定向鉆井中，鉆頭和螺桿故障占起鉆前的一半以上。下面介紹一種技術(shù)方法，旨在優(yōu)化鉆頭、螺桿鉆具和井底鉆具組合的匹配，以降低失效風(fēng)險(xiǎn)并提高鉆井性能。整個(gè)工作流程包括每個(gè)復(fù)雜部件的詳細(xì)建模和算法，在系統(tǒng)級(jí)別內(nèi)有效地對(duì)其進(jìn)行組合，下面將一一介紹。
數(shù)據(jù)仿真技術(shù)
鉆頭仿真。在四維——三維空間及隨時(shí)間的瞬態(tài)行為中對(duì)鉆頭模型進(jìn)行建模。在四維有限元建模中，能對(duì)PDC鉆頭和反向循環(huán)鉆頭進(jìn)行建模。詳細(xì)的切削結(jié)構(gòu)模型包括確定切削齒的數(shù)量以及如何在三維切削齒空間內(nèi)布齒，必須正確模擬鉆頭切削齒和巖石的相互作用來模擬真實(shí)的工況。此相互作用的特點(diǎn)是對(duì)與切削齒相互作用的幾乎所有類型的巖石進(jìn)行室內(nèi)測(cè)試。
螺桿鉆具仿真。螺桿鉆具由多個(gè)部件組成，馬達(dá)總成包括定子/轉(zhuǎn)子組，負(fù)責(zé)將水利能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。轉(zhuǎn)子是運(yùn)動(dòng)的部件，靜止的定子是內(nèi)部粘結(jié)橡膠的金屬管。開發(fā)出優(yōu)化螺桿鉆具建模的工作流程，用來評(píng)估螺桿鉆具在任何鉆井條件下的性能和耐用性。模型包括性能、疲勞和滯后發(fā)熱模擬能力。在此工作流程的框架內(nèi)，技術(shù)人員使用三種模擬，結(jié)果之間存在相互關(guān)聯(lián)。
鉆柱模擬技術(shù)
正確的鉆柱模擬對(duì)成功評(píng)估鉆井性能和設(shè)備的可靠性至關(guān)重要。此研究中，鉆柱和井底鉆具組合的分析包括全面的有限元分析模型，還包括四維分析中對(duì)鉆井過程進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃矐B(tài)分析。此有限元模型使用六個(gè)自由度的三維梁?jiǎn)卧瑥你@頭到地面的所有部件。該模型考慮了影響鉆柱動(dòng)態(tài)性能的因素，可預(yù)測(cè)時(shí)域的瞬態(tài)響應(yīng)。此模型實(shí)現(xiàn)了井下驅(qū)動(dòng)工具的詳細(xì)工作機(jī)制和幾何形狀，來研究這些工具的動(dòng)態(tài)特征和定向性能。在對(duì)所有備選的井底鉆具組合進(jìn)行比較分析的基礎(chǔ)上，模擬結(jié)果為特定的應(yīng)用而開發(fā)并檢查集成的井底鉆具組合的解決方案提供了機(jī)會(huì)。
組合模擬和數(shù)據(jù)分析。以適當(dāng)和有效的方式組合鉆頭、螺桿鉆具、其它井底鉆具組合及鉆柱的詳細(xì)模型是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。機(jī)器學(xué)習(xí)用于從鉆頭、螺桿和其它井底鉆具組合中學(xué)習(xí)特定的輸入和輸出模式。完整的三維有限元分析動(dòng)態(tài)模型將使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法以確保在系統(tǒng)級(jí)別內(nèi)組合其它部件的效果前，能模擬每個(gè)獨(dú)立的部件。
典型輸出。此系統(tǒng)級(jí)建模提供了新功能，特別是它能通過評(píng)估、了解特定的或所有的鉆井參數(shù)對(duì)多方面造成的影響，對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的敏感性分析，并優(yōu)化這些參數(shù)。例如：可以在系統(tǒng)級(jí)分析中同時(shí)分析鉆井性能，部件的耐用性、穩(wěn)定性和可操作性。
現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
使用新方法模擬來自特拉華盆地作業(yè)者的鉆頭、螺桿鉆具和井底鉆具組合。作業(yè)者和服務(wù)公司都試圖提高81/2”水平段的鉆井性能。傳統(tǒng)的井底鉆具組合為螺桿鉆具驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，并配套使用六刀翼、主切削齒為16毫米的PDC鉆頭。先前的故障和可靠性問題歸咎于每次試圖提高鉆井效率時(shí)，馬達(dá)總成出現(xiàn)橡膠崩塊。圖1中顯示的是螺桿鉆具連續(xù)兩次下井使用時(shí)，出現(xiàn)橡膠損壞。挑戰(zhàn)來自如何設(shè)計(jì)包括鉆頭和螺桿的井底鉆具組合？不犧牲可靠性的同時(shí)，如何獲得高性能？如何推薦并實(shí)施有助于實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的鉆井參數(shù)。
模擬與分析。工作流程的策略是檢測(cè)多個(gè)井底鉆具組合，配置兩種不同的鉆頭選項(xiàng)和三種不同的螺桿鉆具馬達(dá)總成和鉆井參數(shù)（鉆壓/壓差、流量和每分鐘的地面轉(zhuǎn)速）。在規(guī)劃階段評(píng)估不同的選項(xiàng)，這包括兩個(gè)鉆頭、三種馬達(dá)總成（PS1、PS2 和 PS3），每個(gè)馬達(dá)總成的兩種不同的橡膠，以及每個(gè)橡膠的兩種不同的過盈配合。由于計(jì)算時(shí)間快，在較短的規(guī)劃階段內(nèi)評(píng)估了所有實(shí)例。除了這些選項(xiàng)外，還考慮了不同范圍的鉆井參數(shù)和鉆井工況。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)靈敏度分析的主要輸出分為三類：性能、耐用性和穩(wěn)定性，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)和分析。
鉆壓敏感性分析。螺桿鉆具的物理特征意味著增加鉆壓將使馬達(dá)總成產(chǎn)生更大的壓差，馬達(dá)總成提供的更大扭矩和更高的機(jī)械鉆速可轉(zhuǎn)化為更高的性能。關(guān)于穩(wěn)定性，增加鉆壓將降低疲勞壽命，增加滯后發(fā)熱，然而對(duì)大多數(shù)馬達(dá)總成而言，疲勞和滯后發(fā)熱則顯示較低的失效風(fēng)險(xiǎn)。關(guān)于穩(wěn)定性，增加鉆壓時(shí)，側(cè)向振動(dòng)值和軸向振動(dòng)值都會(huì)增加且達(dá)到較高水平；另一方面，粘滑較低且不代表高風(fēng)險(xiǎn)。
每分鐘地面轉(zhuǎn)速（SRPM）靈敏性分析。SRPM會(huì)顯著影響機(jī)械鉆速，還會(huì)增加穩(wěn)定性和耐用性的問題，將每分鐘地面轉(zhuǎn)速從110增加至140，只要選擇合適的馬達(dá)總成且流量值控制在合理的范圍內(nèi)，性能會(huì)提高6%，且不會(huì)顯著改變耐用性和穩(wěn)定性。
馬達(dá)總成的比較。對(duì)馬達(dá)總成靈敏性的分析如前所述，使用兩種橡膠及兩種過盈配合來評(píng)估三種不同的配置。PS3的機(jī)械鉆速最高，比PS2的機(jī)械鉆速高16%，比PS1的機(jī)械鉆速高26%。PS3的可靠性最強(qiáng)，然而關(guān)于穩(wěn)定性，PS3承受的軸向振動(dòng)略高。雖然R2的性能比R1低2%，但其穩(wěn)定性更強(qiáng)，疲勞壽命要高得多，且滯后溫度更低。雖然R2的疲勞壽命更高，但作業(yè)者和服務(wù)公司仍在第一口井使用R1，R1滿足要求。
第一口井所鉆的井段的機(jī)械鉆速比鄰井提高了51%，節(jié)省了2.7天的鉆井時(shí)間。下口井的所鉆井段的觸底機(jī)械鉆速比鄰井C提高了41%，轉(zhuǎn)盤下的鉆井時(shí)間節(jié)省了2.3天，這顯示了螺桿和鉆頭組合新方案的穩(wěn)定性。在隨后的另一口井，使用新螺桿和鉆頭在米德蘭盆地不到3.4天的時(shí)間內(nèi)，一趟鉆完成了2.4英里水平段的鉆進(jìn)，在格拉斯科克縣創(chuàng)造了在最短的時(shí)間內(nèi)，一趟鉆完成最長(zhǎng)水平段的鉆進(jìn)。
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