直井防斜打快技术分析

钻井过程中影响井斜的因素很多,且井斜给钻井、完井等作业带来一系列的危害,并造成巨大损失。针对复杂深井钻井中多次出现井斜问题,目前在现场使用较多的除钟摆钻具和满眼钻具防斜技术外,主要发展了偏轴钻具防斜技术、螺杆钻具配合PDC钻头防斜技术等,但总体来看在直井防斜打快方面进展不大。国外近年来则研制了VDS、SDD、VertiTrak、PowerV等具有主动防斜能力的自动化井斜闭环控制系统,成功地解决了高陡构造、断层、盐层等情况下钻进时的井眼质量问题。复杂构造地区井斜问题非常普遍,因此应尽快开展新型防斜打快理论研究,研制新型工具和工艺技术势在必行。     

预弯曲钻具组合在软硬交错地层的应用

油气井的防斜打快问题是石油钻井面临的一大难题。川西地区中浅部地层岩性软硬交错程度显著,导致钻井易井斜的问题,前期主要通过国外垂钻系统解决该问题,钻井成本高。预弯曲钻具组合是一种低成本防斜打直技术,但是在软硬交错地层的应用尚缺乏科学的适用性评价方法。提出了一种考虑地层软硬交错特征及地层倾角影响的易斜地层预弯曲钻具选择方法,实现了软硬交错地层的造斜力计算,进而选择能提供相当防斜力的预弯曲钻具组合进行防斜应用。分析结果表明,在川西地区,地层倾角小于25°、软硬交错指数小于3时,预弯曲钻具组合可以提供足够的防斜力。应用该技术进行了现场应用,预弯曲钻具组合取得了较好的防斜提速效果,证明这种评价方法力学原理明确,模型准确可靠,应用简单,可以为软硬交错易斜地层低成本防斜打快技术提供可靠参考。     

防斜打快技术在准噶尔盆地石炭系地层的试验应用

准噶尔盆地石炭系地层倾角大,岩石可钻性差,不易控制井斜。在优选多种防斜打快技术的情况下提出了螺杆加PDC钻头复合钻井技术控制井斜和提高石炭系机械钻速。结果表明,复合钻井技术在石炭系可用于纠斜后采用原钻具直接稳斜钻井,能够达到稳定井身结构,提高机械钻速的目的。     

偏轴钻具组合防斜打快的强度分析

针对偏轴防斜打快技术中所用的钻具组合的受力状态复杂,对整个钻柱系统的安全性有较大影响的问题,考虑安全、有效的钻井施工特别需要对偏轴接头及接头附近的钻铤强度进行分析,找出钻具组合的危险点,以便于校核钻具组合的强度和改进偏轴钻具组合的结构设计的实际。以下部钻柱为研究对象,将钻头以上部分分成多个梁单元,进行结构离散,建立力学模型,采用有限元分析方法,进行偏轴接头强度分析。研究表明,偏轴钻具防斜钻具组合的最大复合应力发生在偏轴接头与下部钻铤的结合部位,主要由弯曲载荷和轴向力产生。在应力最危险部位,应特别注意钻具的强度安全问题。     

随钻扩眼钻井钻进趋势影响因素

以钻进趋势角作为评价指标,对使用随钻扩眼工具进行钻进时的钻进趋势进行了分析.结果表明:对于偏心扩眼钻头,钻压分配比在一定条件下能够改变钻具的钻进趋势,因此在钻具组合设计中不能按照常规钻头来对待;对于钻具组合设计,将扩眼体位于井眼高边时是否满足防斜要求作为设计依据;对于独立结构扩眼器,钻压分配比的变化通常对钻具钻进趋势的影响较小,独立结构扩眼器的防斜主要依赖于领眼钻头与扩眼器之间稳定器位置的调节.     

非正常井眼对气体钻井下部钻具受力影响研究

提出了气体钻井中有井壁坍塌的非正常井眼下部钻具受力影响的研究,根据现场井眼坍塌形状,将该非正常井眼简化为椭圆截面的坍塌井眼,建立了下部钻具有限元分析的力学模型,开发了其有限元分析的ANSYS-APDL程序,可以方便地对钻具进行有限元力学分析。研究了4种非正常井眼情况下,下部钻具的受力情况,得到了钻具在坍塌井眼附近的变形位移、钻具弯矩、钻具内的应力分布大小以及钻头的偏转角等,为气体钻井坍塌井眼的井斜机理研究提供了研究方法和为其防斜打快提供了理论依据。     

气体钻与泥浆钻全井段钻柱动力学对比研究

全井段钻柱在井内运动过程是一个非常复杂的非线性动力学问题,不可能得到比较完美的解析解,如果采用室内试验或者现场试验研究,其成本又会很高且很难实现。因此,在弹塑性力学、岩石力学和钻柱力学的基础上,以四川某井基本钻井参数和钻具组合为依据,采用有限元法建立了塔式钻具钻至1486m井深时的全井段三维钻柱模型和相应的井筒模型,并且建立了钻头与岩石以及钻柱与井筒之间的随时间变化且有摩擦系数的接触关系和相对应的泥浆钻井模型,对比分析了钻柱在动态钻进过程中的井口参数、钻头上压力和转动速度以及全井段钻柱的弯矩扭矩变化等结果,得出气体钻井与泥浆钻井全井段钻柱的运动规律以及钻铤失效机理的差异。为认识气体钻井全井段钻柱的运动规律提供了新的研究方法,对气体钻井中钻柱力学、井斜控制和设备等方面的研究都有较好的现实意义。     

气体钻水平井稳定器安放位置与井斜控制研究

针对XS–001H 气体钻井水平井段的井眼轨迹控制问题,建立了全井段水平井井斜控制的有限元模型,该有限元模型可以任意调整水平段钻具组合参数和稳定器的安放位置来进行井斜控制的力学机理研究。重点研究了钻铤钻具组合、无磁抗压缩钻杆钻具组合、稳定器不同安放位置与井斜控制的力学机理和关系,并得到了相应钻具组合下,钻头侧向力与稳定器间距的定量关系曲线,不同钻具组合在水平段的最大挠度与稳定器的变化关系曲线,这些结果为气体钻水平井段的井斜控制提供了定量的理论数据,并得到了现场应用。     

倒装钟摆钻具组合设计方法

倒装钟摆钻具组合是一种新型的直井防斜钻具组合,在小井斜角高钻压下表现出了较好的防斜特性。以311.5mm井眼为例对倒装钟摆钻具组合的设计方法进行了研究。通过对稳定器上下钻铤尺寸搭配以及不同钟摆长度的分析可知,适当增加稳定器以上钻铤尺寸,降低稳定器以下钻铤尺寸以及增加稳定器与钻头之间钻铤的长度将有助于提高倒装钟摆钻具组合的防斜能力。倒装钟摆钻具组合设计时,在钻头与稳定器之间的钻铤不与井壁接触的前提下,应该使设计的钻具组合得到尽量大的钻头转角。研究为倒装钟摆钻具组合的优化设计提供依据。     

复合钻井技术在塔木察格易斜区块应用效果浅析

对塔木察格区块地质结构进行了调研分析。明确易斜地层为大漠拐河组合南屯组。运用有限元法对底部钻具组合进行了屈曲分析和优化。实践表明在易斜地层实施复合钻井技术,防斜、打快的效果明显。     

砂体顶面微构造对水平井轨迹设计的影响研究

通过总结大庆老区水平井的轨迹设计和钻井实践得出 :影响砂体顶面微构造预测精度的因素包括沉积微相、沉积单元界限、补心海拔的测量精度和直井井斜等 .对大庆老区 2口代表性水平井的微构造研究的对比分析揭示出 :因地质、井网条件不同造成的微构造预测精度影响水平井的设计、钻井、施工等 ;砂体顶面微构造的预测精度决定了大庆老区水平井轨迹设计的可行性和钻水平井的成功率     

深井/超深井双作用强侧切开窗钻头研究

针对深井/超深井套管开窗侧钻中套管壁厚且强度高、岩石可钻性差、钻头切削齿极易先期钝化导致的开窗效率低/开窗失败的问题,创新性地设计了一种双作用强侧切开窗钻头。设计中考虑了开窗钻头钻进的稳定性及载荷分布的均匀性,钻头冠部设计为内锥双圆弧面和柱面,采用"等切削、等功率与等磨损"布齿理念和"螺旋高低交错"布齿规律,既能满足高效侧切金属又能快速切削岩石的设计目标;通过专有加工工艺技术的研究,完成了该新型开窗钻头的加工制造,并进行了现场应用。现场实际应用结果表明,与传统磨铣式铣锥开窗相比,研制的双作用强侧切开窗钻头由于采用了优化的布齿设计,钻头轮廓剖面扁平、切削面较短、横纵比较小,在窗口处有较强侧切力,切削套管产生的铁屑为大片状,效率提高了2.6倍以上,节省了窗口形成的施工时间和施工成本,能很好地适应深井/超深井硬地层的开窗侧钻作业。     

偏轴钟摆钻具组合力学特性分析

运用纵横弯曲连续梁理论和达朗伯原理 ,建立了偏轴钟摆钻具组合动力学分析模型。该模型能够用于求解钻头处的侧向力和转角以及偏轴接头处的侧向力 ,以评价钻具组合的防斜 (纠斜 )能力和偏轴接头附近的偏磨程度。计算结果表明 ,适当降低钻压或提高转速 ,有利于纠斜 ;增加偏轴接头偏心距或将偏轴接头位置上移 ,有利于纠斜 ,但不利于控制钻铤 (或接头 )偏磨 ;扶正器位置上移基本上不利于纠斜 ,也不利于控制钻铤 (或接头 )偏磨 ;偏轴接头处存在较大的接触力时 ,适当调整钻井参数或钻具结构能够避免或减轻钻铤偏磨     

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。     

徐深气田火成岩储层岩石可钻性分布规律研究

大庆油田火成岩地层是世界级难钻地层,钻进过程中该地层岩石表现为可钻性值极高,地层与钻头适应性差。预先评价未打开地层的岩石可钻性分布规律,对钻井施工提供指导是有实际意义的。本文以随机分形理论为基础,先应用分形维数解释模型计算岩屑取样点的岩石可钻性,再应用分形插值理论建立井间地层岩石可钻性预测模型,两模型的结合使用实现了井间岩石可钻性分布规律的评价,经过现场的应用验证,该方法能够有效的再现岩石可钻性的分形分布规律,预测准确,满足工程精度要求。     

钻软硬交错地层时钻头弯矩及转角的计算方法

本文详细地分析了从软地层钻入硬地层前后,钻头上产生弯矩的原因及计算方法。根据软硬地层的可钻性不同,钻速及相应的地层对钻头的反作用力也不同的原理,推导了在钻过交界面前后钻头的转角、钻具的反力矩及软硬地层中不同钻速与时间的关系式及微分方程,给出了方程的解。求解结果表明,钻头的转角和弯矩是随时间的延长而逐渐增大,在全部钻完交界面时达到最大值;钻头弯矩与交错层的可钻性、下部钻具的结构和钻头的几何尺寸有关,并且与所加的钻压成正比。     

准噶尔南缘深井机械比能分析与钻井参数优化

准噶尔盆地南缘深部地层具有埋藏深、岩石抗压强度高、可钻性差等特点,导致复杂情况多、钻井周期长,单井平均钻井周期335 d,深部地层平均机械钻速在2 m/h以下,提高机械钻速是南缘深部地层钻井的迫切需求和巨大挑战。针对南缘深部地层复杂条件,建立井口载荷与钻头载荷之间的关系,分析螺杆钻具输出特性,推导复合钻井机械比能模型。以HT1井五开ϕ190.5 mm井段实钻数据为基础,针对不同地层分析南缘深部地层机械比能与机械钻速之间的关系,优选钻井方式,确定合理的钻井参数范围。机械比能分析表明,连木沁组对转速不敏感,推荐采用常规钻井方式并适当增加钻压;胜金口组和呼图壁河组推荐采用复合钻井,适当提高钻压;清水河组和喀拉扎组扭冲提速效果不明显,建议尝试新型提速工具,考虑尝试高钻压、适当转速的参数组合。研究结果可为后续南缘深部地层提高钻速提供参考。     

提高川东复杂地质深井超深井机械钻速的研究

针对川东高陡地质构造复杂,钻井中深井、超深井机械钻速低,建井周期长,钻井成本过高的问题,分析了川东地区钻井速度低的原因,介绍了岩石的各种性质,钻头选型依据以及如何评判钻头井下使用情况等方面的知识,阐述了合理使用钻头的方法,提出了在川东地区高陡构造地层中提高钻井速度的三种措施：（1） 采用以偏轴-钟摆钻具组合为主的钻井方式进行钻进;（2） 开展喷射钻井,促进机械钻速提高;（3） 开展水力加压器的应用。以期不断优化和强化钻进技术来提高钻井速度确保井身质量。     

脉冲式增压器增压特性研究

由于深井、超深井数量的增加,传统机械式钻头破岩钻井已无法满足钻井效率需求。为此设计了脉冲式增压器用以提高深井、超深井钻井效率,降低钻井成本。基于所设计的增压器的结构和工作原理,考虑螺杆转速、高压喷嘴直径、钻井液密度和冲程等因素对增压效果的影响,建立数学模型。在此基础之上,考虑脉冲式增压器不发生自锁的条件,并分别分析转速、钻井液密度、高压喷嘴直径和冲程对增压频率、喷嘴流速和增压压力的影响。得到增压器各影响因素与增压特性之间的关系。旨在为设计的增压器提供理论支撑与优化依据。结论认为:高压喷嘴流速和增压压力随着螺杆转速、冲程的增大而增大,并且增压特性较好。随着高压喷嘴直径的增大出口流速和增压压力明显降低,增压能力明显变弱。随着钻井液密度增大,出口流速和增压压力稍微增大,其对增压特性影响不明显。喷嘴高压射流频率仅受转速影响,随着转速增大而增大。要想获得较好增压特性,螺杆转速应不低于100 r/min,活塞行程不低于25 mm,高压喷嘴直径不大于1.4 mm。