现代井下钻井工具及旋转导向闭环钻井系统

大位移井和复杂井眼轨迹的控制须实现连续旋转井下闭环导向钻井 ,这一需求推动了井眼轨迹控制手段的提高 ,为此 ,探讨了适用于旋转导向闭环钻井的井下工具的发展概况 ,提出了比较可行的井下钻井工具发展和研究方向。研究结果表明 ,应重视旋转导向闭环钻井技术的发展 ,静态式可调偏量机构是井下闭环控制的主要方式 ,应采用直接侧向力法控制钻头轨迹。     

现代井下钻井工具及旋转导向闭环钻井系统

大位移井和复杂井眼轨迹的控制须实现连续旋转井下闭环导向钻井,这一需求推动了井眼轨迹控制手段的提高,为此,探讨了适用于旋转导向闭环钻井的井下工具的发展概况,提出了比较可行的井下钻井工具发展和研究方向。结果结果表明,应重视旋转导向闭环钻井技术的发展,静态式可调偏量机构是井下闭环控制的主要方式,应采用直接侧向力法控制钻头轨迹。     

涡轮钻井技术发展现状

本文概括了涡轮钻具和涡轮钻井技术的当代成就和发展前景。石油与天然气钻井正由陆地浅层向深层位及近海区发展,定向井、丛式井钻井日益普遍。在开发应用新技术方面,耐高转速、长寿命的PDC钻头和传递高质量信息的随钻随测技术日益普及。所有这些都为发展高速大功率井下动力涡轮钻井和连续控制井眼轨迹定向钻井技术提供了必要性和可能性。目前,涡轮/PDC钻井经济效益显著。“可控直井涡轮钻具井下控制造斜”为连续控制井眼轨迹定向钻井提供了理想的方法,不仅大大增加了定向钻井速度,降低了每米钻井成本,而且为优化钻井和实现钻井作业自动化创造了良好的条件。     

地质导向钻井技术的现场应用

地质导向钻井是以井下实际地质特征来确定和控制井眼轨迹的钻井技术。使用这一技术,可以精确地控制井下钻具命中最佳地质目标。新疆油田MBHW04水平井是国内第一口使用地质导向钻井技术的井。重点介绍了地质导向钻井技术的具体步骤及其在新疆油田MBHW04井中的应用情况,包括自然伽马测井资料的解释和应用。应用地质导向钻井技术,该井获得良好的油藏开发效果。     

浅谈复合钻井技术在油田的应用

复合钻井技术是采用滑动导向钻具组合进行钻井,可适时变更定向和开动转盘两种工况,连续完成定向造斜、绕障、增斜、稳斜、降斜及扭方位操作,而不用起钻变更钻具组合,就能快速钻出高质量的井眼轨迹,从而减少起下钻次数,提高钻井速度和精度。本论文从复合钻井技术特点出发,结合复合钻井技术在我国安塞油田和长庆油气田的应用现状,认为：（1）复合钻井技术的最大优点就是明显提高了机械钻井速度,采用复合钻井技术,可以使得轨迹控制简化,保证井眼轨迹圆滑,保障井身质量;（2）复合钻井技术能有效控制井斜,并提高井眼控制精度,实现连续控制井眼轨迹。     

井下可控变径稳定器工作机理及力学分析

石油钻井井眼轨迹控制是当今世界性技术难题之一,旋转导向钻井工具可控制井眼轨迹,但日租费昂贵,使用变径稳定器可有效解决该问题。针对目前国内可变径稳定器结构复杂、制造成本高等问题,设计了井下可控变径稳定器,详细介绍了工具的结构组成和工作原理。利用CAE技术对其关键部件进行力学分析;并利用CFD技术计算工具在三种工位时过流压降。综合考虑可变径稳定器受钻井液驱动力、节流套筒及导向体阻力、弹簧弹力等因素,对可调整支撑块进行力学分析,推导出可变径稳定器所受液压压降与工具直径的计算公式,同时实验论证该公式的合理性。该工具与防磨工具配套使用在钻井时可减少钻井时长,大大缩短钻井周期,降低钻井成本。     

闭环钻井由地面向井下通讯的一种实现方法

认为井眼轨迹井下闭环控制的地质导向钻井技术是集钻井、机械、电子、微电子、传感器、控制等技术于一体的高科技工程项目 ;井下闭环控制必需双向通讯通道 ,从井下到地面的上行通道已有现成的商品 ( MWD) ,而从地面向井下通讯的下行通道却无成熟的商品 .研究探讨下行通道的实现一种方法 :在地面按一定的规律对钻柱施加激励 ,井下检测激励造成的响应 ,通过一定的编、解码处理 ,即构成下行信号 .室内与油田试验证明 ,这种方法在正常的井况条件下可以实现信息传递 .     

闭环钻井由地面向井下通讯的一种实现方法

认为井眼轨迹井下闭环控制的地质导向钻井技术是集钻井、机械、电子、微电子、传感器、控制等技术于一体的高科技工程项目；井下闭环控制必需双向通讯通道，从井下到地面的上行通道已有现成的商品（MWD），而从地面向井下通讯的下行通道却无成熟的商品，研究探讨下行通道的实现一种方法：在地面按一定的规律对钻柱施加激励，井下检测激励造成的响应，通过一定的编、解码处理，即构成下行信号，室内与油田试验证明，这种方法在正常的井况条件下可以实现信息传递。     

井下随钻测量技术研究

在钻井过程中,定向钻井工作仪器没有实时监视系统,无法随时掌握井下钻具的去向,常常使得实际井眼轨迹偏离预定的轨迹,增加扭方位的次数,在井下形成较多的狗腿、给起、下钻造成一定的困难.同时,也增加了发生钻井事故的可能性。同样,由于使用前面的这三种仪器时,井眼轨迹总是后知的,这样,在井眼密度很大的丛式井中,往往难以避免打到已完钻的井眼中去,造成事故。     

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。     

定常情况下旋转射流中导向叶轮受力的理论计算

讨论了径向水平钻井技术的轨迹控制问题．运用环流理论（简化升力面理论）对旋转水射流中的导向叶轮在定常情况下的受力进行了理论分析和计算．结果表明，旋转叶轮受力计算的方法是可靠、有效的，适用于任何螺旋状的叶轮受力计算，如变厚度、变螺距、不规则几何形状的叶片等，同时还可以对叶轮进行辅助设计，并为水平井轨迹控制研究提供帮助；另外，该研究也为产生高效旋转的气蚀射流研究打下一定的理论基础．     

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。     

大港油田大位移钻井技术研究与实践

针对大港油田大位移井存在的摩阻和扭矩大、轨迹控制难度大、井壁稳定难度大、长裸眼段下套管难度大、井眼净化要求高等技术难点,研究制定了一套大位移水平井钻、完井技术。论述了大位移水平井实施中的井眼轨迹设计技术、导向钻井技术、漂浮下套管技术、高润滑强抑制的优质钻井液技术、摩阻扭矩预测及监测技术等,已钻成的3口大位移水平井的水平位移与垂深比大于2,其中庄海8Ng-H1井的水垂比为2.74,水平段732 m。实践证明,该套技术在大港油田是完全可行的。     

基于遗传算法的凿岩钻进系统自寻最优控制

现有凿岩台车大多不具备自寻最优凿岩参数功能,凿岩钻进速度难以达到理论设计的最大值。为获取最大凿岩钻速,分析了多种影响因素,从中筛选出主要的可控变量。根据其难以构建准确的数学模型、非线性、时变性的特点,引入遗传算法作为自寻优核心思想,并设计了相应的控制系统。经验证,这种控制方法可以使钻进速度较快收敛至最大值。与传统的控制方法相比,该控制方法可根据岩石硬度自动匹配最优凿岩参数,有效地提高凿岩速度,大大减少凿岩施工所需时间。对于同类的凿岩设备自寻优控制同样具有参考价值。     

钻井机器人偏心流道冲蚀实验及数值模拟研究

为解决大位移水平井连续油管钻井管柱屈曲的难题,提出了钻井液驱动的“钻井机器人+动力钻具”的连续油管钻井新方法。依据机器人外形尺寸、水力压耗、内部结构、加工制造等优化设计出了三段式偏心圆流道结构。提出了三段式偏心圆流道冲蚀分析方法,首先,建立了钻井机器人三段式偏心圆流道流固耦合冲蚀数值模型,分析了粒径参数、速度参数等对冲蚀速率的影响规律;其次,开展了钻井机器人偏心流道冲蚀实验,校准了钻井机器人三段式偏心圆流道流固耦合冲蚀数值模型;基于此进一步开展了钻井机器人三段式偏心圆流道数值仿真研究。研究表明,钻井机器人三段式偏心圆流道最佳倾角为5°,当流道壁厚5 mm时,偏心流道寿命超过300 h,满足一般井下工具的工作寿命要求;流道主要冲蚀点位置和冲蚀形态数值仿真与实验基本符合。研究为钻井机器人结构设计及工程化应用提供了理论依据,对促进连续油管钻井技术在大位移水平井的推广及应用具有重要的意义。     

机械式静态双层推靠自动垂直钻具设计

为满足小尺寸垂直钻探的作业要求,设计一种外径127 mm、具有双层推靠活塞的机械式静态自动垂直钻井工具。该垂直钻具不含独立的电子和液压系统,仅依靠偏重块在重力作用下自动偏向井眼低边的物理特性,带动环阀转动进而改变钻井液流道的开闭,使钻井液在钻具内部和环空中形成压差,驱动双层分布的8个活塞以相应的组合方式推向井眼高边,实现自动纠斜,维持井眼垂直。该钻具采用全新的环阀设计,避免常规盘阀较大的摩擦阻力,提高纠偏的灵敏度和精度,其推靠活塞为独特的双层分布,纠斜时有3个不同层的推靠活塞同时推出,可在较小的钻头压降下获得较大的推靠力和纠斜力矩,纠斜能力显著提升,而且不同层推出的3个推靠活塞形成稳定的三角结构,有效提升钻具的稳定性和可靠性。在钻具结构设计的基础上,对钻具偏心机构、推出机构的力学性能进行分析,并研究角接触球轴承的摩擦阻力对钻具纠斜行为的影响。结果表明:该自动垂直钻具的推靠合力是单个推靠活塞的1+2~(1/2)倍,理论上其纠斜精度仅在井斜角降至0.154°后才会受到影响,纠斜极限井斜角可达0.059°,具有很好的纠斜能力、纠斜精度和灵敏度,而且该钻具结构设计简单,造价及维护成本较低,其机械式的控制方式不受井下温度影响,具有很好的现场应用前景。     

旋转机械长历程偏心故障的数值与图形特征获取方法研究

研究采用采样点的波动稳定性描述偏心故障的程度,即通过对旋转机械长历程偏心故障数据采用信息融合、小波阈值降噪、数据压缩、构造特征方阵、计算特征值方差等方法获取故障的数值特征来描述偏心故障程度;利用小波分解获取低频时域信号和二维轴心轨迹方法探寻偏心故障劣化过程中在图形上的本质变化.应用这三种方法获取转子实验平台模拟的长历程偏心故障的数值与图形特征,结果显示,所获取的数值和图形特征均随着故障的劣化而单向变化,因此,三种方法均能够有效表征偏心故障劣化的过程和程度,具有较高的稳定鲁棒性.      

钻头与地层相互作用的三维宏观分析

本文较全面地考虑了地层因素及钻头结构因素的影响,通过正交变换,推导出钻头与典型地层相互作用的三维解答,即三维钻速方程,并给出了地层力和钻头异性力的概念。利用本文结果,并结合钻柱力学分析,便可对井眼轨迹进行预测和控制,又可反求地层因素等。     

复合钻头钻进过程的有限元模拟

设计了一种新型的“2+2”型牙轮PDC复合钻头（包括CL型和BL型两种结构）,并采用显式动力学有限元分析方法对两种结构的钻头钻进凝灰岩和花岗岩的物理过程进行了数值模拟。结果表明,CL型钻头适合于钻进较硬的地层,而BL型钻头适合于钻进较软的地层;两种钻头钻进硬岩时的牙轮切削齿轴向力均比钻进软岩时的牙轮切削齿轴向力大,在相同岩石中钻进时,CL型钻头比BL型钻头的牙轮切削齿轴向力大;PDC切削齿轴向载荷沿钻头径向的分布形态与刀翼的冠部形状相似,位于锥顶的切削齿轴向载荷最大;钻压在牙轮和刀翼上的分配与钻头的结构类型相关。