基于全井机械比能模型的钻井参数优化

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作者 刘伟吉 张家辉 +4 位作者 冯嘉豪 程润 张昕 汪洋 祝效华 《断块油气田》 北大核心 2025年第6期1051-1056,共6页

为提高深层页岩气水平井的钻井效率,文中提出了一种全井机械比能计算模型,以降低钻井过程中的能量损耗。该模型在传统机械比能模型的基础上,考虑了钻柱系统的摩阻扭矩,结合钻头破岩效率,提出了全井机械比能的综合计算方法。首先,基于Te... 为提高深层页岩气水平井的钻井效率,文中提出了一种全井机械比能计算模型,以降低钻井过程中的能量损耗。该模型在传统机械比能模型的基础上,考虑了钻柱系统的摩阻扭矩,结合钻头破岩效率,提出了全井机械比能的综合计算方法。首先,基于Teale模型考虑了钻柱摩阻扭矩和复合钻进时的钻柱转速与钻头钻速,建立了全井机械比能模型;然后,对所提出的全井机械比能模型进行了计算验证,研究表明,钻头机械比能约占全井机械比能的35%,而钻柱与井壁的摩阻造成了约65%的能量损耗,且根据实例井的验证结果认为所提出的模型符合实际情况;最后,建立了单目标优化模型,通过实时调整钻井参数,使用该模型能够在原有机械比能基础上减少12.8%,有效降低能量损耗,提高钻井效率。全井机械比能模型的提出,为提高深层页岩气水平井的钻井效率提供了新的理论依据,并为钻井参数优化提供了有效的技术支持。 展开更多

关键词 全井机械比能 钻柱动态摩阻扭矩 钻井提速 钻井参数优化 水平井

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煤层气水平井钻柱摩阻计算与优化 被引量：3

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作者 苗强 辛江 +5 位作者 王维 林伟 曹振义 李世超 李柯 祝效华 《钻采工艺》 CAS 北大核心 2024年第5期15-23,共9页

煤层气的开发方式主要分为多分支水平井和从式水平井,由于两种生产方式均采用了水平井,因此钻柱在钻井过程中的摩阻和托压一直是业界关注的热点,但到目前为止,该问题仍未得到有效解决。为此,文章以大吉-吉县区块的深部煤层气水平井为例... 煤层气的开发方式主要分为多分支水平井和从式水平井,由于两种生产方式均采用了水平井,因此钻柱在钻井过程中的摩阻和托压一直是业界关注的热点,但到目前为止,该问题仍未得到有效解决。为此,文章以大吉-吉县区块的深部煤层气水平井为例,通过对全井钻柱系统建立动力学模型和应用数值仿真方法进行水平井摩阻研究。研究结果表明:钻压对煤层气水平井造斜段的摩阻影响较大,其中小井斜造斜段的摩阻与钻压成反比,大井斜造斜段的摩阻与钻压成正比,稳斜井眼段的摩阻对钻压变化不敏感;受钻柱屈曲变形的影响,水平段钻柱摩阻上升10.2%。因水平井大井斜井眼段和水平段较长,因此煤层气水平井的总摩阻整体来讲与钻压成正比。文章通过建模和数值仿真方法,揭示了深部煤层气水平井各井段摩阻对钻压的敏感性,并可根据不同钻压条件下对井眼轨迹进行了优化,以此指导现场作业,降低井下摩阻,提高机械钻速。 展开更多

关键词 煤层气 水平井 摩阻计算 钻柱动力学 钻压 井眼轨迹优化

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旋转钻柱与井壁的碰撞摩擦边界问题研究 被引量：14

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作者 祝效华 童华 +1 位作者 刘清友 冯林先 《中国机械工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2007年第15期1833-1837,共5页

旋转钻柱与井壁的碰撞摩擦边界是钻柱动力学研究和摩阻扭矩计算的基础研究内容。介绍了6种钻柱与井壁边界问题的研究方法,借助有限单元法中构造形函数的思想,提出了时间历程形函数法,构造钻柱与井壁的动态边界。将构造的动态边界模型融... 旋转钻柱与井壁的碰撞摩擦边界是钻柱动力学研究和摩阻扭矩计算的基础研究内容。介绍了6种钻柱与井壁边界问题的研究方法,借助有限单元法中构造形函数的思想,提出了时间历程形函数法,构造钻柱与井壁的动态边界。将构造的动态边界模型融入全井钻柱系统动力有限元模型中,研究了钻柱的动力学特性,根据仿真结果与现场实测数据的对比,验证了该研究方法的正确性和合理性。 展开更多

关键词 钻柱与井壁 边界模型 钻柱动力学 摩阻扭矩

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基于钻柱动力学的井筒摩阻系数预测与应用 被引量：6

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作者 宋巍 胡中志 +2 位作者 周岩 沈园园 魏纳 《西南石油大学学报（自然科学版）》 CAS CSCD 北大核心 2020年第1期84-90,共7页

井筒摩阻系数是钻井设计和施工阶段准确预测和控制摩阻扭矩的关键因素,对比摩阻扭矩的实测值与预测值可预防钻井事故的发生。为此,基于钻柱动力学摩阻扭矩计算模型,结合近钻头多参数测量仪实测数据,开展了大斜度井实钻条件下套管段和裸... 井筒摩阻系数是钻井设计和施工阶段准确预测和控制摩阻扭矩的关键因素,对比摩阻扭矩的实测值与预测值可预防钻井事故的发生。为此,基于钻柱动力学摩阻扭矩计算模型,结合近钻头多参数测量仪实测数据,开展了大斜度井实钻条件下套管段和裸眼段摩阻系数的预测方法研究,结果成功应用于同类型邻井的三开钻进阶段摩阻扭矩分析与控制。现场应用结果表明,实钻井筒套管内摩阻系数0.27~0.29,裸眼段摩阻系数0.39~0.41,均高于经验值;案例井钩载和扭矩预测值与实际值的误差满足施工精度要求,依托摩阻扭矩预测图版实时监测实钻摩阻扭矩的异常变化,保障了该井顺利施工。研究结果可为大斜度井钻机设备优选、井身剖面优化和现场钻井施工方案决策等提供科学依据。 展开更多

关键词 钻柱动力学 摩扭预测 摩阻系数 计算模型 现场应用

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基于钻柱系统动力学的摩阻扭矩计算新方法 被引量：11

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作者 祝效华 童华 +1 位作者 刘清友 冯林先 《系统仿真学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2007年第21期4853-4856,共4页

回顾了已有的摩阻扭矩研究工作;探讨了基于全井钻柱系统动力学模型的摩阻扭矩计算方法,全井钻柱系统动力学模型综合考虑了钻柱纵横扭耦合振动、钻柱与井壁摩擦碰撞、泥浆对钻柱的粘滞阻尼、内外环空泥浆对钻柱的弯曲效应与压差效应、钻... 回顾了已有的摩阻扭矩研究工作;探讨了基于全井钻柱系统动力学模型的摩阻扭矩计算方法,全井钻柱系统动力学模型综合考虑了钻柱纵横扭耦合振动、钻柱与井壁摩擦碰撞、泥浆对钻柱的粘滞阻尼、内外环空泥浆对钻柱的弯曲效应与压差效应、钻柱屈曲对摩阻的增益等因素。基于前述系统模型开发了专用的摩阻计算软件,分别以实钻定向井和实钻直井为例给出了部分仿真结果,从仿真结果中获得了许多有价值的结论性认识。首次探讨了动态摩阻的计算方法,提供了较为实用的摩阻计算软件,研究工作对指导钻井施工和丰富钻柱动力学理论都具有较重要的意义。 展开更多

关键词 摩阻扭矩 钻柱系统 动力学 计算软件 新方法

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考虑井壁摩擦随机性的钻柱动力学模型 被引量：9

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作者 田家林 杨应林 +3 位作者 杨琳 吴志鑫 申彤 李蕾 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2018年第11期252-258,共7页

针对新型油气资源的实际情况,为研究更为复杂地层工作环境下的钻柱动力学特性,进行井壁摩擦随机性及其对钻柱动力学的影响研究。首先结合井下实际情况,进行井壁摩擦行为描述,研究构建井壁随机场的步骤与方法。然后基于页岩气工程背景,... 针对新型油气资源的实际情况,为研究更为复杂地层工作环境下的钻柱动力学特性,进行井壁摩擦随机性及其对钻柱动力学的影响研究。首先结合井下实际情况,进行井壁摩擦行为描述,研究构建井壁随机场的步骤与方法。然后基于页岩气工程背景,进行水平井钻柱动力学模型分析,给出模型中各力的求解表达式,以及动力学模型的离散方法。同时,根据试验测试确定算例基本参数,将不同方法得到的结果进行对比分析,验证研究方法的准确性,然后对关键参数特性进行定量分析。研究成果可为新型油气资源开采条件下的钻柱动力学研究提供参考,也可为井下安全生产、提速增效方法与工具研究提供理论依据,对指导现场生产具有实际意义。 展开更多

关键词 钻柱 水平井 振动 摩擦 动力学 随机性 页岩气

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钻柱系统黏滑振动的自激振动特性研究 被引量：4

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作者 汤历平 祝效华 +1 位作者 石昌帅 唐建 《西南石油大学学报（自然科学版）》 CAS CSCD 北大核心 2017年第4期168-175,共8页

针对当前钻柱系统黏滑振动产生的影响不断增大的问题,研究黏滑振动的自激振动特性。通过建立钻柱系统的黏滑振动力学模型,推导了钻头于黏滞阶段与滑脱阶段的状态方程,并得到其滑脱阶段的振动响应。在得到系统黏滑振动特性的基础上,研究... 针对当前钻柱系统黏滑振动产生的影响不断增大的问题,研究黏滑振动的自激振动特性。通过建立钻柱系统的黏滑振动力学模型,推导了钻头于黏滞阶段与滑脱阶段的状态方程,并得到其滑脱阶段的振动响应。在得到系统黏滑振动特性的基础上,研究钻头在不同初始条件时相对转盘运动的相轨迹。结果表明,当钻头初相点存在扰动时,其运动均将趋向于稳定的黏滑振动,表现为钻头运动的相轨迹收敛于稳定的极限环。对黏滑振动产生的原因进行分析,结果表明,产生黏滑振动的钻柱系统在黏滞状态与滑脱状态转变时均存在摩擦扭矩的降落,相当于在钻头转动方向作用一个外载,即钻头临界状态转变时存在的负阻尼效应将钻柱的振动调节为自激振动。 展开更多

关键词 钻柱 黏滑振动 自激振动 极限环 摩擦扭矩

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水平井钻柱-井壁摩擦诱导黏滑振动机理研究 被引量：9

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作者 朱杰然 邹德永 +3 位作者 李光泉 杨宁宁 杨全进 林伟 《石油机械》 北大核心 2021年第7期31-36,共6页

水平井钻柱系统黏滑振动严重威胁井下钻柱及工具的安全性。为了揭示水平井钻柱系统与井壁非线性摩擦诱导钻柱系统黏滑振动机理,基于质量-弹簧-阻尼离散方法及Stribeck摩擦理论,建立了水平井全井钻柱系统非线性动力学模型。对无钻压加载... 水平井钻柱系统黏滑振动严重威胁井下钻柱及工具的安全性。为了揭示水平井钻柱系统与井壁非线性摩擦诱导钻柱系统黏滑振动机理,基于质量-弹簧-阻尼离散方法及Stribeck摩擦理论,建立了水平井全井钻柱系统非线性动力学模型。对无钻压加载条件下的水平井钻柱系统在不同井段和不同钻井工况参数下的动力学响应进行了分析。分析结果表明:钻柱-井壁间的非线性摩擦会诱导钻柱发生周期性黏滑振动,且随着转盘扭矩的增大,直井段转速波动随之增大;造斜段管柱的扭转振动更加剧烈,且造斜段入口管柱的黏滑振动强度明显大于水平段管柱。研究结果可为提高水平井钻井效率和降低作业风险提供理论指导。 展开更多

关键词 水平井钻柱 黏滑振动 非线性摩擦 钻柱系统动力学 动力学响应

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钻柱黏滑振动特性仿真与产生机理分析 被引量：18

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作者 付蒙 李江红 +1 位作者 吴亚锋 李嫣然 《西北工业大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第3期467-472,共6页

针对钻探作业中产生的钻柱黏滑振动现象,研究了仿真环境下钻柱系统的黏滑振动特性与振动产生机理。基于振动理论,建立了井下钻进系统的双自由度弹性模型,提出了一种模拟钻头-岩石摩擦力矩的算法;构造了钻进系统结构图,模拟了钻柱黏滑振... 针对钻探作业中产生的钻柱黏滑振动现象,研究了仿真环境下钻柱系统的黏滑振动特性与振动产生机理。基于振动理论,建立了井下钻进系统的双自由度弹性模型,提出了一种模拟钻头-岩石摩擦力矩的算法;构造了钻进系统结构图,模拟了钻柱黏滑振动的变化规律,并通过极限环分析钻柱黏滑振动的产生机理;绘制钻井参数与振动幅值和周期的关系曲线,讨论了钻井参数对钻柱黏滑振动的影响。仿真结果表明,钻柱黏滑振动主要表现为钻头周期性地黏滞和滑动,属于一种由非线性摩擦力引起的自激振动;钻井参数的改变影响钻柱黏滑振动的剧烈程度。 展开更多

关键词 钻柱 黏滑振动 弹性模型 特性仿真 产生机理

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基于状态反馈和扭矩前馈钻柱黏滑振动控制系统 被引量：4

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作者 付蒙 李江红 +3 位作者 吴亚锋 宋叔飚 赵艾奇 李文青 《西北工业大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第2期291-298,共8页

钻柱黏滑振动现象广泛存在于油气井的勘探开发。该振动容易造成钻柱连接松动,加快钻井部件的磨损和失效,从而降低钻井效率、威胁钻井安全。为了抑制钻柱黏滑振动,提出一种状态反馈和扭矩前馈结合的控制方案。基于建立的钻进系统双自由... 钻柱黏滑振动现象广泛存在于油气井的勘探开发。该振动容易造成钻柱连接松动,加快钻井部件的磨损和失效,从而降低钻井效率、威胁钻井安全。为了抑制钻柱黏滑振动,提出一种状态反馈和扭矩前馈结合的控制方案。基于建立的钻进系统双自由度集中参数模型,设计一种状态观测器,可以估计钻进系统难以测量的井下状态。并设计一种参考值优化算法,可以根据钻头与岩石间的摩擦扭矩,实时计算所有状态参考值和前馈扭矩输入量。结合状态观测器和参考值优化算法,实现了全维状态控制器的设计。仿真结果表明,在变化的非线性摩擦扭矩下,设计的控制方案对钻柱黏滑振动起到了良好的抑制效果。井场实验表明,设计的控制器可以应用于抑制钻井现场产生的钻柱黏滑振动现象。 展开更多

关键词 钻柱 黏滑振动 参考值优化 状态观测器 前馈控制 状态反馈控制

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深层页岩气水平井钻柱动态摩阻扭矩分析 被引量：4

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作者 刘伟吉 冯嘉豪 +2 位作者 汪洋 祝效华 李枝林 《石油机械》 北大核心 2023年第8期18-25,共8页

为了研究钻柱接触和钻柱振动对动态摩阻扭矩的影响,建立了实钻井眼轨迹的三维全井钻柱系统动力学数值仿真模型,针对深层页岩气水平井摩阻扭矩大的问题,分析钻进过程钻柱系统摩阻扭矩、应力分布及振动情况。研究结果表明:钻柱所受平均摩... 为了研究钻柱接触和钻柱振动对动态摩阻扭矩的影响,建立了实钻井眼轨迹的三维全井钻柱系统动力学数值仿真模型,针对深层页岩气水平井摩阻扭矩大的问题,分析钻进过程钻柱系统摩阻扭矩、应力分布及振动情况。研究结果表明:钻柱所受平均摩阻扭矩在增斜段处激增达到极大值,而进入水平段后,摩阻扭矩急剧减小,最后趋于稳定;水平段的平均摩阻扭矩略大于调整段,且摩阻扭矩的数值分布趋势与接触力、钻柱所受应力的分布趋势相同;钻柱所受的摩阻扭矩除了增斜段是连续分布的以外,水平段和调整段都是间歇性分布,但水平段比调整段分布更密集,同时钻柱接触力在水平段和增斜段都为低边接触;每当钻柱因井斜角、方位角变化而弯曲时,其所受应力、接触力和摩阻扭矩都会明显增加,且增加快慢与钻柱的弯曲程度呈正相关。所得结论可为深层页岩气水平井钻井参数优选及提速方案制定提供理论依据。 展开更多

关键词 深层页岩气 水平井 摩阻扭矩 钻柱振动 接触力 顶驱转速 应力分布

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大位移井钻柱的动态分析 被引量：2

12

作者 王秀亭 刘延强 《石油大学学报（自然科学版）》 CSCD 北大核心 2004年第1期41-43,51,共4页

分析了大位移井旋转钻柱的受力变形特点及钻柱与井壁接触机理。根据动力学原理引入碰撞恢复系数并完善和简化了钻柱与井壁动态摩擦接触模型。采用有限元理论 ,将威尔逊θ法、牛顿拉裴逊法和放松约束试算法相结合 ,解决了大位移井钻柱动... 分析了大位移井旋转钻柱的受力变形特点及钻柱与井壁接触机理。根据动力学原理引入碰撞恢复系数并完善和简化了钻柱与井壁动态摩擦接触模型。采用有限元理论 ,将威尔逊θ法、牛顿拉裴逊法和放松约束试算法相结合 ,解决了大位移井钻柱动力学问题及钻柱动态接触边界待定问题。计算及分析结果表明 ,所建理论模型是合理的和简便的。在钻柱旋转过程中 ,碰撞或连续接触可能交替存在或并存 ,这与井眼条件和转速有关 ,对钻柱与井壁接触形式的任何假设都可能是误差产生的根源。动态响应均值的非线性效应与静态分析结果表明 ,一般井眼曲率大于 5°/( 30m)时 ,线性动态分析的误差不容忽视 ,转速较高 (大于 70r/min)时 ,须考虑动态因素的影响 。 展开更多

关键词 大位移井 钻柱 受力分析 井壁 有限元分析法 转速 动态摩擦接触模型

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大斜度小井眼随钻扩眼钻柱动力学研究 被引量：4

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作者 郑欣 付建红 +2 位作者 周伟 侯子旭 郑晓龙 《钻采工艺》 CAS 北大核心 2013年第4期70-72,78,共4页

随钻扩眼钻井技术是一种能有效解决小井眼钻井难题的重要技术,但存在钻柱动力学稳定性差、扩眼效果不理想和钻速低等问题。文章针对TH-A井■149.2mm大斜度小井眼随钻扩眼至■170mm井眼作业过程,基于有限元力学分析方法,建立了适合大斜... 随钻扩眼钻井技术是一种能有效解决小井眼钻井难题的重要技术,但存在钻柱动力学稳定性差、扩眼效果不理想和钻速低等问题。文章针对TH-A井■149.2mm大斜度小井眼随钻扩眼至■170mm井眼作业过程,基于有限元力学分析方法,建立了适合大斜度小井眼的随钻扩眼钻柱动力学模型,采用Newmark法进行随钻扩眼有限元动力学模拟,研究BHA在小井眼中的运动状态,分析钻柱各关键位置处扭转角速度、扭矩、等效应力、井口轴向力及扭矩的时间响应。模拟结果与实测吻合较好,为研究随钻扩眼钻柱的振动特性,优化随钻扩眼措施提供了理论支持。 展开更多

关键词 随钻扩眼 动力学模型 钻柱振动 动应力 有限元

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钻柱摩阻扭矩智能预测模型与解释 被引量：7

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作者 刘慕臣 宋先知 +5 位作者 李大钰 朱硕 付利 祝兆鹏 张诚恺 潘涛 《煤田地质与勘探》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第9期89-99,共11页

钻井管柱力学的准确表征和动态分析是保证安全高效钻井的关键。现有经典的钻井管柱摩阻扭矩软杆/刚杆模型中,钻柱摩阻系数通过经验估算或钻后反演来确定,其准确性和时效性有待提升。本研究基于人工智能技术在复杂非线性映射问题中的有效... 钻井管柱力学的准确表征和动态分析是保证安全高效钻井的关键。现有经典的钻井管柱摩阻扭矩软杆/刚杆模型中,钻柱摩阻系数通过经验估算或钻后反演来确定,其准确性和时效性有待提升。本研究基于人工智能技术在复杂非线性映射问题中的有效性,通过预测摩阻系数建立机理-数据融合的钻柱摩阻扭矩预测方法。首先利用已钻录井数据和软杆模型反演摩阻系数,为摩阻系数智能预测提供数据基础,通过对74口井数据处理和特征量化分析,建立考虑数据序列特征的LSTM(Long Short-Term Memory)网络,并通过摩阻扭矩预测和SHAP(SHapley Additive exPlanation)可解释性分析验证模型合理性。结果表明:摩阻系数预测误差为5.89%,摩阻扭矩预测误差降低了4.41%,模型表征的输入特征与摩阻系数的映射关系符合管柱力学机理,具备较强稳定性和可解释性。该方法可为钻井管柱力学的准确表征与动态分析提供理论与技术支撑。 展开更多

关键词 智能预测 钻柱摩阻扭矩 摩阻系数 机理数据融合 可解释性 深度学习

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长宁超长水平井钻井摩阻数值模拟分析 被引量：8

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作者 李文哲 代锋 +4 位作者 曾光 宁松岩 薛宪莹 阳文发 李柯 《钻采工艺》 CAS 北大核心 2021年第5期39-44,共6页

CN-H21-5井是四川长宁页岩气区块一口超长水平段水平井,存在高摩阻、高扭矩和钻柱屈曲变形等一系列页岩气水平井典型技术难题急需解决。为了控制钻柱屈曲变形和接触摩阻扭矩,基于Hamilton原理建立全井钻柱动力学模型并采用HHT-α法对模... CN-H21-5井是四川长宁页岩气区块一口超长水平段水平井,存在高摩阻、高扭矩和钻柱屈曲变形等一系列页岩气水平井典型技术难题急需解决。为了控制钻柱屈曲变形和接触摩阻扭矩,基于Hamilton原理建立全井钻柱动力学模型并采用HHT-α法对模型求解,分析了造斜段造斜率和水平段钻具组合对摩阻扭矩的影响规律。通过数值模拟表明:增加造斜段的造斜率能够降低造斜段的接触摩阻总值,同时也能降低全井段的接触摩阻;小尺寸钻杆传递较大轴向力时会发生严重屈曲变形,导致接触摩阻不降反增;在水平段采用“大+小”的钻具组合,既能减小钻柱发生严重屈曲变形的概率,也能降低水平段接触摩阻。结论认为,减少造斜段长度并提高水平段前半段钻柱尺寸能够有效降低全井的接触摩阻,该结论能为长宁页岩气超长水平井的降摩减阻提供理论支撑。 展开更多

关键词 页岩气 超长水平井 钻柱动力学 摩阻

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