长水平段井眼钻井激振减阻工具合理安放位置研究

摘要

页岩油气、煤层气开发进程的推进及海洋、近海油气开发需求的提升为大位移井及大位移水平井钻井技术提出了新的挑战，即水平位移需进一步增大、控油面积需进一步增广，这就使得如何提高水平井井眼极限延伸能力这一问题成为钻井工作者研究的热点。如何降低钻进过程中的摩阻是提高井眼极限延伸能力亟需攻克的难题之一，振动减阻技术为解决上述难题提供了一种手段，而如何认识横向振动减阻机理，合理确定减阻工具振动形式、振动参数，以及优化减阻工具的安装位置，成为了人们关心的重点问题。 基于质点横向振动动态方程，探讨了横向振动减阻机理与接触面位移幅值存的关系，接触面的位移幅值越大，接触面间的摩擦力越小；建立了在弹性地基下平板的横向振动模型，并基于功的互等定理得到平板位移幅值分布，建立了一种振动钻柱摩阻系数表征方法，结果表明，钻柱激振减阻工具引起的钻柱与井壁间接触面位移幅值变化是降低摩阻的主要原因，并利用实验验证了模型的正确性；利用ANSYS数值模拟研究了横向振动沿管柱的传播规律，得到了激振力幅值、激振频率、钻柱尺寸、井斜角对横向振动传播距离的影响规律，横向振动减阻波及范围随激振力幅值的增大而增大，随激振力频率、井斜角、钻柱尺寸的增大而减小；确定了不同影响因素下横向振动降低摩阻影响范围，利用正交试验法，分析了不同影响因素对横向振动减阻工具影响范围的重要程度，结果表明，各因素对减阻效果贡献率由大到小为：激振力幅值>井斜角>激振频率>钻柱尺寸>振动相位；分析了不同减阻效果的评价模型，确定利用轴向力传递效率作为评价减阻工具减阻效果的主要参数，并利用ANSYS软件进行模拟求解；最后，设计了三种减阻工具安装位置方案，分析了不同安装位置下的减阻效果，结果表明，当减阻工具安装在水平段中部时的减阻效果最佳，并以吉林油田某井为例进行了减阻效果计算。

目录

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第一章 绪 论

1.1研究目的及意义

1.2国内外研究现状及发展趋势

1.2.1降阻减摩的方法研究现状

1.2.2钻柱振动理论研究现状

1.2.3振动减阻机理研究现状

1.2.4振动减阻工具研究现状

1.3本课题主要研究内容

第二章 振动钻柱摩阻系数评价方法建立

2.1质点振动减阻机理分析

2.2钻柱横向振动减阻作用机理

2.2.1钻柱与井壁接触描述

2.2.2横向振动减阻机理

2.3模型建立与求解

2.3.1平板位移幅值分布模型

2.3.2模型求解

2.4横向振动模拟实验及理论模型计算结果分析

2.4.1模型计算结果分析

2.4.2横向激励振动减阻实验

2.4.3模型修正及验证

2.5小结

第三章 横向振动传播规律及减阻工具波及范围研究

3.1横向振动传播规律模型的建立与求解

3.1.1运动方程的建立

3.1.2自由振动运动方程求解

3.2振动传播距离影响因素分析

3.3减阻工具影响范围分析

3.4多因素正交实验分析

3.5小结

第四章 减阻工具减阻效果评价方法建立

4.1减阻工具减阻效果评价的参数模型

（1）摩擦因数

（2）振动作用消失点

（3）每米钻柱质量

4.2横向振动减阻工具减阻效果评价方法

4.3横向振动减阻效果模拟理论分析

4.3.1基本假设

4.3.2钻柱非线性动力学方程

4.3.3结构非线性分析基本理论

4.3.4结构非线性分析过程及关键问题研究

4.4振动减阻效果计算与分析

4.5小结

第五章 减阻工具安装位置确定

5.1减阻工具不同安装位置减阻效果分析

5.1.1近钻头处安装减阻工具的减阻效果分析

5.1.2钻柱中部安装减阻工具的减阻效果分析

5.1.3水平段起点附近安装减阻工具的减阻效果分析

5.2减阻工具安放使用分析方法

5.2.1减阻工具减阻效果分析方法

5.2.2实例计算

5.3小结

结论

参考文献

致谢