脉冲射流提速技术试验研究

研究采用螺杆+频率可调脉冲提速工具+PDC钻头的钻具组合,此钻具组合可以充分发挥螺杆旋转带动钻头高速破岩和脉冲射流高效清岩的效应,最终实现提高机械钻速、提高钻头进尺、缩短钻井周期的目的。同时分析了频率可调脉冲提速工具结构和脉冲射流提速机理。通过三个区块三口井现场试验结果表明,脉冲射流技
术提高复合钻井机械钻速33.14%~56.64%,缩短钻井周期32.17%~43.91%。频率可调脉冲提速工具结构简单、性能可靠、提速效果好,与螺杆+PDC钻头形成的钻具组合应用经济效益显著,具有较广泛的推广价值。     

井底脉冲式不对称流场钻井工具的研制及应用

常规钻井作业中井底水力能量利用率较低,水力辅助破岩和清岩能力下降,导致井底岩屑不能及时清理而造成岩屑的重复破碎,甚至形成钻头泥包,使得钻井速度降低。鉴于此,研制了与钻头配套使用的JSXMC型井底脉冲式不对称流场钻井工具。该工具产生的脉冲射流直接通过钻头喷嘴作用于井底,在井底产生不对称流场,不仅具有降低井底压持效应、产生负压脉冲和空化辅助破岩等功能,还具有脉冲效果更强、工具长度短和辅助冲击钻井等特点,从而大幅提高机械钻速。现场应用结果表明:在钻具组合相同和钻进参数基本相同的情况下,该工具的平均机械钻速比邻井提高30%,同时还具有保护钻头的作用。该工具的研制成功可为钻井现场合理有效地利用井底的水力能量并提高机械钻速提供参考。     

液动旋冲工具的研制

为了提高PDC钻头在深井硬地层中的机械钻速,研制了液动旋冲工具。该工具能够通过钻井液提供的动力,在周向上产生高频冲击,在轴向上产生水力脉冲,使钻头的破岩方式由普通的刮削转变为机械冲击与水力脉冲相结合的破岩方式,有效提高PDC钻头在深井硬地层中的破岩效率,消除钻头的粘滑和卡钻现象。现场试验结果表明:该工具设计合理、性能可靠,操作简单,可满足直井和定向井提速需求。液动旋冲工具在大庆区块的寿命及提速指标与国外扭力冲击器相当,在辅助破岩方式及正反冲击力大小上具有一定优势。     

井底自激振荡脉冲粒子射流钻井工具试验研究

井底自激振荡脉冲粒子射流钻井工具是一种集成脉冲射流技术与粒子冲击破岩技术的钻井提速工具,可以在井底实现钢制粒子的自循环冲击破岩,并伴有一定的压力脉冲效应,二者联合实现高效破岩。为了全面掌握工具的结构尺寸对压力脉冲效应、粒子自吸效果和破岩效率的影响规律,设计加工了模型工具,并利用模型工具在室内开展了压力脉冲测试、粒子吸入量测试、粒子自吸效果观察和破岩试验,证实了工具自吸功能和压力脉冲效应,分析了工具结构尺寸对压力脉冲幅值、引射系数和破岩效果的影响规律。研究结果可为井底自激振荡脉冲粒子射流钻井工具的结构优化提供试验技术支持。     

自激振荡式旋转冲击钻井工具在大港油田的应用

自激振荡式旋转冲击钻井工具是安装于钻头与钻铤之间.钻井液流经该工具的自激振荡器产生低幅高频机械冲击力传递至钻头,提高钻头破岩效果;同时钻井液高速流经振荡器所产生的脉冲射流作用于井底,改善井底岩石的受力状况和井底流场,强化清洗效果,从而有效提高钻头的破岩效率.自激振荡式旋转冲击钻井工具在大港油田共进行了7口井试验,试验井段机械钻速提高20.57％一132.63％,为中深层钻井提速开辟了新途径.     

轴扭复合冲击工具的研制与应用

为提高PDC钻头破岩效率并减小钻具的粘滑振动,研制了一种轴扭复合冲击工具。该工具以自激振荡脉冲射流为能量来源,通过螺旋面结构将轴向冲击力转换为轴扭复合冲击力进行破岩,具有结构简单和轴向、扭向冲击力同步作用的特点。现场应用结果表明:与常规钻具相比,轴扭复合冲击工具的机械钻速提高了95.2%～193.8%,单只钻头进尺增加了46.4%～229.2%;与螺杆钻具相比,轴扭复合冲击工具的机械钻速提高了71.0%;与轴向冲击工具相比,轴扭复合冲击工具的机械钻速提高了66.3%,单只钻头进尺增加了194.0%;与扭向冲击工具相比,轴扭复合冲击工具的机械钻速提高了30.2%～46.8%,单只钻头进尺增加了17.2%～191.8%。研究表明,轴扭复合冲击工具可以提高破岩效率,减小硬地层的粘滑振动,破岩提速效果显著,具有推广应用价值。      

钻柱-钻头-岩石系统动力学特性研究

钻头、钻柱和岩石系统作为一个整体,其动力学特性相互耦合,相互影响,而现有文献的研究中大都忽略了整个系统这种动力学耦合。鉴于此,考虑下部钻具纵横扭动力耦合、钻头与岩石非线性接触,建立了钻柱-钻头-岩石系统动力学模型。采用有限元法模拟了三牙轮钻头破岩钻进的动态过程。研究结果表明:在三牙轮钻头破岩钻进过程中,钻头与岩石互作用以及由此引起下部钻具振动均具有明显的非线性和随机性;由于牙轮钻头破岩方式以纵向冲击为主,钻具纵向振动强于横向,动钻压平均振幅达到静钻压的40%以上;扭转振动可能引起负扭矩现象。研究结果为牙轮钻头破岩机理及井下钻具非线性动力学特性的研究提供了新思路。     

沙特HWY区块HWY-116井提速技术

为提高沙特HWY区块三开直井段钻进坚硬、强研磨性地层时的机械钻速,在HWY-116井三开井段进行了液动射流冲击器旋冲钻井技术试验。根据液动射流冲击器性能参数与岩石抗钻特性参数的关系,与HWY-116井钻井设计结合,优化了钻具组合,选择了与液动射流冲击器配合的PDC钻头,优化了旋冲钻井参数,形成了适用于HWY-116井的?228.6 mm液动射流冲击器旋冲钻井提速技术。应用该提速技术后,HWY-116井三开井段机械钻速为9.40 m/h,与邻井相同井段相比提高了45.5 %。这表明,应用液动射流冲击器旋冲钻井技术可以提高沙特HWY区块坚硬、强研磨性地层的机械钻速。      

多重组合水力脉冲空化射流钻井提速研究

水力脉冲空化射流钻井是在钻进过程中将水力脉冲空化射流发生器安装在钻头上部实现钻井提速的新技术。通过该技术使进入钻头的常规连续流调制成振动脉冲流,从而形成水力脉冲、空化冲蚀和局部负压三种效应,增强井底净化效果及改变岩石应力状态,达到提高机械钻速的目的。文章在分析水力脉冲空化射流发生器结构和提速机理的基础上,在现场配合常规钻具、螺杆钻具、旋转导向、ＰｏｗｅｒＶ、欠平衡钻井系统等工况多重组合现场试验,实验井径为２１５～４４４ｍｍ,纯钻时间超过２６０ｈ,试验井深达６１６２ｍ。在相同工况及钻井参数条件下水力脉冲空化射流钻井技术机械钻速提高１１．７％ ～１７２．２％,为石油钻井提供了一项钻井提速新技术。     

基于SPH方法的组合射流破岩模拟研究

在利用组合射流开采页岩油气资源的过程中,射流参数的变化对组合射流破岩效果有着较大影响.为揭示参数变化对组合射流破岩能力的影响,利用光滑粒子流体动力学(SPH)方法构建组合射流冲蚀岩石的数值模型,通过模拟组合射流冲击岩体问题,并与已有结果进行对比,验证了所建模型的有效性.在此模型的基础上,研究了不同射流喷距、射流直径和射...     

频率可调式脉冲钻井提速工具的研制和应用

苏里格西区致密气藏居高不下的钻井成本与难以提高的钻井速度严重制约了长庆对苏里格气田整体开发的部署。针对苏西地区中深井下部地层钻井机械钻速低的难题,研制了频率可调式脉冲钻井提速工具。该工具通过涡轮带动的阀组将连续流动的钻井液转换成脉冲流动,改善井底流场,增强射流冲击力,以最大限度地提高水力破岩效率与井底净化能力,达到提高机械钻速的目的。实验与现场应用结果表明:研制的工具入井工作时间超过120 h,能提高机械钻速20% 以上,具有广阔的应用前景。     

水力脉冲空化射流欠平衡钻井提高钻速技术

研究了水力脉冲空化射流欠平衡钻井破岩、清岩、提高机械钻速机理,并在准噶尔盆地金龙3井进行了水力脉冲空化射流欠平衡钻井现场试验。研究结果表明,井底欠平衡状态下产生水力脉冲、空化冲蚀和局部负压效应,可改善井底流场,降低岩石的破碎强度,促进井底已破碎岩石及时脱离井底,减少反复切削及压持效应,从而达到提高机械钻速的目的。金龙3井相邻井段机械钻速对比表明,在钻井参数基本不变的情况下,采用牙轮钻头+水力脉冲空化射流发生器欠平衡钻井方式钻2 590~2 655 m井段和采用牙轮钻头+水力脉冲空化射流发生器+螺杆钻具欠平衡钻井方式钻2 655~2 759 m井段的机械钻速分别比采用欠平衡钻井方式钻2 485~2 590 m井段的平均机械钻速提高19.8%和87.1%。图5表2参14     

塔河油田深井脉冲空化射流钻井试验研究

塔河油田深井钻井水力能量利用效率低、机械钻速低、钻井成本高,严重制约了勘探开发速度。针对该油田钻井实际情况,结合二开φ241.3 mm井眼地层、钻具组合和水力参数,利用水力脉冲空化射流钻井技术提高机械钻速。该技术配合常规钻具和复合钻井钻具组合使用,脉冲空化射流发生器耦合脉冲射流和自振空化射流,改善井底流场及岩面应力状态,提高钻速。该技术在塔河油田进行了4口井5井次的现场试验,在常规泵压、排量、钻井液密度等参数条件下试验井深达6 162 m,试验井段与邻井相近井段在相近工况下机械钻速平均提高33.3%~74.3%,单套钻具纯钻时间超过260.0 h。试验结果表明,塔河油田二开井段砂岩、泥岩等地层配合PDC钻头应用水力脉冲空化射流钻井技术,能够很好地提高机械钻速。      

水力脉冲空化射流钻井机理与试验

在分析水力脉冲与空化射流调制机理的基础上,设计出一种新型水力脉冲与空化射流耦合的水力脉冲空化射流发生器,通过流体脉冲扰动和自振空化效应耦合,使进入钻头的常规连续流动调制成振动脉冲流动.钻头喷嘴出口形成脉冲空化射流,产生水力脉冲、空化冲蚀和局部负压效应,从而提高井底净化和辅助破岩效果.塔里木盆地6口井的现场试验结果表明,水力脉冲空化射流钻具对钻头类型、地层特性、钻井液密度、排量、动力钻具等具有良好的适用性,机械钻速提高10.1%～53.4%.水力脉冲空化射流发生器具有性能稳定、效果好、使用寿命长等特点,完全可以满足现场的需要.水力脉冲空化射流技术将为提高深井钻速提供一种切实有效的途径,具有较好的推广应用价值.图4表4参12     

双级双速钻井工具设计与现场试验

为了充分发挥PDC钻头高效破岩的技术优势,进一步提高其在低渗透地层的机械钻速,研究并设计了双级双速钻井工具。采用数值模拟方法建立了双级双速钻井时的井底岩石物理模型,分析了井底岩石应力分布状态及双级双速钻井的破岩和提速机理;介绍了双级双速钻井工具的常见结构,指出了其技术优势;基于已有研究成果,并结合现场实际需要,从排量、输出扭矩与转速、钻进工具长度等方面进行优化设计,设计出了适用于?215.9,?241.3和?311.1 mm井眼的双级双速钻井工具。设计的双级双速钻井工具在胜利油田3口井进行了现场试验,试验结果表明,双级双速钻井工具使用时钻压、泵压及工具性能稳定,机械钻速比邻井平均提高80.37%,总体效果显著。研究认为,设计的双级双速钻井工具综合性能好,在低渗透地层钻进时能够提高机械钻速,具有推广应用价值。       

高分子添加剂射流破岩钻孔的试验研究

针对径向水平钻井技术的特点和水射流直接破岩钻孔的需要,试验研究了高分子聚合物添加剂聚丙烯酰胺(分子量大于1000万)对射流破岩钻孔效果的影响。试验是在常压实验架上进行的,由XZ型三柱塞泵提供动力,岩心采用灰砂比1:1.5的自制岩心。为了试验的可比性,聚丙烯酰胺溶液均一次性使用。结果表明:在合适的浓度范围内,高分子添加剂的加入有利于射流破碎岩石;高分子添加剂对旋转射流破岩效果的提高在小喷距条件下尤为突出;高分子添加剂能增大圆射流破岩的最优喷距;在小喷距范围内,添加剂旋转射流的破岩效果仍要优于圆射流。破岩效果表明,对于高分子添加剂射流存在有最优添加剂浓度。     

水力脉冲空化射流技术在非常规钻井中的应用

部分非常规井由于地层古老,岩性致密,可钻性差,钻井周期长,钻井过程中遇到的复杂情况增多,机械钻速下降幅度明显增大,同时钻井成本也急剧增加。从非常规钻井施工实际不难发现,采用传统钻井工艺和方式不能解决钻井机械钻速低,钻井周期长等难题。目前,石油专家通过探索研究发现,在水力参数不变的条件下,利用脉冲射流和空化射流能够产生较大的冲击载荷,提高清岩和破岩效率,从而顺利解决了钻井机械钻速低,钻井周期长等难题。通过跟踪、对比分析水力空化射流钻井技术在非常规钻井中的应用情况,研究该技术提高机械钻速的可行性,探索提高水力脉冲空化射流工具结构、水力参数、钻具组合与地层适应性关系,对非常规钻井提速做好技术准备具有重要的现实意义。     

Properties and testing of a hydraulic pulse jet and its application in offshore drilling

Offshore drilling has attracted more attention than ever before due to the increasing worldwide energy demand especially in China. High cost, long drilling cycles, and low rate of penetration （ROP） represent critical challenges for offshore drilling operations. The hydraulic pulse generator was specifically designed, based on China offshore drilling technologies and parameters, to overcome problems encountered during offshore drilling. Both laboratory and field tests were conducted to collect the characteristics of the hydraulic pulse generator. The relationships between flow rate and pressure amplitude, pressure loss and pulse frequency were obtained, which can be used to optimize operation parameters for hydraulic pulse jet drilling. Meanwhile a bottom hole assembly （BHA） for pulse jet drilling has been designed, combining the hydraulic pulse generator with the conventional BHA, positive displacement motor, and rotary steerable system （RSS） etc. Furthermore, the hydraulic pulse jet technique has been successfully applied in more than 10 offshore wells in China. The depth of the applied wells ranged from 2,000 m to 4,100 m with drilling bit diameters of 311 mm and 216 mm. The field application results showed that hydraulic pulse jet technique was feasible for various bit types and formations, and that ROP could be significantly increased, by more than 25%.     

新型超高压井下增压系统的研制与应用

油气钻井工程实践表明,利用高压射流辅助破岩是提高深井机械钻速的有效途径,而井下增压技术是一种产生高压射流的方法,井下增压系统装置的稳定性、可靠性是该技术工业应用的关键。为此,围绕井下增压系统配套的关键工具进行了研究与实验:①优选的螺杆增压器可将螺杆钻具输出的旋转运动转换为轴向往复运动,达到对部分钻井液实施增压的目的;②依据室内实验获得的不同喷距、射流角度下高压流体对岩石的冲蚀数据,研制了与螺杆增压器适配的超高压双流道钻头;③在地面采用清水作为试验介质进行了测试,高压喷嘴直径1.5 mm,泵压为4 MPa,排量18 L/s,地面测试期间高压喷嘴出口明显可见脉冲高压射流,井下螺杆增压装置运行稳定。在5口井上完成钻井总进尺1 015 m、纯钻进时间206 h,与邻井相比平均机械钻速提高了51.4%。试验结果表明,该井下增压系统在钻井作业中提速效果明显、设计合理、工作可靠。