基于多材质复合管柱的裸眼井壁支撑工艺及应用

已完钻超深裸眼水平井侧钻技术是经济、高效开发油藏剩余油的主要手段之一，传统的磨铣钢套管开窗侧钻技术存在下入摩阻大、磨铣耗时长导致开窗失败等问题。为此，提出了基于多材质复合管柱的超深水平井裸眼井壁支撑工艺，结合中国西北油田已完钻超深裸眼水平井井况，首先，提出了基于“铝合金+碳钢”的多材质复合管柱组合及设计方法；其次，开展了基于管柱实物屈曲实验数据的管柱临界屈曲载荷计算模型适用性评价，并优选出了适合于“铝合金+碳钢”多材质复合管柱的屈曲临界载荷计算模型；最后，研究了综合考虑管柱扭矩、摩阻、刚性、井眼条件、管柱强度及材质的多材质复合管柱下入性分析方法，并利用下入性分析软件对西北油田顺北X1井、X2井、X3井、X4井复合管柱进行了下入可行性评价。该方法在X1井和X2井得到成功应用，进一步论证了该工艺现场应用的可行性。研究成果可为超深水平井裸眼井壁支撑的复合管柱设计和下入可行性评价提供理论参考。     

深层水平井机械坐封过程力学精细描述

目前现场机械坐封井口悬重释放值的选取主要依赖经验。针对深层水平井,经验参数保守易造成封隔器受损,严重影响坐封效果和测试作业安全的问题。基于机械坐封原理,充分考虑井眼轨迹、管柱屈曲摩阻及管柱变截面的影响,结合三维软杆模型,建立了深层水平井机械坐封过程的管柱力学分析模型;将该模型应用于现场某深层水平井机械坐封悬重释放值的设计,计算结果与现场实测误差为7%,验证了模型的可靠性。参数敏感性分析表明：测试管柱轴向受载主要受管柱的井眼轨迹摩阻与屈曲摩阻影响;增大油套管环空间隙与有效轴向压缩力会使屈曲加剧;严重的屈曲将使管柱锁死,导致释放的悬重不能有效传递;封隔器位置决定了坐封阶段井眼轨迹导致的摩阻力大小,位置越靠近井底,管柱摩阻与屈曲摩阻将进一步增加,最终降低坐封效率。     

基于能量法的定向井中造斜段下凹管柱屈曲临界载荷分析

运用最小势能原理导出定向井造斜段下凹管柱屈曲载荷计算公式。以常见管柱参数为例,编制了相应的MATLAB程序,计算了不同条件下管柱屈曲临界载荷,分析了井眼曲率半径、平均井斜角、油套径向间隙对管柱临界屈曲载荷的影响。分析结果表明:定向井造斜段下凹管柱屈曲临界载荷随井眼曲率半径的增大呈指数递减趋势,随平均井斜角的增大而指数递增;管柱壁厚的增加会提高管柱抵抗屈曲变形的能力,但这种影响会随井眼曲率半径、油套管径向间隙的增大而减小。本文研究结果可为定向井射孔、试油、改造及完井投产管柱组合及下入提供参考。     

井眼轨道设计及监控软件的开发

WPMS井眼轨道设计及监控软件实现了井眼二维轨道和三维轨道设计模型的统一,轨道设计参数关系明确,剖面类型任意组合,采用解析法对设计参数精确求解,且能任意求解轨道设计参数,克服了以往在三维井眼轨道设计中利用数值法等难以求解的缺点,能在极短时间之内设计出合理的井眼轨道。满足定向井、水平井、侧钻井、分支井及多目标井等各种类型的井眼轨道设计和随钻轨道设计的需要。     

定向井中造斜段下凹管柱屈曲性能分析

在定向井的造斜段,由于井眼轨迹的下凹,位于其中的管柱在重力与井眼的约束下存在初始下凹弯曲。为了了解定向井造斜段管柱的屈曲性能,运用最小势能原理推导出定向井造斜段下凹管柱屈曲载荷计算公式,分析了井斜角、造斜段井眼曲率半径对管柱屈曲载荷的影响。算例分析结果表明,随井斜角的和井眼曲率的增大,管柱屈曲临界载荷增加,管柱的纵向稳定性提高。     

推靠式旋转导向井眼轨迹预测与控制方法

旋转导向钻井系统是现代导向钻井技术的发展方向。通过导向机构调节导向参数来预测和控制井眼轨迹,是旋转导向钻井系统的关键技术之一。为解决推靠式旋转导向钻具的导向力和工具面角对井眼轨道的控制问题,对导向力分别在井斜平面和方位平面进行解耦;并应用了纵横弯曲理论建立了底部钻具组合三维力学分析模型,得出了导向参数与钻头侧向力和转角的定量关系。在考虑钻头和地层的各向异性因素的影响下,利用在UPC模型基础上提出的有效钻力的概念,通过计算钻头有效钻力来预测实钻过程中的钻进趋势。在此理论基础上,计算了按设计的井眼轨道钻进所需要的导向参数,并讨论了井眼轨迹参数、钻压、钻头各向异性参数和地层参数对钻具导向性能的影响;分析了其中的规律,并得出只有综合考虑上述各项因素,才能准确计算出导向参数,确保钻头沿设计轨迹钻进,也为旋转导向井眼轨迹控制提供了理论依据。     

水平井下套管摩阻分析计算

通过分析带扶正器套管柱的受力与变形,导出了套管柱在水平井中的摩阻计算模型。模型考虑了管柱单元体的刚性效应及套管扶正器的影响,同时对实测井斜数据进行平滑和插值处理。在克拉玛依油田的试验水平井HW701中用该模型开发的软件预测了完井套管柱下入的摩阻力和井口载荷,预测结果与实测结果吻合较好。     

苏里格气田区小井眼二开水平井优化设计

小井眼二开水平井具有周期短、节省钻井成本的优点,但在钻进过程中会出现的井眼轨迹控制难、机械钻速慢、井壁易垮塌和易发生井漏等问题,针对上述问题对小井眼水平井进行井身结构设计、井眼轨道优化设计、钻具组合优选、钻井液配置。井身结构的设计采用自下而上的设计原则,确定井身结构为小井眼二开水平井,二开结构可以减少下钻次数,缩短钻井周期;井眼轨迹设计采用五段制中的“直-增-稳-增-水平”井眼轨道设计,增加稳斜段弥补造斜不足的问题;井眼轨迹的控制应用旋转导向钻井技术,提高井眼轨迹控制准确度;最后对钻井液进行研究分析,优选聚合物钻井液提高井壁稳定性。解决了井眼轨迹控制、机械钻速慢、井壁稳定问题。     

页岩气水平钻井延伸极限预测与参数优化

大位移水平井是页岩气开采的主要方式,其极限延伸的合理预测备受关注.针对涪陵地区的页岩气水平钻完井进行研究,借助钻井延伸极限预测模型,计算了不同工况下的钻井延伸极限,分析了钻机性能、钻具组合、井眼曲折度、钻井液密度等因素对钻井延伸极限的影响.结果表明,滑动钻进模式是约束水平段延伸的主要工况,当摩阻系数比较高时,螺旋屈曲锁死导致无法钻达设计井深;高井眼曲折度限制了井眼延伸长度,钻进作业中要尽量减少轨迹调整次数,保证轨迹平滑;此外,邻井压裂作业可能导致正钻地层压力上升,会降低钻井延伸极限,需要对钻井液密度进行优化.该研究对页岩气水平钻井的设计及施工具有重要指导意义.     

用可控偏心器控制井眼轨迹的方法研究

井控轨迹自动控制技术是钻井行业急待解决的最前沿课题,用可控偏心器可以实现井眼轨迹自动控制,提高井眼轨迹控制精度,降低钻井成本。可控偏心器是一种井下可调的、可采用转盘钻进方式的井下寻向工具,它由翼片体转轴、翼片体、翼片和测控总成组成,在钻井过程中,通过随时调节可控偏心器翼片对井壁的作用力或伸缩来实现对井眼轨迹的控制。在使用可控偏心器进行钻井作业时,不需要频繁起下钻就可以在井下实现对井眼轨迹的控制,这对高难度密集丛式井、各种曲率斜井、水平井、加密井和抢险井等在完成各自的钻井目的方面有重大意义和极其宽广的应用前景。     

水平井钻柱横向振动有限元分析

钻柱横向振动是引发钻井事故的主要原因之一,水平井由于井眼弯曲严重,钻柱偏心,容易发生钻柱横向振动。以水平井钻柱单元为研究对象,应用有限元法建立了考虑钻井液影响的钻柱横向振动方程,得出了钻柱横向振动频率数学模型,分析了钻井液和钻井液密度对钻柱横向振动频率的影响规律。编制频率计算程序,结果比较符合现场实际,为计算钻柱共振转速提供依据,减少钻柱剧烈横向振动发生。     

定向井的多层分注管柱串通过性分析

随着定向井注水层数增多,多层分注管柱串的通过性分析,是施工过程中确保油井安全、防止管柱失效的主 要方法,严重影响井下分注工艺的成功实施。以多个封隔器和配水器（5 个工具以上）组成的多层分注管柱串整体为分 析对象,充分考虑井眼轨迹、曲率、井径、地层摩阻、套管直径等因素的影响,采用力法和位移法,结合能量和动力学分 析方法,在三维空间下,分析管柱串与套管内壁之间的摩擦阻力与管柱串整体通过能力之间的关系,建立了一种可用 于定向井至水平井的多层分注管柱串在起下过程中的动态载荷和受力剖面模型,在井筒的最大曲率处,比较管柱串下 端的轴向作用力与摩擦阻力,从而实现对多层分注管柱的通过性分析。最后结合工程实例,对多层分注管柱串进行了 通过性和安全性分析,给现场作业提供了良好的工程指导。     

超深水平井钻柱动力学研究及强度校核

超深井钻井过程中钻具失效事故频繁发生,钻柱动力学特性研究对增加钻具安全性具有重要作用。考虑真实井眼轨迹、钻头与地层相互作用、钻柱与井壁接触及钻井液黏滞作用等因素的影响,建立了全井钻柱动力学特性仿真模型,模拟了不同钻压及转速下钻柱不同截面轴向力、扭矩、位移及等效应力等随时间的变化,采用第四强度理论计算了井口钻具的安全系数,校核了超深水平井钻具强度。分析结果表明,井口轴向力和等效应力表现为低频变化,MWD处等效应力和加速度表现为高频振动且其横向振动比轴向振动更加剧烈;在钻压和转速较小的情况下,钻压和转速对井口轴向载荷、井口扭矩、井口等效应力及井口安全系数影响不大;MWD处等效应力随钻压的增加而增大,其横向加速度随转速的增加幅值显著增大;对于井深超过8 000 m、井眼尺寸φ120.65 mm及φ114.3 mm的G105钻杆,动力学分析得到的井口安全系数大部分时间内在1.2附近波动,钻具总体是安全的。     

考虑连续特性的水平井钻柱轴向振动分析

为精确的描述水平井钻柱轴向受迫振动规律,本文以连续性波动理论为基础,考虑了钻柱连续特性、库伦阻尼及钻井液粘性阻尼作用和轴向振动工具对钻柱的位移激励,并采用等效粘性阻尼法对库仑阻尼进行线性化处理,建立了轴向振动工具作用下的水平井钻柱运动的动态解析模型;通过Burnett等人发表的轴向振动工具测试实验验证了本文所建模型,并利用数值模拟分析了轴向振动工具的频率及钻柱与井壁间摩擦系数对水平井钻柱轴向受迫振动的影响。结果表明：在一定范围内增加轴向振动工具的振荡频率可提高水平井钻柱的轴向受迫振动响应;钻柱与井壁间摩擦系数对水平井钻柱轴向受迫振动的影响随着钻柱长度的增加而降低。本文的研究方法和模型可为改善轴向振动工具在水平井作业中的作用提供理论指导。     

基于机械系统动力学自动分析水平井钻柱一井壁接触仿真分析水平井钻柱一井壁接触仿真分析

钻柱在高曲率、长水平段的水平井中与井壁接触状态十分复杂,接触状态又直接影响钻进过程中钻柱的摩阻扭矩,进而影响井的延伸极限。因而,较准确、全面描述全井钻柱系统与井壁的接触状态是保证钻柱摩阻扭矩分析结果可靠的前提。基于ADAMS软件,结合力平衡理论、Hertz接触理论和相似原理,建立了与真实测试试验装置具有一致钻井参数的水平井全井钻柱-井壁动态非线性接触模型,分析了全井钻柱接触力分布情况,研究了起钻速度、下钻速度、钻压和转速对接触的影响规律。结果表明：接触力峰值出现在弯曲段;起、下钻速度均对弯曲段钻柱接触状态影响明显,速度相同时起钻比下钻时接触力大;增加钻压可减小全井钻柱的平均接触力;钻柱旋转会在水平段中前部出现小幅密集接触。仿真结果为钻柱摩阻扭矩测试试验装置提供了合适的钻柱与井壁的接触力测量位置,便于利用该装置开展钻柱摩阻扭矩等相关研究。     

水平井眼中管柱变形方程的实验仿真

以已有的三维井眼中管柱正弦屈曲和螺旋屈曲行为分析模型软件为基础 ,根据物理相似原理 ,设计了井眼中管柱屈曲变形的小尺寸模拟实验装置 .通过改变管柱变形微分方程中包含的无因次轴力 β、无因交摩擦及数 γ1和无因次轴力分布系数 γ2 的值 ,利用该装置对管柱在水平井中的临界载荷、载荷传递效率、变形效应等进行模拟实验 .试验结果表明 :钻压传递、位移与载荷的实验结果与理论计算值之间的最大差值不超过 1 0 % ,临界屈曲载荷的理论值与实验值之差不超过 6% .本文的结果可为修正理论模型提供指导 ,使理论模型能更好地指导现场的油井管柱施工作业     

纵向强非均质性储层水平井提高油层钻遇率技术

水平井开发可以提高油藏单井产量和整体开发效益,但前提是水平井要获得较高的油层钻遇率。对于常规油藏水平井开发获得较高的油层钻遇率较为容易,但对于像ML油田长8油藏这种纵向强非均质性储层,难度较大,现场随钻跟踪工作也极为棘手。水平井开发主力层优选一般以定性化方法居多,定量化技术方法研究较少。从影响强非均质性储层主要测井参数的电阻率、声波时差等出发,结合水平井轨迹设计实际需求,提出了小尺度范围内储层纵向主力产层精细优选技术。2015年以来,水平井地质设计大规模应用定量化主力生产层段优选技术,在水平井水平段轨迹调整中,应用三维地质建模随钻跟踪和RDMS水平井随钻远程监控技术,在ML等油田矿场实践中获得了理想的应用效果。