PDC钻头各向异性指数的计算方法研究

准确预测PDC钻头的各向异性指数能够提高定向钻井井眼轨迹的控制能力。在分析PDC钻头在井底的运动状态并给出其切削面积的计算方法之后,采用直线-双圆弧型钻头剖面设计,建立切削面积与钻速的函数关系式,进而建立了钻头受力与钻速的关系模型。验证试验结果表明各向异性指数的计算值与试验值相符合。分析了钻头结构对各向异性指数的影响规律,指出当钻头剖面形状是浅内锥短外锥时,各向异性指数最大;钻头的保径长度越长,各向异性指数越小。     

关于钻头轨迹形成的理论探讨

指出了现行钻头轨迹形成理论的差异之处，论述了下部钻具组合的弯曲形状对钻头钻进方向的影响，研究了下部钻具组合的弯曲形状、钻头侧向力、钻头转角等力学因素对钻头轨迹形成的影响，推导了钻头在三维各向异性地层中钻进轨迹的曲率增量表达式，模拟了平衡曲率钻进过程的基本特征。实例分析表明，用平衡曲率法预测下部钻具组合的造（降）斜特性较为准确。用本文提出的方法还模拟计算了实钻井眼轨迹，计算结果和实测吻合较好。     

偏轴钻具在窿9井轨迹控制中的应用分析

针对偏轴钻具在窿9井中的轨迹控制问题,采用非线性动力学分析方法,综合考虑钻具与井壁的不确定性边界条件、井底对钻头的反向激励、钻柱的屈曲等力学要素,建立了偏轴钻具组合的动力学模型,对模型进行了求解,获得了钻头运动轨迹。计算结果表明,原有钻井参数下,偏轴钻具组合的钻头多在第四象限运动,使切削该方位井底岩石的力度加大,即钻头将朝向该方向偏斜,从而使井斜增加;调整钻井参数后,显著提高了偏轴钻具的防斜能力,也提高了钻头运动的平稳性。     

考虑钻头转速影响的新三维钻速方程

为了更全面地考虑影响机械钻速的因素、提高预测机械钻速和井眼轨迹的准确性,深入研究了涉及钻头和地层相互作用的三维钻速方程。考虑钻头转速的影响,重新定义了钻头各向异性指数和地层各向异性指数;利用地层各向异性指数和钻头各向异性指数的定义以及坐标变换,建立了考虑钻头转速影响、钻头与地层相互作用的新三维钻速方程。利用新三维钻速方程,实例分析了钻头转速对机械钻速的影响,随着钻头转速的增加,井底平面Xd方向、Yd方向及井底法向Zd方向的机械钻速都随之提高,但井底3个方向的机械钻速随钻头转速增加而提高的幅度并不相同,井底法向Zd方向机械钻速的提高幅度要大于井底Xd和Yd方向机械钻速的提高幅度。研究表明,钻井过程中,利用新三维钻速模型可以预测钻头转速变化对机械钻速和井眼轨迹的影响,也可以通过调整钻头转速、钻头各向异性指数、钻头机械力等参数对井眼轨迹进行控制。      

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文章运用纵横弯曲连续梁理论，分析井斜平面二维井眼中的偏轴钻具组合的力学特性。所建立的偏轴钻具防斜效果的评价指标，综合考虑了地层倾角、地层各向异性指数、钻头横向切削指数，用于预测实钻井眼曲率，效果良好。文章还运用该指标衡量了主要钻井参数变化对偏轴钻具防斜效果的影响。     

地层造斜力的计算与应用

本文根据地层各向异性造斜理论,推导了地层造斜力的直接计算模式F₁=(1/2)hsin2(β-α)·P.利用这个模式不仅能简化钟摆钻具控制井斜的计算,准确而又方便的计算确定地层各向异性指数,还可以结合钻柱力学对钻头上的总偏斜力进行定量分析,利用这个模式作者还提出了用一定长度钟摆钻具控制井斜的计算方法。多口井的现场验证表明是符合钻井实际情况的。     

底部钻具组合的参数设计及优化方法

为满足井眼轨道设计或实际钻井过程中对井眼轨迹控制的要求,从底部钻具组合设计角度实现了控制井眼轨迹。基于底部钻具组合力学参数分析方法及钻头与地层相互作用理论,模拟钻井过程,计算出井眼轨道的曲线,且将模拟计算的曲线与设计曲线(或者实际要求曲线)之间误差最小设为目标函数,以底部钻具组合设计参数及操作参数为决策变量,建立了底部钻具组合参数设计及优化方法。该方法综合考虑了钻头侧向力、转角、钻头各向异性、地层各向异性、井眼几何参数等对井眼轨迹的影响,克服了钻具组合设计过程中通常以单一参数作为设计依据的局限,并实现了从定量角度对井眼轨迹的模拟描述。计算和实例分析表明,该方法分析结果准确,可以有效地对钻具组合设计是否最优做出评价。     

井眼轨迹控制问题的力学分析方法

对井眼轨迹控制问题的力学分析模型进行了讨论.给出了底部钻具组合三维受力和变形的控制方程及其简化形式的通解;综合考虑地层和钻头的各向异性钻井特性,建立了钻头与地层相互作用的一个矢量模型;讨论了井眼轨迹预测和控制计算方法.     

地层自然造斜能力在定向钻井中的应用

地层自然造斜规律和造斜能力是定向井井眼轨迹控制和直井防斜打直的基本地质依据。文中从钻柱力学的基本原理着手,分析了钻头与地层的相互作用,建立了地层自然造斜能力的力学模型,利用江苏油田桥河口地区的实际资料,对桥河口地区的地层各向异性指数、地层造斜系数和方位漂移系数进行了计算,并根据计算结果设计了新的钻具结构。     

钻头与地层相互作用的新模型

本文综合考虑了地层各向导性和钻头各向异性对井眼轨迹的影响,经过力学分析和数学处理,建立了更为一般的钻头与地层相互作用模型即UPC模型。它是目前已有类似模型的推广。在此基础上,本文给出了有效钻力的概念,从而找到了确定钻头钻进方向的根据。利用UPC模型,并结合底部钻具组合三维分析程序,既可预测井眼轨迹,又可反求地层因素或钻头各向异性指数等。     

定向钻井中托压机理分析及对策探讨

为了解决定向钻井过程中的托压问题,通过分析下部钻具组合的受力,研究了托压产生的机理,并分析了影响托压的主要因素,给出了主要技术对策。分析研究表明,托压主要是由钻柱与井壁之间的摩擦阻力造成的,其影响因素主要包括井眼轨迹、井眼清洁程度、钻具组合、钻井液的润滑性及地层类型等。控制托压的技术对策包括优化井眼轨道和钻具组合、提高井眼清洁程度和钻井液的润滑性及采用改善托压的井下工具等,并介绍了控制托压技术措施在D15-X14井和Y123-5HF井的应用情况。研究与应用表明,控制托压的技术对策具有较强的针对性,不但能有效降低托压的频率与程度,而且能有效提高机械钻速,能够为定向钻井提供指导和借鉴。      

定向井滑动钻进送钻原理与技术

定向井和水平井钻进经常采用滑动钻进方式。地面间歇向井内送入钻杆是如何转化成井下钻柱对钻头的推进的？如何减小钻柱与井壁的滑动摩擦力给钻压带来的误差？现有的滑动钻进送钻技术各有什么优缺点？这些都是业界关心的问题。为此,把钻具送到井底并加上钻压,暂停地面送钻操作的工况作为研究区间,分析了井底的钻柱弹性、水力振荡器和液力推进器3种送钻原理。阐述了带井下动力的钻具组合、带水力振荡器的钻具组合和带液力推进器的钻具组合的滑动送钻技术,给出了地面钻进参数与井底钻进参数的关系。进而比较了3种送钻技术的特点：带井下动力的钻具组合在井底是依靠钻柱的弹性推动钻头前进;带水力振荡器的钻具组合依靠其产生的水力振动来降低钻柱与井壁间的滑动摩擦力,改善钻压传递效率;带液力推进器的钻具组合在其工作钻压区间,依靠活塞推动钻头前进。结论认为,带液力推进器的钻具组合滑动送钻技术最优,钻压可调、平稳,液力推进器可串联使用,钻进时可以活动上部钻柱。     

巨厚砾石层气体钻井井筒不规则性对井斜的影响研究

直井易斜和下套管困难是巨厚砾石层气体钻井存在的2个亟需解决的问题。现场测试数据表明,即使使用普遍认为具有较好控斜效果的空气锤钻井技术,井斜控制依然困难,且井筒的规则性很差,这很难用现有的控斜理论解释。现有底部钻具组合（BHA）受力模型均未考虑井筒的不规则性,都假设井筒光滑规则。为此,基于现场实测数据,利用有限元方法建立了BHA与不规则井筒相互作用的力学模型,分析了井筒不规则性对BHA受力特征的影响。模型分析表明,不规则井筒易形成附加支点,缩短有效钟摆长度,使降斜力大幅减小,甚至可能使钻头侧向力成为增斜力,造成井斜控制失败。实例分析证实,巨厚砾石层采用气体钻井时,预弯钟摆BHA所钻井筒相对较为规则,控斜效果好,下套管作业顺利。现场实测数据间接证明了井筒不规则性对井斜存在重要影响,BHA力学分析时应考虑井筒的不规则性。      

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在丛式钻井设计中，下部钻具组合性能分析、井眼轨道控制和预测都是十分重要的技术问题，而要解决这些问题必须对下部钻具组合进行受力变形分析。本文根据丛式钻井中钻柱的实际工作状态，选取口至井底的整个钻柱为研究对象，充分考虑各种因素，首先建立了整体钻柱静力分析模型，然后根据整体钻柱的受力变形分析值，建立了修正的下部钻具组合静力分析模型。该模型与以往一些下部钻柱静力分析模型相比，简化少，考虑因素多，钻头处的变     

加拿大Daylight油田致密砂岩油藏优快钻井技术

为经济高效地开发致密砂岩油藏,并为国内同类型油气田开发提供借鉴,进行了Daylight油田优快钻井技术研究。对Daylight油田地层岩性进行了研究,根据地层压力优化了井身结构;通过分析测井资料并结合统计数据,研制了个性化的钻头;在分析钻井技术难点、地层压力的基础上,研制了油基钻井液体系,并采取严格措施确保其性能稳定;采取防碰技术控制井眼轨迹,满足了井工厂钻井的要求;优选先进的井下工具进行配套应用。该油田油气井井身结构按地区简化为二开和三开2种;研制了适应该地区软硬交错地层的复合钻头;油基钻井液体系为井壁稳定提供了保障;提前防碰技术缩短了滑动钻进时间;振荡钻井技术和AGITATOR井下工具可以解决水平井钻井中的托压问题,黑匣子为分析钻柱涡动提供了数据支持。应用结果表明,同地区平均井深为3 000 m的井,平均钻井周期由原来的18 d缩短为8 d。Daylight油田优快钻井技术研究为快速钻井提供了保证,为国内致密油藏开发提供了技术参考。      

导致钻铤失效的井下振动分析及其解决方案

在某些区块或地层尤其是大井眼钻进时,因井下存在较为严重的振动,钻铤出现频繁的疲劳破坏,且多数刺漏、断裂处于螺纹根部。分析上述钻铤失效的原因后发现:井下严重的振动所引起的循环往复弯曲应力导致了该种疲劳破坏。为此,对井下振动模式进行理论分析,包括纵向振动、横向振动和粘滑(扭转)振动及力学界建立的物理模型,从理论角度剖析了实际井下不同振动形式可能产生共振的危害和理论依据;然后根据钻柱井下横向振动情况及涡动规律,分析了根据既定的边界条件确保稳定的钻井参数的最佳区域,阐释了在最佳区域内钻井,既可以保持钻具的稳定或消除涡动和粘滑振动以获得最大机械钻速,还可以减少或消除下部钻具尤其是钻铤的交变应力疲劳的认识。最后提出了减弱和消除井下振动的解决方案:(1)根据特定的钻具组合、钻井环境,运用上述建立的物理和数学模型,可以较为方便地计算出应该避免的可能引起井下共振的转速及相关参数,且共振转速恰恰就是最佳防振转速,利用井下振动分析软件在钻具组合设计和现场施工时可以避开共振频率;(2)V形扶正器是一种新颖且高效的减弱和消除井下横向和粘滑振动的工具。     

短半径水平井铰链式井下动力钻具组合力学模型的建立与分析

铰链式井下动力钻具组合是当前短半径水平钻井中最先进的一种新型工具。本文首先建立了铰接式井下动力钻具组合在二维井身条件下的力学模型并介绍了该模型的求解方法和过程,详细分析了若干结构学数、井身几何参数和钻井工艺参数对钻头侧向力的定量影响,为铰接式井下动力钻具组合的结构设计和短半径水平井轨道控制提供了力学分析基础。     

海洋钻井井下控制装置的研制与应用

为防止过大的台风易造成平台上钻具倒斜,或因井筒内水泥塞泄漏造成井涌或井喷等事故,开发研制出一种用于海上钻井过程中防台风临时关井的专用井下工具——海洋钻井井下控制装置。该装置由61/8英寸钻井井下控制阀和133/8英寸多功能RTTS封隔器组成,可将钻具悬持在井中,密封井眼,起到很好的防台风临时弃井效果。现场使用情况表明,该装置结构合理,性能先进,各项技术指标均达到设计和施工要求,抗台风能力强,提高了钻井作业效率,取得了较好经济效益及社会效益。     

物理法随钻防漏堵漏机理研究

物理法随钻防漏堵漏方法是利用专用井下工具将泵入的钻井液流量分流小部分，采用旋转射流直接作用于漏失井壁，配合合适的钻井液体系，使井壁滤饼形成的渗透率接近于零的随钻防漏堵漏技术。针对渗透性漏失及裂缝性漏失地层特点，以流体力学为基础，建立了基于物理法随钻防漏堵漏的物理模型，阐述了利用旋转射流的水力能量给漏失层井壁形成“人造井壁”随钻防漏堵漏的机理和方法。该方法不仅达到了随钻防漏堵漏的目的，还有效地扩大了钻井液密度安全窗口，有利于保护油气层。     

鄂尔多斯盆地超低渗气藏钻井技术难点与对策

针对鄂尔多斯盆地超低渗气藏开发井地层古老、砂砾岩及石英砂岩可钻性差、研磨性强、夹层多、非均质性强、有效应力高、井斜、井漏、井壁失稳、井喷、卡钻、跳钻等地层特性与井下复杂情况,从地质和工程2个因素分析了钻井过程中面临的技术难点,提出了优化钻具组合、优选钻头类型、优选钻井液、优化气层保护完井液、钻具失效预防等技术对策与措施。现场应用结果表明,有效地解决了鄂尔多斯盆地山西组开发井的钻井难题,使该井实际钻井周期缩短30%,机械钻速提高10%,为鄂尔多斯盆地超低渗气藏开发井的有效钻进和储层保护提供了技术参考。