【摘 要】
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定向井、水平井及大位移井等复杂轨迹井的数量与日俱增,为解决复杂轨迹井滑动钻进易出现托压的技术难题,钻柱振动减摩阻技术得到了广泛关注和快速发展,但存在单个激振器作用范围有限,激振参数设定缺乏理论依据等问题。针对上述问题,同时为进一步提高滑动钻进的钻压传递效率,本文提出并开展了多点激振减摩阻机理研究。本文采用了理论分析和数值模拟相结合的方法,建立了考虑激振器多点双向激振、动静摩擦系数转换和钻头与地层相
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定向井、水平井及大位移井等复杂轨迹井的数量与日俱增,为解决复杂轨迹井滑动钻进易出现托压的技术难题,钻柱振动减摩阻技术得到了广泛关注和快速发展,但存在单个激振器作用范围有限,激振参数设定缺乏理论依据等问题。针对上述问题,同时为进一步提高滑动钻进的钻压传递效率,本文提出并开展了多点激振减摩阻机理研究。本文采用了理论分析和数值模拟相结合的方法,建立了考虑激振器多点双向激振、动静摩擦系数转换和钻头与地层相互作用的钻柱动力学模型以及有限差分求解格式。初步探索了多点激振载荷传递规律,分析了激振器数量、激振力幅值、激振频率、激振器间隔等因素对钻柱动力学特性、摩阻分布、钻压传递和机械钻速的影响规律,筛选了影响多点激振滑动定向钻进机械钻速的主控因素,为多点激振最优参数的选取提供依据。研究结果表明:(1)与单点单向激振模型相比,本文所建立的考虑激振器单点双向激振的钻柱载荷传递模型与现场实测井底钻压数据更加匹配;(2)与单点激振相比,本文所提出的多点激振思路能够获得更好的减摩阻和钻压传递效率,以相同的井底钻压为目标,多点激振所需要的激振力幅值和激振频率更低,可以避免出现钻柱局部应力过大的问题,提高钻柱疲劳寿命;(3)多点激振思路比单点激振思路的减阻方案更加灵活,根据不同激振器所处管段的摩阻大小,设置不同的激振器参数有效扩大减阻区范围,缓解钻柱摩阻分布不均问题;(4)激振力幅值和频率的大小会对井底钻压产生影响,激振器作用范围未超出摩阻区时,井底钻压随激振力幅值的增加呈近似线性增加趋势。随着激振频率的增加,井底钻压先升高后降低,存在最优频率,同时增加频率可能会导致井底钻压出现低频波动和高频振动的耦合现象,低频波动体现了钻柱的弹性送钻特性,高频振动体现了钻柱的振动送钻特性。实际应用多点激振技术时选择最优频率可以获得较高的钻压传递效率,控制激振器低频振动可以获得比较稳定的井底钻压;(5)激振器个数、激振器间距对钻压传递也会产生影响,激振器数量越多井底钻压和总减阻率越高,总减阻率与激振器数量呈非线性关系,但计算结果表明单激振器减阻效率的损失与激振器数量基本呈线性关系。激振器间距增加,井底钻压先升高后降低,存在最优间距。针对实际井况,本模型计算结果对最优激振器间距的选择可以提供参考。(6)各可控因素对机械钻速影响由大到小的顺序为:激振器个数>振幅>频率>间隔,通过增加激振器数量可以有效弥补低激振力幅值和频率对载荷传递的影响。多点激振也存在一些缺点,多个激振器可能会出现振动波干扰和减阻区重叠等互扰现象,激振器数量的增加也会提高成本和压耗,设计时需要综合考虑这些问题。
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