[发明专利]一种复杂结构井减摩阻及动力钻具工具面调整方法

摘要

本发明属于钻井技术领域，涉及一种复杂结构井减摩阻及动力钻具工具面调整方法，将整个原本纯滑动钻进的钻柱分为三部分，上部钻柱受地面钻井顶驱施加的扭矩作用做往复的旋转运动，中间钻柱受轴向振动减阻工具作用做轴向振动/蠕动，将钻柱与井壁之间的静摩擦转化为动摩擦，从而减小钻柱轴向送进的阻力，下部钻头处会产生轴向振动导致钻压出现波动，进而引发破岩扭矩和反扭矩发生波动，波动的反扭矩作用在靠近钻头的下部钻柱上，使其产生往复转动，从而起到减摩阻的效果；其操作方便，原理科学，能节省动力钻具工具面角调整的时间，并且在调整工具面的同时继续钻进，提高复杂结构井尤其是水平位移较长的复杂结构井的钻探效率，降低钻井成本。

主权项

1.一种复杂结构井减摩阻及动力钻具工具面调整方法，其特征在于在复杂结构井减摩阻及动力钻具工具面调整装置中实现，具体过程为：(1)定向井滑动钻进至一定井深后，准备起钻接入轴向振动减阻工具；起钻前测量钻头离底旋转、上提钻柱和下放钻柱三种工况下的大钩的载荷值和地面扭矩值以及离底旋转时的立管压力值Poff，然后根据大钩载荷和扭矩值拟合钻柱与井筒侧壁之间的摩擦系数，根据井深、井眼尺寸、摩阻大小选择轴向振动减阻工具的尺寸和结构，然后根据钻井液排量、钻柱尺寸、钻柱和井筒之间的摩擦系数计算轴向振动减阻工具的作用范围L米，在钻头上部(L/2+100)m处接入轴向振动减阻工具，预留的100m下部钻柱因反扭矩波动会做往复的扭转运动；(2)接入轴向振动减阻工具后，继续滑动钻进，并控制钻柱的下放速度使钻头离底旋转时的立管压力Poff与钻进时的立管压力Pon的差值ΔP保持在所选用动力钻具的工作压差范围内，当钻井液流经轴向振动减阻工具时，钻井液激发轴向振动减阻工具产生周期性的激振力，在激振力作用下钻柱做轴向振动/蠕动，由于钻柱与井筒壁面的摩擦力以及钻井液的阻尼作用，轴向振动/蠕动分别从轴向振动减阻工具向上、下传播产生两个振动能量消失的分界面第一分界面和第二分界面，轴向振动工具到第一分界面和第二分界面的距离由有限刚体模型计算得到；在第一分界面和第二分界面中间的钻柱段内，钻柱在轴向振动/蠕动的作用下，改善其与井壁的接触摩擦，将静摩擦转变为动摩擦，使该段钻柱的送进运动更容易；当复杂结构井的水平延伸距离大于2000m，钻柱送进的摩阻力很大，仅靠第一分界面和第二分界面中间段的钻柱振动/蠕动不能明显降低摩阻，此时，在地面使用顶驱，往一个方向旋转钻柱，直到被旋转钻柱的作用深度到达受轴向振动减阻工具作用做轴向振动/蠕动的钻柱段上部，通过有限刚体模型计算顶驱施加的旋转扭矩与被旋转钻柱的作用深度之间的对应关系，并根据顶驱输出的扭矩值判断被旋转钻柱的作用深度是否达到受轴向振动减阻工具作用做轴向振动/蠕动的钻柱段上部，记录此时的地面钻杆扭矩值；(3)改变地面旋转钻柱的方向，往反方向旋转，直到被旋转钻柱的作用深度到达受轴向振动工具作用做轴向振动/蠕动的钻柱段上部，判断方法如步骤(2)，记录此时的地面钻杆扭矩值；由于上部钻柱的转动，钻柱与井筒之间的摩擦将由静摩擦变为动摩擦，而且钻柱的旋转部分与井筒接触点的旋转转速远大于轴向送进的速度，根据摩擦力矢量分解原理，转动部分的钻柱所受的摩擦力将主要分解到旋转方向上，减小轴向送进的摩阻力；(4)随着钻井深度的延长，逐渐增加每次地面扭转钻柱的幅度，继续按照步骤(3)的方法旋转钻柱，同时平稳的控制钻柱下放速度保持钻压稳定，钻压是否稳定通过立管压力的波动观察；(5)弯外壳动力钻具的工具面角与设定值的平均偏差大于10°需要调整时，先通过钻柱振动的有限刚体模型模拟计算地面施加的旋转扭矩在钻柱中的传递，同时考虑轴向振动减阻工具对传递的影响，得到为改变工具面角地面需要施加的顺时针或逆时针旋转扭矩值的大小，在下一个地面扭摆周期内增大地面顺时针或逆时针旋转钻柱的幅度，直到达到数值模拟计算得到的扭矩值，然后反向旋转钻柱，反向旋转钻柱的幅度与上一个周期一致；等待半分钟后井下测斜短节MWD获得工具面角变化信息后上传到地面，根据工具面角变化值确定是否需要继续调整，如果需要，按照上述方法继续调整，整个调整过程通过地面控制计算机系统自动检测、计算和控制顶驱执行；(6)当滑动钻进需要转变为复合钻进时，逐渐增加地面顺时针旋转钻柱的扭矩值并逐渐减小逆时针旋转钻柱的扭矩值，最终使整个钻柱顺时针旋转，转换为复合钻井，实现复杂结构井减摩阻及动力钻具工具面调整。