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水平井防托压工具安全性评价与试验

文档作者：苏山林祝效华王鑫文档来源： 1．胜利石油工程有限公司黄河钻井总公司管具公司 2西南石油大学机电工程学院		点击数：	更新时间： 2021年09月10日
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2015焦
第1期
第44卷
第34页
石油矿场机械
OIL FIELD EQUIPMENT 2O15，44(1)：34—37
o o
文章编号：1001—3482(2015)01-0034-04
水平井防托压工具安全性评价与试验
苏山林 。祝效华。。王鑫 ，
(1．胜利石油工程有限公司黄河钻井总公司管具公司，
郝荣明
山东东营
张国伟
257091；2．
， 石昌帅 ，任广兵
西南石油大学机电工程学院，成都610500)
摘要：摩阻问题是井下复杂事故的最直接原因，如何降低水平井摩阻是减少水平井事故、提高机械
钻速和目的层中靶率的关键。设计了防托压工具，该工具可以降低水平井段摩擦阻力，提高机械钻
速，能够解决井下卡钻、钻井进尺小的问题。现场试验表明：设计的防托压工具工作参数满足要求，
可以产生预期效果，使用该工具能够降低水平井段摩擦阻力，提高水平井延伸钻进能力，并且不会
对钻头或其他钻具连接螺纹造成破坏。
关键词：水平井；钻柱；摩擦阻力；机械钻速；钻井进尺
中图分类号：TE921．207 文献标识码：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
随着石油勘探开发进程的不断深入，定向井、水
平井、大位移井所占的比例越来越大。长水平段钻
井技术在国内外得到广泛应用，主要得益于其较好
的投入产出比。目前，国外水平井钻井成本已降至
直井的1．2～2．0倍，而产量则是直井的4～8倍；国
外已经钻成了水平位移超万米的大位移井，而国内
只能完成水平位移约4 000 m 的大位移井。在水平
井的钻进过程中，由于摩擦阻力大，使得钻井效率
低、钻井周期长、钻井成本高，这成为制约水平井发
展的主要瓶颈。在现场实践中，由于管柱的摩阻转
收稿日期：2014—07—26
基金项目：国家自然科学基金项目(51122406)；四川省高等学校科技创新团队项目(12TD007)
作者简介：苏山林(1969一)，男，山东东明人，高级工程师，主要从事钻井工具及井控设备研究，E—mail：susl163@163．com。
第44卷第1期 苏山林，等：水平井防托压工具安全性评价与试验
矩太大，可能引起以下情况的发生：机械钻速明显变
低；钻具不能上提或发生断钻具事故；达不到井身轨
迹的设计要求，目的层中靶率低。
关于定向井及水平井摩阻的预测分析，国内外
已作了不少研究，1983年Johancsick等人 首先发
表了定向井中摩阻预测的“软杆”模型，此后该模型
得到了广泛应用。1987年，Brettc 等人通过应用研
究，指出“软杆”模型摩阻预测结果与实测结果之间
存在误差，其原因可能是由于模型中没考虑下部钻
具组合的刚度而造成的，并建议将井底钻具组合作
为梁单元来考虑。1988年，Ho H—Sc胡以大变形理
论为基础，考虑了钻柱的刚度作用，提出了改进的摩
阻计算模型，并采用有限差分法进行求解。国内学
者基于以上理论，采用各种方法对不同井况下钻柱
的摩擦问题进行了研究，并提出新的分析理论和解
决措施[4 ]。
因此，如何最大限度降低水平井段摩阻是减少
水平井事故的关键，也是确保水平井延伸钻进能力
的决定因素 。鉴于此，本文设计了一种水平井
防托压工具，该工具可以降低水平井段摩擦阻力，解
决井下卡钻、钻井进尺小的问题，尤其是在使用动力
钻具的定向井中效果更佳。
1 技术分析
1．1 结构组成
如图1所示，水平井防托压工具主要由振动部
件、动力部件和阀部件组成。振动部件与上端钻柱
连接，动力部件是1：2头螺杆马达，阀部件下端与
近钻头钻柱连接，该工具可以根据减阻需要安置在
合适的位置。
振动部件
— ● l _ _ — l — I
阀部件 动力部件 连警
—●■—●—■—■■—■
图1 防托压工具结构
1．2 工作原理
水平井防托压工具通过振荡底部钻具组合或者
钻柱减少摩擦。具体过程是：动力部件驱动阀部件
产生周期性的压力脉冲，压力脉冲向上游传递，激励
振动部件产生轴向窜动，轴向力破坏了水平井段的
静摩擦，从而提高钻具的延伸钻进能力。
特殊的阀结构是工具的核心部件，它将钻井介
质的能量转化成一系列的脉冲压力，该过程是通过
阀部件过流面积周期性的变化来实现的。阀部件过
流面积最小时，产生脉冲压力，此时最大压降值为
3．8～4．5 MPa，而过流面积最大时，脉冲压力消失。
如图2所示，阴影处为阀部件开启的过流面积，其
中：a为阀部件过流面积最小时，产生脉冲压力；b为
阀部件过流面积最大时，脉冲压力消失；C为阀部件
过流面积又变为最小，产生脉冲压力，如此周期性循
环作用。
图2 阀转动过程中的脉冲压力变化
1．3 工具特点
1) 防托压工具脉冲频率为15～26 Hz，振幅
为3～10 mm，产生周期性的温和振荡，引起的轴向
力周期性地传递给钻头。因此，使用该工具后钻具
承受的载荷作用效果与静载荷相同，不会对钻头或
其他钻具产生破坏。
2) 防托压工具脉冲频率为15～26 Hz，而
MWD工作时的脉冲频率一般低于1 Hz。因此，防
托压工具产生的压力脉冲对绝大多数MWD没有
干扰，可以配合MWD使用。
3) 动力部件带动阀部件做周期性的开闭状
态，当阀部件开启面积最小时，阀部件产生的压降为
3．8～4．5 MPa，而一般钻井中的泥浆泵均可以满足
要求。因此，使用防托压工具不需要改变现有循环
系统。
2 连接螺纹安全性评价
为研究压力脉冲对防托压工具连接螺纹使用寿
命的影响，本文对工具连接螺纹在脉冲压力作用下
的安全性进行了分析。
2．1 螺纹控制方程
螺纹在拉弯复合载荷的作用下会发生弹性乃至
塑性变形，弹塑性接触的基本方程为
[K(11)]{U)一{P)+{R(1I))三{，(11)} (1)
式中：[K(“)]为整个系统的刚度矩阵，在非线性问
题中是位移向量{U)的函数；{P)为整体外载向量；
{R(“))为待定接触力向量，是接触点对相对位移的
函数；{．厂(11))为右端项向量。
这里存在2种迭代过程，即接触状态迭代和塑

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