CN107576353A - 一种预弯底部钻具组合工作状态的快速评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种预弯底部钻具组合(BHA)工作状态的快速评价方法，其利用专用测量工具测定预弯BHA的结构参数，通过材料拉伸实验确定预弯BHA所用材料的力学参数，结合加权余量法和有限元法，在得到预弯BHA横向振动的稳态动力学响应的基础上，建立预弯BHA的工作状态图版，从而可以快速评价实际钻井作业中预弯BHA的工作状态。利用该方法可以获得实际钻井过程中用到的预弯BHA的横向振动特性，得到其临界转速及工作状态图版，据此可以快速判断预弯BHA的工作状态。该方法可用于钻前分析以合理地设计预弯BHA的结构和优选钻井参数，也可用于钻后分析找出预弯BHA失效（如发生失效）的初步原因，因此具有较强的工程应用意义。

Description

一种预弯底部钻具组合工作状态的快速评价方法
技术领域
本发明涉及油气钻井技术领域，特别是一种预弯底部钻具组合(BHA，Bottom HoleAssembly)工作状态的快速评价方法。
背景技术
带预弯结构和稳定器的BHA(预弯BHA)，凭借其成本低、维护方便等优点，是一种常用的定向井和水平井井眼轨迹导向钻井工具(如带单弯螺杆的滑动导向BHA)。自上世纪末开始，这种BHA又被用于直井的防斜打快作业。作为一种带有特殊结构的纵横弯曲梁，预弯BHA在井眼内的运动具有几何和接触双重非线性，其力学特征十分复杂。早期专家学者利用纵横弯曲梁理论研究了预弯BHA的静力学特征，求得其钻头侧向力和钻头转角，为设计和控制井眼轨迹提供理论基础。而对于其动力学方面的研究，则是通过建立有限元梁模型求解其振动状态，以便于通过调整结构和工艺参数，达到减小振动的目的。全尺寸实物实验是评价预弯BHA横向振动性能的可靠方法，然而其费用高、周期长，且不能直观地反映井下复杂载荷作用下预弯BHA内部的受力特征。采用数值模拟手段评价预弯BHA横向振动性能是对实验评估方法的有力补充。针对石油钻井工程中预弯BHA的结构特点，国内外学者在其静、动力学分析上进行了大量的工作。然而由于预弯BHA中弯角结构的存在，用有限元方法求解其静力学存在求解效率和求解精度之间的矛盾(若求解速度快，需单元数少，精度就降低)。因此不适合预弯BHA横向振动及工作状态的快速评价。
发明内容
针对当前有限元方法确定预弯BHA动力学特性速度较慢的问题，本发明的目的是提供一种预弯底部钻具组合工作状态的快速评价方法，首先建立预弯BHA的数学模型，考虑其静态构型对其横向振动的影响，分析不同工作参数下预弯BHA的动态应力分布特征，基于预弯BHA危险系数，以便快速评价其在不同钻井参数下的工作状态，为钻井工程师提供借鉴。此外，该方法可用于钻前分析以合理地设计预弯BHA的结构和优选钻井参数，也可用于钻后分析找出预弯BHA失效(如发生失效)的初步原因。
为达到上述目的，本发明的构思是：
首先，建立小变形条件下预弯BHA的三维静力学模型，并用加权余量法和切点优化法求解该模型，得到其在三维井眼内的变形特征。其次，在静力学分析的基础上，根据预弯BHA与井壁的接触特征来确定其上切点的位置，并以此切点位置定义预弯BHA的上边界。随后建立预弯BHA的有限元模型并求解其模态特征。最后，在考虑井壁约束的条件下，利用振型叠加法确定其稳态动力学响应。
根据上述构思，本发明采用下述技术方案：
一种预弯底部钻具组合工作状态的快速评价方法，采用实验、测量、数值模拟方法，得到预弯底部钻具组合，即预弯BHA的横向动态位移、动态弯曲应力特征，在此基础上对不同钻压和转速下的预弯BHA工作状态进行快速评价，具体步骤如下：
1)利用内径表、盘型千分尺、测厚仪、影像测量仪的专用测量工具，测定预弯BHA的结构参数；
2)利用MTS万能试验机、密度测量仪的专用材料性能试验设备和方法，实验确定预弯BHA所用材料的力学性能参数；
3)利用加权余量法计算预弯BHA在三维空间中的静态变形，得到其与井壁接触的上切点位置；
4)在预弯BHA静态变形的基础上，建立预弯BHA的动力学模型，利用有限元方法求解预弯BHA横向振动的模态特征，并在此基础上利用振型迭加法求解其稳态动力学响应和动态弯曲应力；
5)计算不同钻井参数下BHA的危险系数：
式中，Ssw为给定钻井参数下BHA的危险系数，σsw为给定钻井参数下BHA的动态弯曲应力值，σmax为所取工作参数范围内的最大动态弯曲应力值；根据Ssw的取值，将预弯BHA的工作状态分为三个类型：安全：0≤Ssw<0.33、警告：0.33≤Ssw<0.67、危险：0.68≤Ssw≤1.0；Ssw的值越小，预弯BHA的工作状态越安全；
6)根据预弯BHA的危险系数，生成预弯BHA工作状态图版，图中用不同颜色表示预弯BHA的工作状态：浅色(彩色图中为绿色)表示安全的工作状态，预弯BHA在此钻井参数下钻进比较安全；灰色(彩色图中为黄色)表示警告的工作状态，预弯BHA在此钻井参数下钻进时，存在一定的失效风险，应得到重视；深黑色(彩色图中为红色)表示危险的工作状态，预弯BHA应避免在此钻井参数下钻进；
7)根据预弯BHA的工作状态图版，快速评价实际钻井作业中预弯BHA的工作状态。
所述的工作状态是指预弯BHA的动态弯曲应力的相对大小，也即危险系数。
所述的预弯BHA为任何一种目前使用的带弯角结构的BHA，所述预弯结构的内、外径同钻铤，弯角大小为0.5～1.5゜。所述的预弯BHA可以不带稳定器或带1～3个具有螺旋结构的稳定器。
所述的预弯BHA的结构参数是指预弯BHA的内径、外径、长度、弯角的位置及其大小，也包括稳定器的大小、安装位置。所述的预弯BHA的材料参数是指预弯BHA的密度、弹性模量、泊松比、屈服强度、强度极限。所述的预弯BHA的工作参数是指地面转速和钻压。
本发明与现有技术相比较，具有以下突出的优点：
本发明方法，采用实验、数值模拟方法(加权余量法和有限元法相结合)对预弯BHA在不同钻井参数下的工作状态进行综合评估。相比实物实验评价方法，此评价方法具有更快速、更经济的特点，且能清楚地反映不同钻井参数下预弯BHA的工作状态。相比现有预弯BHA有限元分析方法，本发明所用方法能较快地计算预弯BHA的静态构型，并在此基础上计算其横向振动动态响应并得到其工作状态图版。
附图说明
图1是预弯BHA工作状态快速评价方法的流程图。
图2是预弯BHA结构示意图。
图3是预弯BHA静态构型图。
图4是预弯BHA的动态位移响应图，其中(a)表示转速范围为60～100r/min，(b)表示转速范围为110～150r/min，(c)表示转速范围为160～200r/min。
图5是预弯BHA在钻压分别为50、100和150kN时动态位移响应与转速的关系。
图6是预弯BHA的动态位移响应三维图。
图7是预弯BHA的工作状态(危险系数)图版(三维)。
图8是预弯BHA的工作状态(危险系数)图版(二维)。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施例做进一步的说明。
如图1所示，一种预弯底部钻具组合工作状态的快速评价方法，结合加权余量法和有限元法可以快速确定预弯防斜BHA横向振动的工作状态。
1)利用内径表、盘型千分尺、测厚仪、影像测量仪等专用测量工具，测量预弯BHA(见附图2)的结构参数，主要测量结果见表1。
表1预弯BHA主要结构参数
2)利用MTS万能试验机、密度测量仪等专用材料试验设备和方法，实验确定预弯BHA所用材料的力学参数，测量结果见表2。
表2预弯BHA主要材料参数
3)利用加权余量法获得预弯BHA的静态构型，如图3所示。
4)在预弯BHA静态构型的基础上，利用有限元法和振型迭加法获解预弯BHA的动力学位移响应，如图4所示。
5)确定钻压分别为50、100和150kN下预弯BHA的静态构型和对应的预弯BHA动态位移响应与转速的关系，如图5所示。
6)获得预弯BHA距钻头不同位置处、不同转速下的动态位移响应，如图6所示。
7)根据不同钻井参数(钻压范围50～100kN和转速范围60～200r/min)下预弯BHA的动态位移值，可以得到其动力学弯矩，进而可以确定其动态弯曲应力。根据预弯BHA的动态弯曲应力值，得到其在不同钻井参数下的危险系数。用不同的颜色表示预弯BHA的危险系数值，可以得到预弯BHA的工作状态图版，如图7和图8所示。
8)根据预弯BHA的工作状态图版(图7和图8)，可以快速评价实际钻井作业中预弯BHA的工作状态。从图中可以看出，当钻压位于120～130kN和转速位于165～180r/min时，危险系数最高(黑色)，因此应尽量避开这个参数范围。同时，当转速超过160r/min时，除钻压范围100～110kN外，其他情况都处于危险状态，应该避免。

Claims (7)

1.一种预弯底部钻具组合工作状态的快速评价方法，采用实验、测量、数值模拟方法，得到预弯底部钻具组合，即预弯BHA的横向动态位移、动态弯曲应力特征，在此基础上对不同钻压和转速下的预弯BHA工作状态进行快速评价，其特征在于，具体步骤如下：
1)利用内径表、盘型千分尺、测厚仪、影像测量仪的专用测量工具，测定预弯BHA的结构参数；
2)利用MTS万能试验机、密度测量仪的专用材料性能试验设备和方法，实验确定预弯BHA所用材料的力学性能参数；
3)利用加权余量法计算预弯BHA在三维空间中的静态变形，得到其与井壁接触的上切点位置；
4)在预弯BHA静态变形的基础上，建立预弯BHA的动力学模型，利用有限元方法求解预弯BHA横向振动的模态特征，并在此基础上利用振型迭加法求解其稳态动力学响应和动态弯曲应力；
5)计算不同钻井参数下BHA的危险系数：
<mrow> <msub> <mi>S</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>w</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>w</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> </mfrac> </mrow>
式中，Ssw为给定钻井参数下BHA的危险系数，σsw为给定钻井参数下BHA的动态弯曲应力值，σmax为所取工作参数范围内的最大动态弯曲应力值；根据Ssw的取值，将预弯BHA的工作状态分为三个类型：安全：0≤Ssw<0.33、警告：0.33≤Ssw<0.67、危险：0.68≤Ssw≤1.0；Ssw的值越小，预弯BHA的工作状态越安全；
6)根据预弯BHA的危险系数，生成预弯BHA工作状态图版，图中用不同颜色表示预弯BHA的工作状态：浅色表示安全的工作状态，预弯BHA在此钻井参数下钻进比较安全；灰色表示警告的工作状态，预弯BHA在此钻井参数下钻进时，存在一定的失效风险，应得到重视；深黑色表示危险的工作状态，预弯BHA应避免在此钻井参数下钻进；
7)根据预弯BHA的工作状态图版，快速评价实际钻井作业中预弯BHA的工作状态。
2.根据权利要求1所述的一种预弯底部钻具组合工作状态的快速评价方法，其特征在于，所述的工作状态是指预弯BHA的动态弯曲应力的相对大小，也即危险系数。
3.根据权利要求1所述的一种预弯底部钻具组合工作状态的快速评价方法，其特征在于，所述的预弯BHA为任何一种目前使用的带弯角结构的BHA，所述预弯结构的内、外径同钻铤，弯角大小为0.5～1.5゜。
4.根据权利要求1所述的一种预弯底部钻具组合工作状态的快速评价方法，其特征在于，所述的预弯BHA不带稳定器或带1～3个具有螺旋结构的稳定器。
5.根据权利要求1所述的一种预弯底部钻具组合工作状态的快速评价方法，其特征在于，所述的预弯BHA的结构参数是指预弯BHA的内径、外径、长度、弯角的位置及其大小，也包括稳定器的大小、安装位置。
6.根据权利要求1所述的一种预弯底部钻具组合工作状态的快速评价方法，其特征在于，所述的预弯BHA的材料参数是指预弯BHA的密度、弹性模量、泊松比、屈服强度、强度极限。
7.根据权利要求1所述的一种预弯底部钻具组合工作状态的快速评价方法，其特征在于，所述的预弯BHA的工作参数是指地面转速和钻压。
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