一种变径井眼中屈曲管柱钻进评价方法与流程

本发明涉及钻井工程制造领域，尤其涉及一种变径井眼中屈曲管柱钻进评价方法。

背景技术：

在钻井过程中，钻头转过地层制造井眼，在这一过程中会穿过很多不同类型、不同物理性质的地层。在固井之前，钻井液与裸眼地层充分接触，对一些地层的物理性质产生改变。

由于开钻引起的应力变化使井眼周围应力不稳定，以上种种原因使得一些地层的井眼逐渐增大或者缩小，井眼变大的称为扩径，井眼缩小的称为缩径，严重的扩径和缩径都对钻井不利。当井眼发生扩径时，会造成井壁不稳定，严重时甚至出现局部井壁垮塌，出现事故。而发生缩径时(如盐膏层)，会造成井下钻柱不能轻易抬升或者下放，造成卡钻等事故。此外，钻井管柱作用效果复杂，屈曲形状复杂，在井眼内既发生自转也发生公转，扩径和缩径同样会影响钻井管柱的运动状态。

在钻井过程中，钻柱的受力发生变形，当轴向载荷超过某一临界值时，载荷的大小变化引起钻柱的较大变形，即形成钻柱屈曲状态，钻柱屈曲会会钻井作业带来很多不利影响，增加钻柱与井壁之间的接触，使得摩阻、扭矩增加，发生卡钻事故等。对于变径井眼，钻柱在钻进过程中的行进路径可偏离钻孔轨道，呈现侧向或正弦屈曲模态，即钻柱会出现“蛇形前进”的现象。当钻柱处于侧向屈曲模态时，钻柱的进一步压缩可造成钻柱进入螺旋屈曲模态。螺旋屈曲模态也可被称为“螺旋形前进”，但是屈曲可导致钻探操作中的效率损失和一个或多个钻柱组件的过早损坏。

基于上述，现有技术中存在因扩径或缩径影响钻井管柱的运动状态无法评估导致发生事故的问题。

上述缺陷是本领域技术人员期望克服的。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种变径井眼中屈曲管柱钻进评价方法，解决现有技术中因扩径或缩径影响钻井管柱的运动状态无法进行评估的问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明提供一种变径井眼中屈曲管柱钻进评价方法，基于钻进模拟装置对变径井眼中管柱屈曲的影响进行评价，所述钻进模拟装置包括动力装置、空心钻柱、模拟井眼、多个变径器、钻铤、传感器、钻头、岩板、底座、控制线、机架以及设置在机架上的控制系统，所述方法包括：

s1：在底座上依次放置岩板和模拟井眼，将空心钻柱、钻铤、传感器与钻头装配好后放置于所述模拟井眼中，空心钻柱的上部连接动力装置；

s2：通过控制系统，对套装在所述模拟井眼上的变径器的内径进行调节，使所述模拟井眼的局部内径发生改变；

s3：设定空心钻柱的垂向应力和旋转转速，启动动力装置；

s4：启动预设时间后，关闭动力装置，记录岩板的钻入深度、此时空心钻柱的屈曲状态，并根据预设时间和钻入深度计算机械转速；

s5：通过控制系统更改变径器内径的设置参数，重复步骤s3～s4；

s6：根据每次变径器内径的设置参数、空心钻柱的屈曲状态和机械钻速对空心钻柱发生屈曲后的钻进情况进行评价。

在本发明的一种示例性实施例中，步骤s1中在底座上依次放置岩板和模拟井眼包括：

将岩板放置于底座上，并在所述岩板上垂直放置模拟井眼。

在本发明的一种示例性实施例中，步骤s1中还包括：

将机架垂直放置于所述底座上岩板周围的位置，使得所述机架与所述模拟井眼平行设置，所述机架的顶部高于所述模拟井眼的顶部，且所述模拟井眼的外壁表面与所述机架之间具有间隙。

在本发明的一种示例性实施例中，步骤s3中启动动力装置之后，还包括：

开始记录起始时间，并实时记录空心钻柱的垂向应力和旋转转速。

在本发明的一种示例性实施例中，步骤s3中启动动力装置之后，还包括：

在钻头的钻进过程中，实时监测空心钻柱在钻头钻进过程中的屈曲状态；

如果空心钻柱在钻头钻进过程中的运动或屈曲状态超出预设要求，则关闭动力装置。

在本发明的一种示例性实施例中，所述预设要求为空心钻柱出现自锁。

在本发明的一种示例性实施例中，步骤s6包括：

s61：将空心管柱的屈曲状态分为开始出现正弦屈曲状态、开始出现螺旋屈曲状态和完全螺旋屈曲三个阶段；

s62：在三个阶段变化过程中，根据记录的变径器内径、机械转速、动力装置的垂向应力构建评价模型；

s63：利用所述评价模型对三个阶段的钻进情况进行评价。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明实施例提供的变径井眼中屈曲管柱钻进评价方法，通过变径器对模拟井眼的直径大小进行调整，能够实现扩径和缩径井眼中屈曲管柱的转动过程的模拟，得到扩径和缩径对钻井管柱运动状态的影响，进而通过控制变量法根据每次变径器内径、空心钻柱的屈曲状态和机械钻速对空心钻柱发生屈曲后的钻进情况进行评价，为保证安全钻进过程中变径器内径、转速、动力装置施加的压力等提供设置依据，对于钻井过程中预防卡钻等事故的发生具有重要作用。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的一种变径井眼中屈曲管柱钻进评价方法的流程图；

图2为本发明一实施例提供的一种变径井眼中屈曲管柱钻进模拟装置的示意图。

附图标记说明：

1：动力装置；

2：空心钻柱；

3：模拟井眼；

4：变径器；

5：钻铤；

6：传感器；

7：钻头；

8：岩板；

9：底座；

10：控制线；

11：机架；

12：固定器。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明提供一种变径井眼中屈曲管柱钻进评价方法，通过变径器对模拟井眼的直径大小进行调整，能够实现扩径和缩径井眼中屈曲管柱的转动过程的模拟，得到扩径和缩径对钻井管柱运动状态的影响，对于钻井过程中预防卡钻等事故的发生具有重要作用。

图1为本发明一实施例提供的一种变径井眼中屈曲管柱钻进评价方法的流程图，如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤s1：在底座上依次放置岩板和模拟井眼，将空心钻柱、钻铤、传感器与钻头装配好后放置于所述模拟井眼中，空心钻柱的上部连接动力装置；

步骤s2：通过控制系统，对套装在所述模拟井眼上的变径器的内径进行调节，使所述模拟井眼的局部内径发生改变；

步骤s3：设定空心钻柱的垂向应力和旋转转速，启动动力装置；

步骤s4：启动预设时间后，关闭动力装置，记录岩板的钻入深度、此时空心钻柱的屈曲状态，并根据预设时间和钻入深度计算机械转速；

步骤s5：通过控制系统更改变径器内径的设置参数，重复步骤s3～s4；

步骤s6：根据每次变径器内径、空心钻柱的屈曲状态和机械钻速对空心钻柱发生屈曲后的钻进情况进行评价。

上述方法通过变径井眼中屈曲管柱钻进模拟装置来实现，图2为本发明一实施例提供的一种变径井眼中屈曲管柱钻进模拟装置的示意图，如图2所示，该装置包括：动力装置1、空心钻柱2、模拟井眼3、变径器4、钻铤5、传感器6、钻头7和机架11。

如图2所示，该装置的结构为：机架11设置在所述模拟井眼3的外壁周围，且所述模拟井眼3与所述机架11为平行设置，机架11的顶部高于模拟井眼3的顶部，并通过所述机架11将所述动力装置1固定在所述模拟井眼3的上方。例如，将动力装置1的侧面通过安装结构固定在机架11上，具体的安装结构的形式可以根据需要选择，此处不做赘述。

在本发明的一种示例性实施例中，动力装置1用于驱动空心钻柱2进行旋转并记录扭矩，例如，所述动力装置1可以为纵向动力装置，工作时向所述空心钻柱2施加沿纵向的压力或拉力。

在本发明的一种示例性实施例中，该装置中需要使用多个变径器4用于对所述模拟井眼3进行扩径和缩径。例如，可以按照预设间距将多个变径器4均匀地设置在模拟井眼3的外壁表面，通过变径器4的内径大小的变化对模拟井眼3的管壁直径的大小进行局部调整，达到扩径或缩径的目的。

在本发明的一种示例性实施例中，所述变径器4为环状结构，根据控制系统提供的信号对环状结构的大小进行调整，该多个变径器4均设置在所述模拟井眼3的外壁表面，即可以将变径器套装在模拟井眼3的外壁。

在本发明的一种示例性实施例中，所述模拟井眼3的外壁表面与所述机架11之间具有间隙。

在本发明的一种示例性实施例中，该装置中还包括一个或多个固定器12，设置在所述间隙中，用于固定所述模拟井眼3。如果是一个固定器12，则将其设置在间隙靠近上半段的位置，下半段通过底座也可以实现固定的作用；如果所述多个固定器12为两个，则分别设置在间隙的上半段和下半段；如果所述多个固定器12为三个，则分别设置在所述模拟井眼3和所述机架11的间隙中高度不同的位置，如图1所示。通过在不同高度设置固定器，可以在模拟井眼被扩径或缩径后仍可以对模拟井眼整体起到良好的固定作用，防止模拟井眼发生歪斜。

在本发明的一种示例性实施例中，模拟井眼3具有一定的厚度且呈空心管，设置在所述动力装置1的下方。模拟井眼3可以采用与地层材质相同或相类似的材质。

在本发明的一种示例性实施例中，空心钻柱2、钻铤5、传感器6和钻头7均设置在所述模拟井眼的内部，且空心钻柱2、钻铤5和钻头7依次连接组成钻进部，所述钻进部位于所述模拟井眼3内的长度大于所述模拟井眼3本身的长度，可以达到模拟管柱的屈曲状态的目的。

在本发明的一种示例性实施例中，所述空心钻柱2为采用无缝钢管制成的空心管，其主要作用是传递扭矩。

如图2所示，连接关系为：空心钻柱2的上部与所述动力装置1连接；钻铤5的上部与空心钻柱2的下部连接，钻铤5的下部与钻头7连接；传感器6设置在钻头7上，用于实时记录钻头7的钻压和扭矩。钻铤5的直径大于空心钻柱2的直径，钻头7的直径大于钻铤5的直径，以便利于钻进过程的进行。

在本发明的一种示例性实施例中，该装置中还包括岩板8，设置在所述模拟井眼3的底部，与所述钻头7接触，且所述钻头7能够钻进所述岩板8内，实现对钻进过程的模拟。

在本发明的一种示例性实施例中，所述机架11上还设置有控制系统，用于控制所述多个变径器4对所述模拟井眼的局部进行扩径或缩径，对扩径和缩径的模拟井眼中呈屈曲状的空心管柱的转动过程进行模拟。

在本发明的一种示例性实施例中，该装置中还包括底座9，设置在所述机架11的底部，用于支撑所述机架11和所述岩板8。进一步的，该底座9可以根据需要固定在相应的位置，防止模拟钻进过程中发生晃动或移位，可以保证模拟过程的稳定实施。

在本发明的一种示例性实施例中，该装置中还包括多个控制线10，设置在所述间隙中，控制线10的个数与变径器4一一对应，用于将所述控制系统与所述多个变径器4连接，从而根据控制系统的控制信号使变径器4的内径发生改变，通过人为控制的方式实现对真实井眼中发生的扩径和缩径进行模拟。

在本发明的一种示例性实施例中，所述多个变径器之间的间距可以均匀分布，或者根据需要将最后一个变径器(即靠近岩板的变径器)与岩板8的距离(即到模拟井眼3边缘的距离)设置为适当地略大于其他变径器之间的间距。

基于上述，该模拟装置中的动力装置能够驱动空心钻柱旋转并记录扭矩，且能给空心钻柱施加沿垂向压力和拉力；模拟井眼为空心管，位于动力装置下方，模拟井眼壁面设有多个变径器，变径器内径大小受机架和控制系统控制，可以模拟井眼扩径和缩径；控制线连接变径器和控制系统，空心钻柱为空心管，位于模拟井眼内部；钻铤上部与空心钻柱的下部连接，钻铤下部与钻头连接，钻头上设有传感器，能够实时记录钻头的钻压和扭矩；钻头下部与岩板接触，能够在岩板内钻进；所述的底座支撑岩板和机架，所述的机架上设有固定器，可以固定模拟井眼，机架的上部固定动力装置，通过机架上设置的控制系统控制变径器改变局部井眼直径，实现扩径和缩径井眼中屈曲管柱的转动过程的模拟。

在图2所示的装置中，通过改变变径器的内径，造成人为的扩径和缩径，进而模拟真实井眼中的扩径和缩径。真实的钻井管柱在工作时，既有绕其自身旋转的自转，也有绕井眼旋转的公转，支点和应力非常复杂，而井眼的扩径和缩径会改变钻井管柱与井壁的接触支点位置，进而影响钻井管柱摩阻，最终可能影响机械钻速。

基于图1所示方法和图2所示装置，在步骤s1中将岩板放置于底座上，并在所述岩板上垂直放置模拟井眼，用于模拟直井的情形。

在本发明的一种示例性实施例中，步骤s1中还包括：将机架垂直放置于所述底座上岩板周围的位置，使得所述机架与所述模拟井眼平行设置，所述机架的顶部高于所述模拟井眼的顶部，且所述模拟井眼的外壁表面与所述机架之间具有间隙，该间隙用于设置固定器。

在本发明的一种示例性实施例中，步骤s2中控制系统可以用plc等实现，通过控制线向变径器发出控制信号，进而控制变径器的内径大小发生变化。

在本发明的一种示例性实施例中，步骤s3中启动动力装置之后，还包括：开始记录起始时间，并实时记录空心钻柱的垂向应力和旋转转速。

在本发明的一种示例性实施例中，在钻头的钻进过程中，实时监测空心钻柱在钻头钻进岩板过程中的屈曲状态；如果空心钻柱在钻头钻进过程中的屈曲状态超出预设要求，则关闭动力装置。

空心钻柱的弯曲形式有以下几种状态：

首先是空心钻柱在自重作用下处于受拉而成直线状态；其次钻进岩板过程中，空心钻柱的下部处于受压缩状态，钻压比较小时，空心钻柱也会在垂直的模拟井眼中呈直线状态；但是当钻压达到某一临界弯曲值时，空心钻柱会发生弯曲，并在某个点与模拟井眼的内壁发生接触，该点即为接触支点，此处钻柱发生第一次弯曲；随着钻压继续加大，空心钻柱的弯曲状态进一步发生变化，接触支点逐渐下移，此时钻柱出现第二次弯曲；……继续重复，如果继续加压，钻柱还会继续发生三次甚至多次弯曲。

当出现多个弯曲之后，屈曲状态的变化分为开始出现正弦屈曲状态、开始出现螺旋屈曲状态和完全螺旋屈曲三个阶段，如果在发生完全螺旋屈曲之后，如果施加的钻压继续增大的话，则钻柱会发生自锁状态，因此本发明利用模拟装置进行模拟的过程中，当空心钻柱的屈曲状态发生自锁的预设要求后，则关闭动力装置，停止模拟。

在本发明的一种示例性实施例中，步骤s6包括：

s61：将空心管柱的屈曲状态分为开始出现正弦屈曲状态、开始出现螺旋屈曲状态和完全螺旋屈曲三个阶段。

s62：在三个阶段变化过程中，根据记录的变径器内径、机械转速、动力装置的垂向应力构建评价模型。

s63：利用所述评价模型对三个阶段的钻进情况进行评价。

该过程中可以通过动力装置施加扭矩大小决定对空心管柱的垂向应力大小的调整，通过控制系统对变径器内径的调整，采用控制变量法对空心钻柱钻进过程进行模拟的过程中可以将整个模拟井眼利用有限元分析法进行分析。将空心钻柱离散化为钻柱单元，根据钻柱单元的自由度数假设位移场，将位移场带入钻柱的能量方程，根据最小位能原理推导出刚度矩阵，将单元刚度矩阵集成为整体刚度矩阵，施加边界条件后通过求特征值得到空心钻柱失稳的临界载荷，即发生正弦屈曲或螺旋屈曲的临界点。

由于空心钻柱与模拟井眼的内壁的接触点沿井眼环向和径向呈随机分布，给空心钻柱加压的过程中，观看空心钻柱屈曲状态的变化由直线状态到开始发生正弦屈曲，然后是整体变成正弦屈曲状态，然后是空心钻柱的下端开始出现螺旋屈曲、上部仍保持正弦屈曲，接着会出现整体发生螺旋屈曲，到最后空心钻柱发生自锁。

基于上述步骤，通过控制变量法，改变多种条件参数，可以实现不同扩径/缩径程度下进行钻进，观测空心钻柱的变形情况，进而计算单位时间内的机械钻速，最终达到井眼变径(扩径或缩径)条件下对钻进的模拟。

综上所述，采用本发明实施例提供的一种变径井眼中屈曲管柱钻进评价方法，具有以下效果：

在一种结构简单、操作简便的模拟装置的基础上，通过控制系统对变径器的参数进行调整即可实现不同程度的扩径或缩径的模拟，操作简便，可行性良好，能够简便、快速、定量地评价井眼变径对钻进过程的影响。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。