桿轉(zhuǎn)角信息)、立管壓力傳感器和泥漿泵(包含鉆井液排量信息)采集到的測(cè)量信息,根據(jù)采集到的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算頂驅(qū)施加的扭矩荷載在鉆柱中的傳遞深度、軸向振動(dòng)減阻工具作用范圍以及鉆壓、反扭矩、工具面角等的變化,并根據(jù)立管壓力、MWD測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)修正計(jì)算模型參數(shù),根據(jù)計(jì)算結(jié)果控制頂驅(qū)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或者鉆柱的下放運(yùn)動(dòng);地面控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)有顯示設(shè)備以顯示工具面角、地面扭矩、鉆桿角位移、立管壓力和鉆井液排量信息,同時(shí)含有鍵盤(pán)或者觸摸屏輸入設(shè)備,能夠輸入控制參數(shù),控制鉆進(jìn)過(guò)程或?qū)ψ詣?dòng)控制鉆進(jìn)過(guò)程進(jìn)行人為干預(yù);軸向振動(dòng)減阻工具的使用效果與鉆井液排量密切相關(guān),鉆井液排量信息用來(lái)計(jì)算軸向振動(dòng)減阻工具的作用距離;地面鉆桿扭矩信息或者地面鉆柱轉(zhuǎn)角信息用來(lái)判斷鉆柱左右旋轉(zhuǎn)的極限位置,且地面鉆桿扭矩信息和轉(zhuǎn)角信息的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以反映鉆柱的摩扭信息;工具面角信息用來(lái)監(jiān)測(cè)工具面的變化;立管壓力的波動(dòng)可用來(lái)反映動(dòng)力鉆具壓耗的變化,進(jìn)而反映破巖扭矩、反扭矩和鉆壓的變化。

本發(fā)明將整個(gè)原本純滑動(dòng)鉆進(jìn)的鉆柱分為三部分,上部是地面扭矩作用區(qū),該部分鉆柱受地面鉆井頂驅(qū)施加的扭矩作用做往復(fù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),鉆柱與井壁接觸點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)速度(周向切向速度)遠(yuǎn)大于軸向送進(jìn)速度(軸向切向速度),按照摩擦力的分解原理,上部鉆柱的往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)將鉆柱與井壁之間的摩擦力分解到鉆柱旋轉(zhuǎn)方向,將大大降低鉆柱軸向送進(jìn)的摩擦阻力。中間是軸向振動(dòng)減阻工具作用區(qū),該部分鉆柱受軸向振動(dòng)減阻工具作用做軸向振動(dòng)/蠕動(dòng),將鉆柱與井壁之間的靜摩擦轉(zhuǎn)化為動(dòng)摩擦,從而減小鉆柱軸向送進(jìn)的阻力。下部是反扭矩作用區(qū),由于地層的不均質(zhì)性、巖性變化等原因,鉆頭處會(huì)產(chǎn)生一定的軸向振動(dòng),導(dǎo)致鉆壓出現(xiàn)波動(dòng),進(jìn)而引發(fā)破巖扭矩和反扭矩發(fā)生波動(dòng),波動(dòng)的反扭矩作用在靠近鉆頭的下部鉆柱上,使其產(chǎn)生一定的往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng),從而起到減摩阻的效果。中間部分的軸向振動(dòng)減阻工具作用區(qū)在減摩阻的同時(shí)起到了對(duì)上部扭矩作用區(qū)的隔離作用,使得下部的動(dòng)力鉆具工具面不會(huì)因?yàn)樯喜康呐ぞ刈饔眠^(guò)大而改變;上述三個(gè)區(qū)域并不是嚴(yán)格隔離的,可以有一定的重合,相鄰兩區(qū)域之間也可以存在完全靜止的部分鉆柱,并且可以通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得到三個(gè)區(qū)域的最佳配置關(guān)系,充分利用地面扭擺和軸向振動(dòng)工具的能量實(shí)現(xiàn)最佳的減摩阻效果。

本發(fā)明所述彎外殼動(dòng)力鉆具的工具面角調(diào)整方法充分利用對(duì)地面扭矩載荷沿鉆柱傳遞規(guī)律的認(rèn)識(shí),以及地面計(jì)算機(jī)檢測(cè)反饋系統(tǒng)對(duì)頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)的精確控制,實(shí)現(xiàn)了鉆頭不提離井底、不中斷鉆井條件下的動(dòng)力鉆具工具面調(diào)整。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比,改善整個(gè)鉆柱與井壁之間的接觸狀態(tài),減小鉆柱軸向送進(jìn)的摩擦阻力,獲得更大的、更平穩(wěn)的鉆壓和更快的機(jī)械鉆速,其操作方便,原理科學(xué),能節(jié)省動(dòng)力鉆具工具面角調(diào)整的時(shí)間,并且在調(diào)整工具面的同時(shí)繼續(xù)鉆進(jìn),提高復(fù)雜結(jié)構(gòu)井尤其是水平位移較長(zhǎng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的鉆探效率,降低鉆井成本。

附圖說(shuō)明:

圖1為本發(fā)明所述復(fù)雜結(jié)構(gòu)井減摩阻及動(dòng)力鉆具工具面調(diào)整裝置的主體結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖2為本發(fā)明使用的地面控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意框圖。

圖3為本發(fā)明的工作過(guò)程原理示意框圖。

具體實(shí)施方式:

下面通過(guò)實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例:

本實(shí)施例在復(fù)雜結(jié)構(gòu)井減摩阻及動(dòng)力鉆具工具面調(diào)整裝置中實(shí)現(xiàn),具體過(guò)程為:

(1)定向井滑動(dòng)鉆進(jìn)至一定井深后,由于躺在井筒11低邊的鉆柱10長(zhǎng)度較長(zhǎng),摩阻力較大,滑動(dòng)鉆進(jìn)機(jī)械鉆速較慢,例如低于1m/小時(shí),準(zhǔn)備起鉆接入軸向振動(dòng)減阻工具12;起鉆前測(cè)量鉆頭離底旋轉(zhuǎn)、上提鉆柱和下放鉆柱三種工況下的大鉤3的載荷值和地面扭矩值以及離底旋轉(zhuǎn)時(shí)的立管壓力值Poff,然后根據(jù)大鉤載荷和扭矩?cái)?shù)據(jù)利用文獻(xiàn)“Torque and Drag in Directional Wells-Prediction and Measurement”提出的摩阻扭矩計(jì)算的“軟模型”擬合鉆柱10與井筒11側(cè)壁之間的摩擦系數(shù),根據(jù)井深、井眼尺寸、摩阻大小選擇軸向振動(dòng)減阻工具12的尺寸和結(jié)構(gòu)等參數(shù),然后根據(jù)鉆井液排量、鉆柱尺寸、鉆柱和井筒之間的摩擦系數(shù)計(jì)算軸向振動(dòng)減阻工具12的作用范圍L米(或者從軸向振動(dòng)減阻工具的說(shuō)明書(shū)上查找振動(dòng)減阻工具在當(dāng)前鉆柱組合、鉆井液排量下的作用距離),在鉆頭上部(L/2+100)m處接入軸向振動(dòng)減阻工具12,預(yù)留的100m下部鉆柱因反扭矩波動(dòng)會(huì)做往復(fù)的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(100m只是一個(gè)參考值,可以根據(jù)實(shí)際的扭矩波動(dòng)利用前面提到的“軟模型”計(jì)算得到實(shí)際的距離);

(2)接入軸向振動(dòng)減阻工具12后,繼續(xù)滑動(dòng)鉆進(jìn),并控制鉆柱10的下放速度使離底旋轉(zhuǎn)時(shí)的立管壓力Poff與鉆進(jìn)時(shí)的立管壓力Pon的差值ΔP保持在所選用動(dòng)力鉆具的工作壓差范圍內(nèi),當(dāng)鉆井液流經(jīng)軸向振動(dòng)減阻工具12時(shí),鉆井液激發(fā)軸向振動(dòng)減阻工具12產(chǎn)生周期性的激振力,在激振力作用下鉆柱10做軸向振動(dòng)/蠕動(dòng),由于鉆柱10與井筒11壁面的摩擦力以及鉆井液的阻尼作用,軸向振動(dòng)/蠕動(dòng)分別從激振源12向上、下傳播產(chǎn)生兩個(gè)振動(dòng)能量消失的分界面第一分界面Ⅰ和第二分界面Ⅱ,軸向振動(dòng)工具12到第一分界面Ⅰ和第二分界面Ⅱ的距離由前述文獻(xiàn)“Modeling of Axial Vibrations to Allow Intervention in Extended Reach Wells”介紹的鉆柱振動(dòng)能量傳遞的有限剛體模型計(jì)算得到(或者從軸向振動(dòng)減阻工具的說(shuō)明書(shū)上查找振動(dòng)減阻工具在當(dāng)前鉆柱組合、鉆井液排量下的作用距離);在第一分界面Ⅰ和第二分界面Ⅱ中間的鉆柱段內(nèi),鉆柱10在軸向振動(dòng)/蠕動(dòng)的作用下,改善其與井壁的接觸摩擦,將靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)摩擦,使該段鉆柱的送進(jìn)運(yùn)動(dòng)更容易;

當(dāng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的水平延伸距離很大,例如大于2000m時(shí)(軸向振動(dòng)減阻工具12的有效作用范圍一般在幾百米的范圍內(nèi)),鉆柱10送進(jìn)的摩阻力很大,僅靠第一分界面Ⅰ和第二分界面Ⅱ中間段的鉆柱振動(dòng)/蠕動(dòng)不能明顯降低摩阻,此時(shí),在地面使用頂驅(qū)4,往一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)鉆柱10,直到被旋轉(zhuǎn)鉆柱的作用深度到達(dá)受軸向振動(dòng)減阻工具作用做軸向振動(dòng)/蠕動(dòng)的鉆柱段上部,通過(guò)文獻(xiàn)“Modeling Transient Vibrations While Drilling Using a Finite Rigid Body”介紹的鉆柱振動(dòng)的有限剛體模型計(jì)算頂驅(qū)4施加的旋轉(zhuǎn)扭矩與被旋轉(zhuǎn)鉆柱的作用深度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,并根據(jù)頂驅(qū)4輸出的扭矩值判斷被旋轉(zhuǎn)鉆柱的作用深度是否達(dá)到受軸向振動(dòng)減阻工具作用做軸向振動(dòng)/蠕動(dòng)的鉆柱段上部,記錄此時(shí)的地面鉆桿扭矩值;

(3)改變地面旋轉(zhuǎn)鉆柱10的方向,往反方向旋轉(zhuǎn),直到被旋轉(zhuǎn)鉆柱的作用深度到達(dá)受軸向振動(dòng)工具作用做軸向振動(dòng)/蠕動(dòng)的鉆柱段上部,判斷方法如步驟(2),記錄此時(shí)的地面鉆桿扭矩值;由于上部鉆柱10的轉(zhuǎn)動(dòng),鉆柱10與井筒11之間的摩擦將由靜摩擦變?yōu)閯?dòng)摩擦,而且鉆柱10的旋轉(zhuǎn)部分與井筒11接觸點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于軸向送進(jìn)的速度,根據(jù)摩擦力矢量分解原理,轉(zhuǎn)動(dòng)部分的鉆柱10所受的摩擦力將主要分解到旋轉(zhuǎn)方向上,減小軸向送進(jìn)的摩阻力;

(4)隨著鉆井深度的延長(zhǎng),逐漸增加每次地面扭轉(zhuǎn)鉆柱10的幅度,繼續(xù)按照步驟(3)的方法旋轉(zhuǎn)鉆柱10,同時(shí)平穩(wěn)的控制鉆柱10下放速度保持鉆壓穩(wěn)定,鉆壓是否穩(wěn)定通過(guò)立管壓力的波動(dòng)觀察;

(5)彎外殼動(dòng)力鉆具14的工具面角與設(shè)定值的平均偏差大于10°需要調(diào)整時(shí),先通過(guò)鉆柱振動(dòng)的有限剛體模型模擬計(jì)算地面施加的旋轉(zhuǎn)扭矩在鉆柱10中的傳遞,同時(shí)考慮軸向振動(dòng)減阻工具對(duì)傳遞的影響,得到為改變工具面角地面需要施加的順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)扭矩值的大小,在下一個(gè)地面扭擺周期內(nèi)增大地面順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)鉆柱的幅度,直到達(dá)到數(shù)值模擬計(jì)算得到的扭矩值,然后反向旋轉(zhuǎn)鉆柱,反向旋轉(zhuǎn)鉆柱的幅度與上一個(gè)周期一致;等待半分鐘后(MWD靜止下的測(cè)得的工具面角是準(zhǔn)確的,鉆柱旋轉(zhuǎn)時(shí)一般的MWD測(cè)得工具面角誤差較大)井下測(cè)斜短節(jié)MWD13獲得工具面角變化信息后上傳到地面,根據(jù)工具面角變化值確定是否需要繼續(xù)調(diào)整,如果需要,按照上述方法繼續(xù)調(diào)整,整個(gè)調(diào)整過(guò)程通過(guò)地面控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)、計(jì)算和控制頂驅(qū)執(zhí)行,大大降低了人工操作的時(shí)間;

(6)當(dāng)滑動(dòng)鉆進(jìn)需要轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合鉆進(jìn)時(shí),逐漸增加地面順時(shí)針旋轉(zhuǎn)鉆柱的扭矩值并逐漸減小逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)鉆柱的扭矩值,最終使整個(gè)鉆柱10順時(shí)針旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)換為復(fù)合鉆井,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)井減摩阻及動(dòng)力鉆具工具面調(diào)整。

本實(shí)施例所述復(fù)雜結(jié)構(gòu)井減摩阻及動(dòng)力鉆具工具面調(diào)整裝置的主體結(jié)構(gòu)包括定滑輪1、游輪2、大鉤3、頂驅(qū)4、地面鉆桿測(cè)量短接5、鋼絲繩6、井架7、絞車8、鉆臺(tái)面9、鉆柱10、井筒11、軸向振動(dòng)減阻工具12、測(cè)斜短節(jié)MWD 13、彎外殼動(dòng)力鉆具14、鉆頭15、地層16、地面控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)17、泥漿泵18、立管壓力傳感器19、水龍帶20、第一分界面Ⅰ和第二分界面Ⅱ;鉆臺(tái)面9的上部設(shè)置有梯形結(jié)構(gòu)的井架7,鉆臺(tái)面9的頂部左側(cè)安裝有絞車8,絞車8通過(guò)鋼絲繩6與定滑輪1連接,定滑輪1的下端連接有游輪2,游輪2的下端與大鉤3連接,大鉤3的下端掛有頂驅(qū)4,頂驅(qū)4下部設(shè)有地面鉆桿測(cè)量短接5,地面鉆桿測(cè)量短接5內(nèi)安裝有測(cè)量鉆柱10扭矩的應(yīng)變傳感器和測(cè)量鉆柱10扭轉(zhuǎn)變形量的角位移傳感器,地面鉆桿測(cè)量短接5下部與鉆柱10連接,鉆柱10的下部連接有軸向振動(dòng)減阻工具12、測(cè)斜短節(jié)MWD 13、彎外殼動(dòng)力鉆具14和鉆頭15;鉆臺(tái)面9的右側(cè)放置有泥漿泵18,泥漿泵18上安裝有立管壓力傳感器19,泥漿泵18通過(guò)水龍帶20與頂驅(qū)4連通,鉆柱10延伸到地層16內(nèi),地層16有已鉆好的井筒11,在鉆頭15的作用下破巖鉆進(jìn),鉆井液從泥漿泵18中泵出,經(jīng)過(guò)水龍帶20進(jìn)入鉆柱10,立管壓力傳感器19可以測(cè)量鉆柱內(nèi)的鉆井液壓力,鉆井液從鉆頭15中噴射出,將巖屑攜帶到地面;泥漿泵18右側(cè)放置有地面控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)17,第一分界面Ⅰ和第二分界面Ⅱ?yàn)檎駝?dòng)能量消失的分界面,軸向振動(dòng)減阻工具12到第一分界面Ⅰ和第二分界面Ⅱ的距離由文獻(xiàn)“Modeling ofAxial Vibrations to Allow Intervention in Extended Reach Wells”介紹的鉆柱振動(dòng)能量傳遞的有限剛體模型計(jì)算得到。

本實(shí)施例所述鉆柱10使用頂驅(qū)4進(jìn)行驅(qū)動(dòng),頂驅(qū)4的類型為電動(dòng)頂驅(qū)或液壓頂驅(qū)。

本實(shí)施例所述地面控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)17內(nèi)含有一臺(tái)運(yùn)行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的計(jì)算機(jī),數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)收集測(cè)斜短節(jié)MWD 13(包括井斜和動(dòng)力鉆具工具面信息)、地面鉆桿測(cè)量短接5(包含鉆桿扭矩信息和鉆桿轉(zhuǎn)角信息)、立管壓力傳感器19和泥漿泵18(包含鉆井液排量信息)采集到的測(cè)量信息,根據(jù)采集到的測(cè)量信息計(jì)算頂驅(qū)4施加的扭矩荷載在鉆柱中的傳遞深度、軸向振動(dòng)減阻工具12作用范圍以及鉆壓、反扭矩、工具面角等的變化,并根據(jù)立管壓力、MWD測(cè)量數(shù)據(jù)等反饋值實(shí)時(shí)修正計(jì)算模型,根據(jù)計(jì)算結(jié)果控制頂驅(qū)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或者鉆柱的下放運(yùn)動(dòng);地面控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)17設(shè)有顯示設(shè)備以顯示工具面角、地面扭矩、鉆桿角位移、立管壓力和鉆井液排量信息,同時(shí)含有鍵盤(pán)或者觸摸屏輸入設(shè)備,能夠輸入控制參數(shù),控制鉆進(jìn)過(guò)程或?qū)ψ詣?dòng)控制鉆進(jìn)過(guò)程進(jìn)行人為干預(yù);軸向振動(dòng)減阻工具的使用效果與鉆井液排量密切相關(guān),鉆井液排量信息用來(lái)計(jì)算軸向振動(dòng)減阻工具的作用距離;地面鉆桿扭矩信息或者地面鉆柱轉(zhuǎn)角信息用來(lái)判斷鉆柱左右旋轉(zhuǎn)的極限位置,且地面鉆桿扭矩信息和轉(zhuǎn)角信息的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以反映鉆柱的摩扭信息;工具面角信息用來(lái)監(jiān)測(cè)工具面的變化;立管壓力的波動(dòng)可用來(lái)反映動(dòng)力鉆具壓耗的變化,進(jìn)而反映破巖扭矩、反扭矩和鉆壓的變化。

本實(shí)施例地面旋轉(zhuǎn)鉆柱10的作用深度通過(guò)鉆柱振動(dòng)有限剛體模型計(jì)算得到,由于模型存在一些理想假設(shè)以及計(jì)算過(guò)程中擬合參數(shù)存在誤差,所以很難得到準(zhǔn)確的分界面I,Ⅱ等的位置,但是這里第一分界面Ⅰ和第二分界面Ⅱ只是一個(gè)參考位置,并不要求地面旋轉(zhuǎn)鉆柱的作用深度精確的到達(dá)分界面Ⅰ、以及精確獲得振動(dòng)能量消失的分界面Ⅱ的位置。

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