气体钻井井斜有限元岩石应力分析

气体钻井易井斜,钻井施工主要通过调整钻具组合和钻井参数进行轨迹控制,然而在高陡构造地区,气体钻井井斜变化严重超出井身质量控制要求,为后期作业带来了严重影响。因此,气体钻井井斜变化必须考虑井筒中不同循环介质的影响和井壁稳定程度的影响,而现有的数学模型复杂,计算量大,不能真实地模拟井下钻井的力学变化。为此,利用有限元理论,建立了实体三维力学模型,可以充分考虑井筒中不同循环介质的影响和井壁稳定性的影响进行Von Mises应力计算,根据地层应力值的变化,可以直观地分析出气体钻井井斜规律。通过对该模型力学计算结果的分析表明：在相同地层倾角和岩石强度下,气体钻井井斜幅度大于钻井液钻井的井斜幅度,井壁更不稳定,钻井时更易出现井眼扩大现象;当地层倾角小于45°时,井斜具有上倾趋势;地层倾角等于45°时,井斜趋势不明显;地层倾角大于45°时,井斜具有下倾趋势。     

气体钻井地层剪切应力井斜规律研究

气体钻井时因没有围压,地层的各向异性指数变化较大,使得地层造斜率与钻井液钻井时的地层造斜率有所不同.为了更好地理解气体钻井井斜规律,利用有限元理论,建立了不同钻井方式下的岩石力学模型,在考虑不同地层倾角和不同循环介质影响的基础上进行井底岩石剪切应力计算,分析出气体钻井井斜规律.计算结果表明:在相同的工程和地质条件下,气体钻井时地层造斜力远大于钻井液钻井的几率约为35%,气体钻井更易发生井斜,而小于或等于30.地层倾角钻井时井眼轨迹偏向垂直于地层倾斜面的方向;45.地层倾角钻井时井斜趋势不明显;大于或等于60.地层倾角钻井时井眼轨迹偏向平行于地层倾斜面的方向.     

雾化空气钻井技术在普光气田的应用

随着普光气田大规模成功应用空气钻井技术,其在机械钻速的提高、井斜控制等方面都取得了较大成效,但由于上部陆相地层存在水层,如果继续使用空气钻井会导致井下复杂及事故的发生,从而制约空气钻井技术的应用。如若过早转为钻井液钻井,由于地层具有倾角高和裂缝发育的特点,将导致机械钻速低、井斜不易控制、井斜过大、地层漏失严重等问题的出现。近两年在空气钻井的基础上通过使用雾化空气钻井技术解决了这些难题,并在应用中结合普光地区的地质构造特点采取了一些新的技术措施,取得了一些经验。     

气体钻井井斜的原因及防斜技术

在归纳气体钻井井斜规律的基础上,对比分析了气体钻井与钻井液钻井两种情况下,地层各向异性、地层倾角、井眼几何参数及钻井参数等因素对井斜的影响。结果表明：气体钻井与钻井液钻井相比,地层各向异性显著增加是气体钻井容易井斜,且井斜后较难控制的根本原因;在中、大钻压下,井径扩大是气体钻井容易井斜的重要原因;而地层倾角、钻压、钻头切削各向异性和钻具组合对气体钻井井斜的影响与钻井液钻井相似。建议在现场推广应用空气锤、钟摆钻具组合和空气螺杆钻具组合三项气体钻井防斜技术来防止气体钻井井斜。     

各向异性地层钻井井斜问题研究

在实验室内以全尺寸实物钻头破岩,系统地研究各向异性地层对井斜影响程度的成本较高。随着计算机硬件和数值模拟计算软件，尤其是有限元软件的发展，使得有限元仿真模拟各向异性地层钻井井斜是经济可行的。在弹塑性力学、岩石破碎力学的理论基础上，建立了三牙轮钻头齿面与井底岩石接触问题的动态模拟的有限元模型，模型中地层岩石力学特性建立为各向异性材料模式。提出了以岩石临界塑性应变为判据，来判断岩石材料是否被切削或剥落，并在动态仿真模拟过程中，将这些剥落的单元去掉，形成钻井井眼和新的井底表面。用文中建立的模型，动态模拟、分析了钻头钻进时，在各向异性地层和地层倾角的干扰下，钻头与井壁间产生不对称的侧向力，使钻头产生侧向偏移，累积形成井斜，给出了定量的模拟结果。调整参数可以模拟和分析不同钻井参数、各向异性地层以及地层倾角对井斜的影响关系，从而为各向异性地层以及高陡构造地层防斜打快提供理论参考，同时为防斜工具的设计、改进以及井眼轨迹控制提供理论基础。     

空气钻井安全钻进特性分析

空气钻井技术被钻井界认为是提高钻井速度、缩短钻井周期的一项实用性技术。与常规钻井液钻井技术相比,空气钻井在提高机械钻速、避免地层伤害、避免地层漏失方面具有明显优势,在控制地层压力、地层流体流入能力等方面存在不足。总结出了影响空气钻井安全钻进的“十大”因素,即井眼清洁、地层出水、井眼稳定、井下着火和爆炸、井斜控制、井控问题、气侵早期监测、钻具的腐蚀及冲蚀、钻具断裂和钻井液转换,并对上述因素进行了详细的分析。普光气田空气钻井实践证明了空气钻井技术的优势,但同时也暴露出一些问题。只有全面理解和掌握了空气钻井技术,才能充分发挥其优势和潜力,加快普光气田及周边区块的勘探开发步伐。     

空气钻井技术在徐深21井的应用

大庆油田为给提高深层地层机械钻速提供科学依据，在徐深21井的泉头组2段以下非储层段进行了空气钻井试验。试验结果表明，空气钻井能大幅提高机械钻速，与常规钻井相比，纯空气钻井机械钻速提高4～6倍，充气钻井提高1倍以上，空气钻井井段的井斜控制在设计范围内，井径扩大率比常规钻井液钻井略大。这表明大庆油田外围深部地层稳定性良好，适合应用空气钻井技术。     

提高乌尔禾油田钻井速度技术研究

乌尔禾油田乌36井区断层交错纵横,地层倾角5°-40°,地层倾角大。八道湾以下易斜,控制井斜是本区块钻井的主要技术难点。针对难点确定合理的钻具组合,优化钻井参数,提高钻井速度;结合实钻和地层倾角及地层岩石力学特性理论分析,通过运用井斜控制理论,防斜快打技术,采取MWD的钻具组合,有效地解决了井斜难以控制的技术难点,确保了井身质量合格率100％;采取措施,优化定向轨迹,优选合适钻井液体系,提高了完井电测一次成功率和完井作业效率,加快了完井速度,达到了减少油层浸泡时间。保护油层的目的。     

空气钻井技术在元坝地区的应用

元坝地区应用空气钻井技术钻进时,大尺寸井眼携岩差,上部地层易出水,钻进中频频出现断钻具故障。针对大尺寸井眼段的携岩问题,提出采用空气钻井最小气体流量计算方法确定空气、泡沫钻井时携岩所需要的最小气体流量;优选出了适合该地区空气钻井的牙轮钻头和塔式钻具组合;针对元坝地区空气钻井过程易出现地层出水、断钻具、井斜和井壁垮塌等复杂情况,也提出了相应的处理方法和技术措施,并针对元坝地区推广应用空气钻井技术,提出研制性能可靠、使用寿命长的空气锤,防止空气钻井转换为常规钻井液钻井时出现井下复杂情况的建议。      

弱面地层的直井井壁稳定力学模型

弱面地层在较小的钻井液柱压力下先于岩石本体破坏,引起井壁垮塌,甚至在高密度钻井液情况下也难以维持井壁稳定。我国西部钻井中常遇此类问题。本文从弱面模型出发建立大倾角地层的井壁稳定力学模型,详细分析倾角地层的倾角和走向对井壁稳定性的影响,认为弱面地层的坍塌方位主要集中在走向与水平最小地应力夹角在90±20度范围内,在钻遇此地层时,若维持井壁稳定所需的钻井液密度过高,可采用合理的井眼轨迹进行大斜度井钻井。     

空气钻井井斜控制问题的探讨

玉门青西油田地县岩性不均，岩性变化频繁，地层极硬、研磨性极强，可钻性差，机械钻速较低，造成全井钻井速度较慢。为了提高机械钻速，在窿9井等4口井试验了空气钻井，大幅度地提高机械钻速，但出现空气钻井井斜不易控制的问题。文中阐述和分析了影响空气钻井可控因素和不可控因素对井斜影响的机理；阐述了空气锤防斜技术，分析了空气锤在窿15井试验未起到防斜的原因，对今后空气钻井的设计和施工具有一定的指导意义。     

国产自动垂直钻井系统的改进与优化

高陡构造及岩性变化复杂条件下的井斜问题一直是困绕钻井工作者的一大技术难题。中国石化南方探区河坝、普光等构造的岩性变化频繁,地层倾角大,自然造斜力强,井斜控制十分困难,极易发生井斜,严重制约了钻井速度的提高。国外自动垂直钻井系统在该地区进行了多井次的应用,效果良好,在控制井斜的同时大幅度提高了钻井速度,较好地解决了钻速提高与井斜控制之间的矛盾。但国外自动垂直钻井系统服务价格昂贵,钻井成本居高不下。为了降低钻井成本,决定在该地区应用中国石化自主研发的捷联式自动垂直钻井系统。然而,该系统在之前的现场试验过程中暴露出降斜、提速效果不明显等问题;经过原因分析,对系统进行了进一步的改进与优化,之后又进行了2井次的现场试验,显示出非常好的防斜打快效果,为系统的推广应用打下了坚实的基础。     

Study of a Mechanism for Well Deviation in Air Drilling and Its Control

Abstract

Air drilling applied in an oilfield of western China shows its advantages in enhancing the rate of penetration (ROP) and oil reservoir protection. However, wells deviate more severely in air drilling than in mud drilling, which constrains the its application. The main factors resulting in well deviation are bottom hole assembly (BHA) and formation. This article analyzes these two factors in air drilling. The analysis shows that there is no significant difference in the behavior of BHA during air drilling and during mud drilling. BHA is not the critical factor that results in more serious well deviation in air drilling. The fundamental reason is that the bottom hole formation character changes in air drilling. Air replacing mud in a bore hole would lead to redistribution of bottom hole stress. Greater anisotropy index of formation in air drilling leads to more serious well deviation, and the increasing invasion depth of bit teeth in air drilling aggravates the well deviation. This article will analyze the above changes quantitatively by describing rock failure of anisotropy formation in air drilling. Based on the mechanism of well deviation, two types of BHA are recommended: air hammer and pendulum assembly with air motor, which have been proven as effective measures of controlling deviation in air drilling in Tarim oilfield.     

川东北地区优快钻井配套技术

川东地区构造带大多属于高陡背斜构造,地层倾角大,研磨性强,可钻性差,地下断层、裂缝、溶洞发育、井漏频繁,稳定性差,存在多套压力体系、安全窗口窄,且目的层地层压力预测难度大,具有“高压、高产、高含硫”的“三高”特点,所以钻井难度大,施工风险高,一直制约着钻井速度的提高。自中国石化实施川气东送建设工程以来,完善了针对川东北地区钻井的28项新标准,有针对性地开展了多项技术难题攻关;解决制约钻井提速提效的部分瓶塞技术,形成了井身结构优化、防斜打直新技术、快速钻井新技术、钻井液防塌技术、综合防漏新技术和井控安全技术六项综合配套的优快钻井技术。用这些技术指导现场生产,进一步提高了钻井效率,降低了钻井风险,并指出了急待攻关解决的关键技术,为加快勘探开发工作提供了有效的钻井保证。     

提高深井硬地层钻井速度技术难点及对策

乌龙1井地层为南方海相沉积,地层古老、岩石硬度大、研磨性强、可钻性差、地层倾角大(最大为80°)井斜难以控制、蹩跳钻严重,制约了该地区深井钻井速度。文章介绍了解决提高钻井速度这一瓶颈问题,从深井优快钻井及其配套技术、硬地层钻进的钻头优选、优化钻井参数、引用新技术、新工艺、新工具等方面进行了探索,钻井速度有了大幅度地提高,对类似井具有一定的借鉴作用。     

MWD导向系统防斜打直技术在东9井的应用

东9井由于地层倾角大,用常规防斜措施难以保证井身质量。在该井的施工中,应用了MWD导向系 统防斜打直技术和高效PDC钻头,利用其定向控制井眼轨迹能力强的技术特点,可以随时监控井斜、方位,并可根 据井斜、方位变化情况及时采取如定向纠斜或开动转盘导向钻进等技术措施,既保证了井身质量,又提高了机械钻 速,缩短了钻井周期。     

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川东高陡构造上部地层倾角较大 (最高达 85°) ,其大倾角地层铅垂厚度一般在 15 0 0～ 2 5 0 0m ,岩性以泥页岩为主 ,该段钻井井斜控制难度大、钻井速度低。针对这一钻井难点 ,开展了钟摆钻具、偏轴接头、钟摆钻具带偏轴接头等防斜钻具结构的研究试验和对比 ,钟摆钻具带偏轴接头钻具结构在井斜控制相当的条件下钻压较其它防斜钻具结构有较大提高。通过在天东 85等井试验钟摆钻具带偏轴接头钻具结构取得了显著的经济技术效益。     

气体钻井井斜控制的发展与新技术探讨

回顾了井斜控制技术的发展过程,总结了气体钻井井斜失控的原因及危害,探讨了空气锤钻井技术、空气螺杆钻井技术、扩眼保满防斜技术和自动防斜技术等气体钻井井斜控制新技术。空气锤钻井技术是目前最有效且可行性较高的钻井技术。文章提出了空气锤钻井技术的后续研究重点是:研究该工艺方式下钻具振动机理,研究空气锤的使用寿命、内部润滑机理及其结构优化等。提出了该课题组研制的气体钻水平井、垂直井两种专用扶正器和气体钻井滚轮扶正器,解决了钻井液钻井扶正器用在气体钻井中所产生的问题。同时提出了研究气体钻井专用防斜工具和研究气体钻井钻柱系统动力学是以后井斜控制技术的研究方向。