套管内转向径向井减小挠性钻管送进阻力研究

摘要

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。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1研究目的与意义

1.2国内外研究现状

1.2.1国外径向水平井技术的研究现状

1.2.2国内超短半径水平井转向器技术研究现状

1.2.3不扩孔径向井钻管转向送进的研究进展

第二章 钻管送进阻力与转向器机构改进分析

2.1原有轨道下钻管的受力状况

2.2原有轨道下钻管弯曲轴向力分析

2.3转向轨道与钻管选取

2.3.1确定转向轨道参数

2.3.2钻管材料及尺寸的优选

2.4加入滚轮后的钻管送进阻力分析

2.4.1原有轨道中的转向阻力分析

2.4.2 轨道加入滚轮后转向阻力分析

2.5杠杆减阻机构工作原理分析

2.6加入滚轮及杠杆减阻机构后的钻管送进阻力分析

2.7本章小结

第三章 减阻机构对转向阻力影响的数值模拟

3.1 ABAQUS总体简介

3.2 加入滚轮后钻管送进过程的数值模拟

3.2.1建立滚轮及轨道实体模型

3.2.2创建材料截面属性与网格划分

3.2.3设置分析步、相互作用、加载及提交运算

3.2.4 加入滚轮的结果后处理

3.2.5滚轮参数的优化模拟

3.3加入杠杆减阻机构钻管送进过程的数值模拟

3.3.1建立杠杆减阻机构的实体模型

3.3.2相互作用、加载及提交运算

3.3.3 加入杠杆减阻机构的结果后处理

3.3.4杠杆减阻机构参数优化模拟

3.4加入滚轮及杠杆减阻机构后钻管送进过程的数值模拟

3.4.1 建立组合实体模型

3.4.2 组合情况下的结果后处理

3.4.3组合参数下的钻管转向数值模拟优化

3.5 钻管在改进机构下的强度和变形校核

3.5.1改进转向机构下钻管的应力校核

3.5.2改进转向机构下钻管的截面变形校核

3.6本章小结

第四章 转向机构改进后钻管转向推进室内实验

4.1 钻管转向实验装置介绍

4.2加入滚轮后钻管转向实验分析

4.2.1钻管及滚轮轴承的选择加工

4.2.2 加入滚轮后的轨道的加工

4.2.3钻管在加入滚轮后的轨道转向实验过程

4.2.4钻管转向阻力对比分析

4.3加入杠杆减阻机构钻管转向实验分析

4.3.1加入杠杆减阻机构后的轨道的加工

4.3.2钻管在加入杠杆减阻机构后的轨道中转向实验过程

4.3.3钻管转向阻力对比分析

4.4加入滚轮及杠杆减阻机构后综合性能实验分析

4.4.1加入滚轮的轨道及杠杆减阻机构组合的加工

4.4.2钻管在组合机构下转向送进实验过程

4.4.3钻管转向阻力对比分析

4.5 改进转向机构下钻管矫直及截面变形情况

4.5.1钻管矫直情况

4.5.2 钻管截面的变形情况

4.6本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果

致谢