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高效導(dǎo)向螺桿鉆具的研究與應(yīng)用

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摘要:

在井眼軌跡控制過程中,進行滑動導(dǎo)向與復(fù)合鉆進時,利用常規(guī)導(dǎo)向螺桿會出現(xiàn)鉆頭加載困難以及形成螺旋井眼的問題,從而對井眼軌跡的控制效果產(chǎn)生影響。為解決該問題,以前用過寬帶的直棱和螺旋穩(wěn)定器,本文特針對導(dǎo)向螺桿的結(jié)構(gòu)做了改進與創(chuàng)新,準備在螺桿鉆具驅(qū)動頭位置設(shè)計帶寬很窄螺旋穩(wěn)定器。本文就針對改進后的導(dǎo)向螺桿鉆具進行討論。   關(guān)鍵詞:導(dǎo)向螺桿;井眼軌跡控制;鉆具 一、高效導(dǎo)向螺桿鉆具     由于利用常規(guī)螺桿會出現(xiàn)鉆頭加載困難、形成螺旋井眼等問題,因此對其進行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新,即在螺桿鉆具驅(qū)動位置設(shè)計一種受螺桿鉆具驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的窄帶螺旋穩(wěn)定器,其主要作用包括:首先,作為底部鉆具組合的近鉆頭支點,從而有效的提高BHA的滑動導(dǎo)向能力;其次,近鉆頭近滿眼設(shè)計可以修正井壁;最后,滑動導(dǎo)向鉆進過程中,近鉆頭穩(wěn)定器處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài),與常規(guī)的導(dǎo)向螺桿鉆具相比,近鉆頭穩(wěn)定器的滑動阻力更小,所以拖壓問題即可得到徹底解決。這種導(dǎo)向螺桿的結(jié)構(gòu)變化使得鉆井過程中BHA的力學(xué)特征發(fā)生了改變。 二、高效導(dǎo)向螺桿鉆具的承載能力     改變了高效導(dǎo)向螺桿鉆具的結(jié)構(gòu),相應(yīng)的就會改變鉆進過程中螺桿鉆具的受力特征。傳動軸是軸力與扭矩的核心承載部件,其有著十分復(fù)雜的受力特征,也是螺桿鉆具中最薄弱的環(huán)節(jié),所以要對其強度特征做全面分析,并提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。下面以172mm高效導(dǎo)向相鉆具為例進行分析。 (一)傳動軸強度的計算模型 下圖1為172mm高效導(dǎo)向螺桿鉆具的傳動軸結(jié)構(gòu)參數(shù)與邊界條件:   圖中各段的長度分別如下: L0=500mm、L1=180 mm、L2=420 mm、L3=400 mm、L4=360 mm;傳動軸的外徑尺寸為80 mm??梢酝ㄟ^ANSYS軟件進行螺桿鉆具幾何模型的建立,并劃分網(wǎng)格。鉆頭左端固定,傳動軸聯(lián)軸器部分鉸支,對Y方向的自由度加以約束。以螺桿鉆具軸向載荷傳遞特征為參照,將軸向均布載荷q加載于圖中所示臺階面上,再以傳動軸的工作原理為基礎(chǔ),分別將徑向均布線載荷q1與q2施加于圖中軸上對應(yīng)的位置,傳動軸右端施加扭矩。利用solid185—8節(jié)點實體單元劃分網(wǎng)格。3575個節(jié)點以及15853個四面體單元組成整個模型,傳動軸彈性模量:210 GPa;泊松比:0.25;密度:800 kg/m3。結(jié)合BHA的結(jié)構(gòu)與實際工況將鉆頭側(cè)向力與扭矩計算出來,即可取得上文所提的分布載荷。 (二)傳動軸的應(yīng)力計算與分析      通過ANSYS系統(tǒng)可以將傳動軸受到外載與約束作用狀態(tài)下的應(yīng)力分布計算出來,從計算結(jié)果可知,最大應(yīng)力值為434 MPa,發(fā)生在傳動軸過渡截面處。針對不同外徑計算其最大應(yīng)力值,從計算結(jié)果可以得知,如果材質(zhì)的條件不變,傳動軸的外徑越大,則作業(yè)的安全系數(shù)越高,如果把傳動軸的外徑由提高5mm,可以提升16%的承載能力,所以傳動軸外徑的取值為85mm。 三、近鉆頭穩(wěn)定器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與螺桿動力系統(tǒng)的優(yōu)化 (一)優(yōu)化近鉆頭穩(wěn)定器的結(jié)構(gòu)     從某種意義上說,高效導(dǎo)向螺桿鉆具的應(yīng)用效果由近鉆頭穩(wěn)定器的結(jié)構(gòu)來決定,因此近鉆頭穩(wěn)定器要具備兩個條件,其一,穩(wěn)定器基于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的支點效應(yīng)、穩(wěn)定性以及盡量低的額外扭矩;其二,要將巖屑及時排導(dǎo)出去。因此穩(wěn)定器利用螺桿過封閉扶正翼,旋轉(zhuǎn)一周可以保證支撐外徑的穩(wěn)定性,并且旋轉(zhuǎn)行進時也可以保持較好的穩(wěn)定性,額外扭矩最小。不同外徑相鉆具的扶正翼螺桿角與穩(wěn)定器整體泄流面積,可以通過計算鉆井液軸向流速與切向速度來確定。以前慣用的螺旋扶正器帶較寬,和井壁接觸多,所以磨擦阻力大,為些選用比常規(guī)小一倍的帶寬,這樣即起到扶正作用,又減少了扭矩的損失。 (二)優(yōu)化螺桿動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)     改變高效導(dǎo)向螺桿鉆具的結(jié)構(gòu),就要求螺桿鉆具的動力輸出與使用壽命更高。具體而言,螺桿動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化包括以下幾個方面:第一,采用等壁厚定子工藝,可以提高20%的輸出扭矩與功率;第二,轉(zhuǎn)子采用鍍鉻工藝,再與等壁厚定子相配合可以延長螺桿鉆具壽命;第三,利用球柱傳動密封萬向軸,串軸承壓力角設(shè)計為55°,可大幅提升軸向承載力;第四,長導(dǎo)程設(shè)計與單級導(dǎo)程的增加,可以有效提高輸出扭矩。 四、帶高效導(dǎo)向螺桿鉆具BHA導(dǎo)向力分析 (一)BHA結(jié)構(gòu)與參數(shù)    下圖2為改進導(dǎo)向BHA結(jié)構(gòu):   采用高效導(dǎo)向螺桿鉆具可以將近鉆頭穩(wěn)定器和鉆頭端面的距離大大縮短,相應(yīng)的BHA的導(dǎo)向特征也會發(fā)生改變。BHA的結(jié)構(gòu)如下:215.9mm鉆頭、172mm高效導(dǎo)向螺桿鉆具、165mm鉆鋌、欠尺寸穩(wěn)定器等,上圖2中: L1:鉆頭端部與近鉆頭穩(wěn)定器支點的距離,為0.5m; L21:近鉆頭穩(wěn)定器支點與彎點距離,為1.8m; DS1:近鉆頭穩(wěn)定器的外徑,為214mm; DS2:上穩(wěn)定器外徑,為214mm; L2:上穩(wěn)定器支點與近鉆頭穩(wěn)定器支點距離,為16m; 鉆壓為120KN,鉆井液密度為1.02 g/cm3。 (二)參數(shù)影響規(guī)律 在結(jié)構(gòu)參數(shù)不同、井眼軌跡條件不同的情況下,利用導(dǎo)向力計算軟件SABHA計算出對應(yīng)的導(dǎo)向力特征。由計算結(jié)果可知,井斜角越大,滑動導(dǎo)向力與復(fù)合鉆井的導(dǎo)向力也會越大。由于與常規(guī)導(dǎo)向BHA相比,這兩種工況狀態(tài)下導(dǎo)向力有大幅提升,所以可以稱改進后的導(dǎo)向螺桿鉆具為高效導(dǎo)向螺桿鉆具。 各參數(shù)對導(dǎo)向力的影響規(guī)律可以總結(jié)如下:滑動導(dǎo)向鉆進時,導(dǎo)向為增斜力,并且上圖2中的L2越大,滑動導(dǎo)向就會隨著斜角的增加而增加;L2為18m時,上穩(wěn)定器支點與近鉆頭穩(wěn)定器支點的距離最優(yōu),導(dǎo)向力最大。復(fù)合鉆進過程中,井斜角低于10°時,合導(dǎo)向力為降斜力;如果L2超出14m,井斜角大于10°,則導(dǎo)向力回歸增斜力,并且井斜角越大,導(dǎo)向力也越大;井斜角超出50°后,增斜力的變化逐漸平緩。此外,在井眼軌跡控制過程中,造斜鉆進與穩(wěn)斜鉆進需要使用同一套鉆具組合才可以有效提高鉆井的效率,所以選擇鉆具組合結(jié)構(gòu)參數(shù),要同時考慮滑動導(dǎo)向效果與復(fù)合鉆井導(dǎo)向效果。 參考文獻: [1] 王春陽,黃繼慶,陸天明,等.螺桿鉆具整機性能試驗研究[J].鉆采工藝,2010(1) [2] 陳湖濱,劉同富,裴建忠,等.影響螺桿鉆具工作壽命的使用因素分析[J].鉆采工藝,2009(1) [3] 狄勤豐.滑動式導(dǎo)向鉆具組合復(fù)合鉆井時導(dǎo)向力計算分析[J].石油鉆采工藝,2007(1) [4] 張小柯,狄勤豐.鉆柱渦動時彎扭組合交變應(yīng)力下的強度計算[J].天然氣工業(yè),2009(7).  
發(fā)布:2007-07-27 10:15    編輯:泛普軟件 · xiaona    [打印此頁]    [關(guān)閉]
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