水力喷射径向钻孔器的流场特性

水力喷射径向钻孔器的结构优化设计和破岩性能直接决定了钻进速度。文中利用CFX软件建立水力喷射径向钻孔器的有限元数值模型,开展了钻孔器内外流场的三维流动特性分析,研究了入口排量、井眼内径对流场特性的影响规律。结果表明:随着入口排量的增加,前、后喷孔的最大流速均有所增加,且后喷孔的最大流速大于前喷孔;随着井眼内径和入口排量的增加,钻孔器最大流速增大。同时开展的水力喷射钻水泥环实验研究发现,岩样硬度对钻水泥环的喷射效果有较大影响。若岩样硬度较大,形成的水眼较浅;若岩样硬度较小,喷射速度快,易于破岩,形成的水眼较深。研究成果可为优化钻孔器的结构参数、提高钻孔器的工作性能以及完善水力喷射径向钻孔工艺提供理论指导。     

水力喷射径向水平井钻井关键技术研究

水力喷射径向水平井技术可在垂直井眼内沿径向钻出呈辐射状分布的一口或多口水平井眼,从而增大与储层的接触面积,建立高导流通道,是一种经济高效的油田挖潜和增产增注技术,其关键技术包括射流破岩钻孔能力、水力参数计算、射流钻头自进与井眼延伸能力、井眼轨迹测量与控制等。针对上述关键技术开展了深入系统的研究:分析了目前应用于径向水平井钻井的各类型射流钻头的基本原理,建立了射流破岩比能模型,通过对比分析认为旋转多孔射流钻头综合破岩效果最佳;建立了径向水平井喷射钻进系统压耗计算模型,对比分析了不同直径连续油管的循环压耗,分析了相关参数对系统压耗的影响规律,为水力参数设计提供了依据;建立了旋转多孔射流钻头自进力计算模型与径向水平井延伸极限计算模型,对比了不同作业条件下径向水平井的延伸极限,为装备优选和径向井眼设计提供了依据;探讨了微机电惯性元件测量径向井眼轨迹的方法原理,为径向井眼轨迹测量提供了一种可行的方法。该研究成果可为形成水力喷射径向水平井技术体系与推广应用奠定基础。      

径向水平井技术发展及工具特点

径向水平井技术可以向储集层沿径向钻出长达50～100 m的生产流道,有效穿透泥浆污染带,成倍增加泄油面积,以提高油气单井产量。该技术通过转向器实现钻井轨迹由垂直到水平的位置转换,采用螺杆马达带动万向节及铣刀旋转,对油层套管实施开窗,然后下入喷射软管和喷射钻头,利用水力破岩机理,对油层实施喷射钻进。应用结果显示,该水力喷射钻进技术适用于松软地层,对硬地层钻进效果差。国外Max PERF径向钻孔技术,采用半刚性钻杆+金刚石钻头切削破岩钻进方式,对硬地层钻进具有明显优势,是径向水平井技术领域的发展趋势。     

水力机械联合破岩主要配合参数的实验研究

为提高钻井速度,掌握水力机械联合破岩规律,开展了水力机械联合破岩主要配合参数的实验研究。利用水力机械联合破岩实验装置,模拟井底实际钻进工况,得出了不同破岩方式、射流相对于齿的位置、射流与齿间距和围压4个参数对联合破岩效果的影响规律。研究结果表明:水力机械联合破岩工作方式要优于单射流或单钻齿工作方式;射流在齿后喷射的破岩效果要优于射流在齿前喷射的破岩效果;其它参数一定的情况下,随着围压的增大,联合破岩效果降低,但降低的幅度逐渐变小;增加射流压力,也将增大水力机械联合破岩效果;当射流与齿间距大于3 mm时,随着射流与齿间距的增大,联合破岩效果越差。     

水射流径向钻孔关键技术及试验研究

水射流径向钻孔技术是一种低成本微小井眼水平井钻井技术,近几年在国内外得到了广泛应用。在介绍水射流径向钻孔技术发展现状的基础上,对水射流径向钻孔的关键技术进行了研究,研制了相关的井下工具,包括套管钻孔工艺及工具、水力喷射钻进工艺及工具以及相配套的井下转向技术及工具,并进行了室内试验。试验结果表明,对不同壁厚和材质的套管,仅需10~15 min即可钻透;单孔喷头和多孔喷头在一定的压力和流量下都能实现喷射破岩,但多孔喷头喷射破岩效果较好,成孔直径大;用多孔喷头和单孔喷头无法在纯水泥岩样上喷射成孔,而用机械方式钻孔则比较容易。根据试验结果,形成了新的水射流径向钻孔工艺,即"一趟钻钻穿套管和水泥环+地层喷射"工艺,与原来的"套管钻孔+水泥环和地层喷射"工艺相比,新工艺提高了水射流径向钻孔的效率和成功率。     

水力喷射工具的研究及开发

水力喷射工具是水力喷射压裂和喷射酸化工艺的重要设施,它是将流体压力转化为速度的一个装置。其中喷嘴是喷射工具喷射射流的执行元件。文章运用工程流体力学原理确定了喷嘴的结构形状和几何参数,并根据能量守恒、动量守恒原理和伯努利原理对喷射关键参数进行了理论计算,根据喷嘴结构参数并结合现场条件设计出了喷射工具。在材料选择上,考虑工作液体可能为酸液,优选出了耐腐蚀的高强度碳化硅陶瓷喷嘴。最后,根据现场碳酸盐岩清水喷射实验结果,该喷嘴仅用清水在４０ＭＰａ驱动压力,１１０Ｌ／ｍｉｎ排量下达到了破岩效果,延伸了岩心孔道。从而验证了喷嘴设计的合理性以及喷射破岩的有效性,该工具的设计和开发对喷射压裂和喷射酸化技术具有现场实用价值。     

基于ABAQUS的径向井井壁稳定性分析

基于岩石力学相关理论,依据Mohr-Coulomb准则,建立了多分支径向井井壁稳定力学模型,并采用有限元数值模拟方法对力学模型进行了验证,结果表明该模型具有较高的准确度。基于ABAQUS有限元数值模拟,依次研究径向井方位角、地层最大主应力与最小主应力压差(地应力差)、弹性模量、泊松比、径向井孔径等因素对三分支径向井井壁稳定性的影响。研究结果表明:多分支径向井井壁稳定性受地应力差和径向井孔径的影响较大;径向井眼的跟端和中段易存在明显的应力集中,是井眼防塌的关键区域;径向井方位角、弹性模量和泊松比对径向井井壁稳定性的影响较小,在一定范围内径向井井壁处于力学稳定状态。     

有限元分析径向水力压裂裂缝扩展影响因素

径向水射流辅助压裂的裂缝起裂和扩展机理尚不明确,基于ABAQUS平台,采用扩展有限元法对径向井水力压裂过程中裂缝的扩展过程进行数值模拟,探索径向井方位角、井径、井长、水平地应力差、岩石杨氏模量、岩石泊松比、储层渗透率、压裂液黏度、排量等9个因素对径向井引导裂缝扩展效果的影响规律,并利用灰色关联分析法研究各因素对径向井引导效果的影响能力大小。结果表明,随井径、井长、岩石泊松比等参数增大,径向井对裂缝引导效果增强;随径向井方位角、水平地应力差值等参数增大,径向井对裂缝引导效果减弱。各因素影响径向井对裂缝引导效果的程度由大至小顺序为:水平地应力差值、径向井方位角、井径、岩石泊松比、压裂液排量、储层渗透率、井长、压裂液黏度、岩石杨氏模量。该分析为径向井辅助压裂技术在低渗油藏的应用具有指导意义。     

滨南油田水力压裂模拟试验研究

地应力场、岩石物性、孔隙压力、射孔和天然裂缝是控制水力压裂裂缝起裂和扩展的主要因素。根据滨南油田660区块和853区块的实际工况,通过数值模拟和真三轴水力压裂物理模拟,结合岩石的抗拉破坏准则,模拟了射孔方位角和地应力状态等因素对水力压裂过程中起裂压力和裂缝扩展过程的影响,结果表明射孔方位角和地应力场控制着起裂压力、裂缝扩展方位和形态,成果可对油田水力压裂设计、施工提供参考。     

深井超深井井底应力场

深井超深井钻井技术对加快我国石油勘探开发进程具有重要意义,深井超深井井底应力场是破岩机理研究进而提高机械钻速的基础。针对井深4500～7000 m时3种不同地应力状态下的井底岩石应力分布规律进行研究,在井底岩石力学分析的基础上,建立了考虑孔隙压力和垂直、水平最大和最小三向地应力差下的流固耦合模型,并采用数值方法进行求解。结果表明,岩石内部孔隙压力以约呈井眼径向距离的–0.055次幂减小;当井深一定时,垂直总地应力为最小地应力时,岩石所受围压最大,为中间主应力时次之,为最大地应力时最小;当地应力状态相同时,随着井深增加,岩石所受围压呈线性增加,导致岩石塑性强度增加,这是深井超深井机械钻速低的主要原因之一。深井超深井井底应力场的定量研究对深井超深井破岩机理研究和提高机械钻速具有重要的理论指导意义。