近钻头井下钻具运动特征及异常状态分析方法

王超 李军 柳贡慧 张涛 徐小峰

王超, 李军, 柳贡慧, 张涛, 徐小峰. 近钻头井下钻具运动特征及异常状态分析方法[J]. 石油钻探技术, 2018, 46(2): 50-57. doi: 10.11911/syztjs.2018026
引用本文: 王超, 李军, 柳贡慧, 张涛, 徐小峰. 近钻头井下钻具运动特征及异常状态分析方法[J]. 石油钻探技术, 2018, 46(2): 50-57. doi: 10.11911/syztjs.2018026
WANG Chao, LI Jun, LIU Gonghui, ZHANG Tao, XU Xiaofeng. An Analytical Method for Determining the Motion Characteristics and Abnormal Conditions of Near-Bit Bottom Hole Assembly[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2018, 46(2): 50-57. doi: 10.11911/syztjs.2018026
Citation: WANG Chao, LI Jun, LIU Gonghui, ZHANG Tao, XU Xiaofeng. An Analytical Method for Determining the Motion Characteristics and Abnormal Conditions of Near-Bit Bottom Hole Assembly[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2018, 46(2): 50-57. doi: 10.11911/syztjs.2018026

近钻头井下钻具运动特征及异常状态分析方法

doi: 10.11911/syztjs.2018026
基金项目: 

国家自然科学基金重点项目"控压钻井测控理论及关键问题研究"(编号:51334003)、国家自然科学基金重点项目"深水油气钻采井筒压力控制基础研究"(编号:51734010)、国家科技重大专项"井下安全多测点识别与分析系统研究"(编号:2016ZX05020-003)和国家自然科学"基于模型预测控制理论与状态机架构的控压钻井压力控制方法研究"(编号:51374223)联合资助。

详细信息
    作者简介:

    王超(1991-),男,湖北公安人,2015年毕业于长江大学石油工程专业,在读博士研究生,主要从事油气井力学与控制方面的研究工作。

  • 中图分类号: TE21

An Analytical Method for Determining the Motion Characteristics and Abnormal Conditions of Near-Bit Bottom Hole Assembly

  • 摘要: 目前利用相关理论模型并结合地面录井参数分析井下钻具运动特征及异常状态的方法不够准确。基于快速傅里叶变换理论和PDC钻头牙齿受力方程,建立了井底钻具运动特征的分析方法;根据一维不稳定流动理论,结合加速度理论,建立了井底异常状态的分析方法。理论分析结果与现场试验数据吻合较好。理论分析及实测结果表明:在实测井段中,滑动钻进时井底各工程参数的频谱图中存在与螺杆转子相同转动频率的主频,旋转钻进时井底各工程参数的频谱图中存在2个主频,一个与螺杆转子的转动频率相等,另一个与钻柱的转动频率相等;井底钻具阻卡后,管内压力出现第一个压力峰值的时间是环空压力出现第一个压力谷值时间的2倍,同时扭矩及振动传感器读数变化剧烈。研究表明,利用井底工程参数频谱图的主频特征可以区分滑动钻进与旋转钻进阶段,同时可获得井底钻具及螺杆的转动状态;利用管内压力、环空压力、扭矩及加速度传感器的读数变化特征可判断井下是否出现异常。建立的分析方法可为安全快速钻井及井下专家系统的建立提供理论参考。
  • [1] 刘清友,黄本生.牙轮钻头横向振动模型的建立及求解[J].天然气工业,2001,21(4):55-56. LIU Qingyou,HUANG Bensheng.Establishment of lateral vibration dynamic model of roller cone rock bit and its solution[J].Natural Gas Industry,2001,21(4):55-56.
    [2] 刘清友,马德坤,钟青.钻柱扭转振动模型的建立及求解[J].石油学报,2000,21(2):78-82. LIU Qingyou,MA Dekun,ZHONG Qing.A drilling string torsional vibration model and its solution[J].Acta Petrolei Sinica,2000,21(2):78-82.
    [3] 韩加庚,汪海阁,林玥翔,等.基于地表数据的井下振动识别与控制[J].石油钻采工艺,2016,38(2):144-150. HAN Jiageng,WANG Haige,LIN Yuexiang,et al.Identification and control of downhole vibration based on surface data[J].Oil Drilling Production Technology,2016,38(2):144-150.
    [4] 吴斌,吴丰,李建龙,等.随钻振动和冲击参数监测在钻井过程中的应用[J].断块油气田,2015,22(1):113-115. WU Bin,WU Feng,LI Jianlong,et al.Application of vibration and shock parameter monitoring while drilling in drilling process[J].Fault-Block Oil Gas Field,2015,22(1):113-115.
    [5] 滕学清,狄勤丰,李宁,等.超深井钻柱粘滑振动特征的测量与分析[J].石油钻探技术,2017,45(2):32-39. TENG Xueqing,DI Qinfeng,LI Ning,et al.Measurement and analysis of stick-slip characteristics of drill string in ultra-deep wells[J].Petroleum Drilling Techniques,2017,45(2):32-39.
    [6] DYKSTRA M W,CHEN D C-K,WARREN T M,et al.Experimental evaluations of drill bit and drill string dynamics[R].SPE 28323,1994.
    [7] MACPHERSON J D,JOGI P,KINGMAN J E,et al.Application and analysis of simultaneous near bit and surface dynamics measurements[R].SPE 39397,1998.
    [8] 李田军.PDC钻头破碎岩石的力学分析与机理研究[D].武汉:中国地质大学(武汉),2012. LI Tianjun.Mechanical analysis and fragmentation mechanism of PDC bits drilling rock[D].Wuhan:China University of Geosciences(Wuhan),2012.
    [9] 田家林,刘刚,杨琳,等.增强造斜易控性的新型PDC钻头工作特性[J].石油学报,2015,36(7):882-889. TIAN Jialin,LIU Gang,YANG Lin,et al.Characteristic of new-style PDC bit with whipstocking controllability[J].Acta Petrolei Sinica,2015,36(7):882-889.
    [10] KOVALYSHEN Y.A simple model of bit whirl for deep drilling applications[J].Journal of Sound and Vibration,2013,332(24):6321-6334.
    [11] PERNEDER L,DETOURNAY E,DOWNTON G.Bit/rock interface laws in directional drilling[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Science,2012,51:81-90.
    [12] 程乾生.数字信号处理[M].北京:北京大学出版社,2012:29-90. CHENG Qiansheng.Digital signal processing[M].Beijing:Peking University Press,2012:29-90.
    [13] 苏义脑.螺杆钻具研究及应用[M].北京:石油工业出版社,2001:11-40. SU Yinao.Research and application of screw drilling tools[M].Beijing:Petroleum Industry Press,2001:11-40.
    [14] 谭春飞.深井超深井涡轮钻具复合钻井提高钻速技术研究[D].北京:中国地质大学(北京),2012. TAN Chunfei.The ROP technical research on turbo-drill composite drilling in deep ultra-deep well[D].Beijing:China University of Geosciences(Beijing),2012.
    [15] 左运峰,周文华,檀惊涛,等.降低螺杆钻具失效的现场技术措施[J].石油钻采工艺,2009,31(增刊2):36-38. ZUO Yunfeng,ZHOU Wenhua,TAN Jingtao,et al.Technical field measures to reduce screwdrill failure[J].Oil Drilling Production Technology,2009,31(supplement 2):36-38.
    [16] 樊洪海.实用钻井流体力学[M].北京:石油工业出版社,2014:302-320. FAN Honghai.Practical drilling fluid mechanics[M].Beijing:Petroleum Industry Press,2014:302-320.
    [17] 孔祥伟,林元华,邱伊婕,等.钻井泥浆泵失控/重载引发的波动压力[J].石油学报,2015,36(1):114-119. KONG Xiangwei,LIN Yuanhua,QIU Yijie,et al.Fluctuating pressure caused by runaway/overload of mud pump in drilling operations[J].Acta Petrolei Sinica,2015,36(1):114-119.
    [18] BACON W A.Consideration of compressibility effects for applied-back-pressure dynamic well control response to a gas kick in managed pressure drilling operations[D].Arlington:University of Texas,2011.
    [19] 刘伟,周英操,王瑛,等.井下振动测量、分析原理研究[J].石油钻采工艺,2012,34(1):14-18. LIU Wei,ZHOU Yingcao,WANG Ying,et al.Study on downhole vibration measurement and analysis theory[J].Oil Drilling Production Technology,2012,34(1):14-18.
    [20] 狄勤丰,平俊超,李宁,等.钻柱振动信息测量技术研究进展[J].力学与实践,2015,37(5):565-579. DI Qinfeng,PING Junchao,LI Ning,et al.Progress in measurement technology for drill string vibration[J].Mechanics in Engineering,2015,37(5):565-579.
    [21] 高德利,高宝奎,耿瑞平.钻柱涡动特性分析[J].石油钻采工艺,1996,18(6):9-13. GAO Deli,GAO Baokui,GENG Ruiping.Analysis of drillstring whirling[J].Oil Drilling Production Technology,1996,18(6):9-13.
    [22] 王珍应,林建,施太和,等.钻柱振动特性分析与井底岩性识别方法初探[J].钻采工艺,2000,23(6):1-3. WANG Zhenying,LIN Jian,SHI Taihe,et al.Analysis of vibration property for drilling string and discussion on recognition method of bottomhole lithology[J].Drilling Production Technology,2000,23(6):1-(3.)
    [23] DUNAYEVSKY V A,ABBASSIAN F,JUDZIS A.Dynamic stability of drillstrings under fluctuating weight on bit[J].SPE Drilling Completion,1993,8(2):84-92.
    [24] 苏义脑.水平井螺杆钻具的受力特征[J].石油钻采工艺,1999,21(1):6-15. SU Yinao.Characteristic of force applied on positive displacement drill in horizontal drilling[J].Oil Drilling Production Technology,1999,21(1):6-15.
  • [1] 陈会娟.  井下钻柱振动信号的测量及振动激励源研究, 石油钻探技术. doi: 10.11911/syztjs.2021011
    [2] 毛新军, 曹植纲, 陈超峰, 胡广文, 封猛, 咸玉席.  高产井地层特征的热流耦合温度反演新方法, 石油钻探技术. doi: 10.11911/syztjs.2020062
    [3] 席鹏飞, 杨明合, 郭王恒, 石建刚.  基于声波时差数据波动性识别异常压实地层的方法, 石油钻探技术. doi: 10.11911/syztjs.2019136
    [4] 高书阳, 豆宁辉, 林永学, 柴龙, 刘锐.  川渝地区龙马溪组页岩储层水化特征评价方法, 石油钻探技术. doi: 10.11911/syztjs.2018089
    [5] 郭贤伟, 汝大军, 王海岩, 杨春, 刘郅轩, 郝楠.  BH-VDT垂直钻井工具异常脉冲信号分析研究, 石油钻探技术. doi: 10.11911/syztjs.2018044
    [6] 滕学清, 狄勤丰, 李宁, 陈锋, 周波, 王敏.  超深井钻柱粘滑振动特征的测量与分析, 石油钻探技术. doi: 10.11911/syztjs.201702006
    [7] 李玮, 赵欢, 李思琪, 李立, 孙文峰.  页岩裂缝网络的几何特征二维表征及连通性分析, 石油钻探技术. doi: 10.11911/syztjs.201706013
    [8] 彭齐, 樊洪海, 刘劲歌, 韩付鑫, 付随艺.  起下钻过程中井筒稳态波动压力计算方法, 石油钻探技术. doi: 10.11911/syztjs.201604007
    [9] 李勇华, 杨锦舟, 杨震, 孙晨皓, 余福春.  随钻电阻率地层边界响应特征分析及应用, 石油钻探技术. doi: 10.11911/syztjs.201606019
    [10] 狄勤丰, 靳泽中, 王涛, 陈锋, 王文昌.  复杂载荷条件下钻具接头台肩作用机理研究, 石油钻探技术. doi: 10.11911/syztjs.201604006
    [11] 马明学.  基于SRK状态方程的页岩气密度计算新方法, 石油钻探技术. doi: 10.11911/syztjs.201606017
    [12] 史玉才, 管志川, 张欣, 张文斌.  使用螺杆钻具条件下钻井水力参数优化设计方法, 石油钻探技术. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2014.02.007
    [13] 余夫, 金衍, 陈勉, 牛成成, 李晓益.  异常高压地层的纵波速度响应特征分析, 石油钻探技术. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2014.02.005
    [14] 任美鹏, 李相方, 马庆涛, 史富全, 牛蕴.  起下钻过程中井喷压井液密度设计新方法, 石油钻探技术. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2013.01.005
    [15] 管志川, 刘永旺, 魏文忠, 薄和秋, 徐依吉, 史玉才.  井下钻柱减振增压装置工作原理及提速效果分析, 石油钻探技术. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2012.02.002
    [16] 张桂林, 董明键.  HF203井井喷及强行下钻压井方法, 石油钻探技术. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2011.03.013
    [17] 姚永汉, 狄勤丰, 朱卫平, 胡以宝, 王文昌, 姚建林.  底部钻具组合的涡动特征分析, 石油钻探技术. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2010.04.021
    [18] 祝效华, 蒋祖军, 童华, 张杰.  气体钻井钻具失效因素与机理分析, 石油钻探技术.
    [19] 邓 旭, 刘明尧, 马宏伟, 杨伯阳.  井下管柱状态测试短节的机械结构设计, 石油钻探技术.
    [20] 邓 旭, 刘明尧, 马宏伟, 陈晓军, 黄治湖.  井下管柱状态检测系统的研制, 石油钻探技术.
  • 加载中
计量
  • 文章访问数:  1477
  • HTML全文浏览量:  34
  • PDF下载量:  2045
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2017-10-23
  • 刊出日期:  1900-01-01

目录

    /

    返回文章
    返回