超深井鑽柱非線性動力學及動態安全性基礎理論研究

《超深井鑽柱非線性動力學及動態安全性基礎理論研究》是依託上海大學，由狄勤豐擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：超深井鑽柱非線性動力學及動態安全性基礎理論研究
• 項目類別：聯合基金項目
• 項目負責人：狄勤豐
• 依託單位：上海大學

中文摘要

深層油氣勘探開發已成為我國油氣發展的重大需求，超深井鑽井數量快速增加，但相應的超深井鑽柱動力學和動態安全性評價等基礎理論缺乏，導致鑽柱失效、鑽井時效差等問題突出。針對上述問題擬開展以下研究：綜合考慮超長細比和雙重非線性特徵，建立超深井鑽柱動力學模型，研究超深井鑽柱動力學特性快速求解方法；綜合考慮鑽柱動態應力和碰撞效應，研究超深井鑽柱動態安全性評價方法，形成鑽柱結構參數和施工參數最佳化設計方法；充分考慮超深井載荷的複雜性，研究鑽具接頭螺紋牙嚙合面之間存在的粘滯-微滑動-粘滯的力學行為，探明鑽具接頭疲勞失效機制，形成鑽具接頭極限工作扭矩的預測方法；研究大位移井鑽柱偏心環空井筒內鑽井液、岩屑、鑽具、井筒的複雜耦合作用機制，探明岩屑床清除機理，最佳化高效率岩屑床清除鑽桿(EHCDP)的安裝位置。項目通過上述關鍵基礎問題的研究並取得原創性突破，將為我國深層油氣安全高效鑽井提供關鍵理論基礎和科學依據。

結題摘要

針對超深井控斜、提速和安全鑽井卡脖子難題，項目組開展了大量研究，完成了預定任務，取得了預期成果。研究工作主要包括四個方面:（1）建立了超深井鑽柱雙重非線性動力學模型、提出了結合直梁和曲梁單元的節點疊代快速求解方法，實現了超8000m鑽柱動力學特性分析；研究了PDC鑽頭扭矩的速度弱化效應模型和考慮軸向振動和粘滑特徵的鑽頭綜合激勵模型，實現粘滑和渦動特徵的統一模擬；測試了超深井鑽柱振動特徵，分析了鑽壓、地面轉速對鑽柱粘滑振動的影響，以及粘滑振動對渦動的影響。（2）研發了超深井鑽柱動態安全性仿真平台，實現了鑽柱結構參數和施工參數最佳化；結合加權餘量法和有限元方法，提出了一種帶井下特殊工具BHA橫向振動回響的快速求解方法；研究了超深井預彎曲動力學控斜方法，在川深1、順北蓬1井與順北鷹1等8000m以上超深井以及頁岩氣水平井進行了套用，並解決了塔里木油田巨厚礫石層氣體鑽井井斜控制難題。（3）研究了鑽具接頭絲扣力學特性計算精度和計算效率的影響因素，形成快速求解方法；研究了複雜載荷作用下鑽具接頭材料微損傷演化規律和破壞機制，形成了考慮井眼曲率和軸向拉伸載荷影響的鑽具接頭極限工作扭矩預測方法和鑽具接頭力學特性數值仿真平台。同樣基於有限元方法，研究了超深井鑽柱對套管的碰磨特徵，形成了套管磨損可視化表征方法；研究了偏磨油套管本體和接頭強度的影響，提出了偏磨套管的破裂強度準則和套管特殊螺紋接頭的密封機理。（4）研究了大位移井高效岩屑床清除鑽桿工作機制，最佳化了岩屑床高效清除鑽桿的螺旋槽結構特徵，形成了高效率岩屑床清除鑽具的合理安裝位置設計和岩屑床清除效率評價方法。 通過對以上關鍵問題開展系統深入的研究，形成了先進的超深井鑽柱動力學理論成果，並在中石化超深井、四川頁岩氣，中石油塔里木油田開展了現場套用，取得了明顯的控斜、提速和安全鑽井效果。本研究成果可為深層和深海油氣資源勘探開發中的安全提速鑽井提供理論基礎。