大位移井减阻工具性能试验与数值模拟

为解决大位移井、长水平井等在钻进过程中摩阻大、托压等问题,设计了新型大位移井减阻工具。该工具利用水力脉冲压力波动,使钻柱产生轴向振动,有效减小钻柱与井壁间的摩阻,改善钻压传递,延伸定向井、大位移井、水平井等井眼长度。通过工具性能试验和数值模拟相结合的方法,验证了减阻工具设计的可行性和振动的稳定性。分析了叶轮的叶片数、承压板的通孔面积、钻井液排量等参数对减阻工具脉动压力频率和幅值、压降、轴向振动位移等的影响规律。研究结果可为大位移井降摩减阻技术研究、减阻工具参数优选等提供参考。     

水力振荡器的研制与现场试验

为了解决水平井钻进过程中摩阻大、托压的问题,提高水平井钻井效率,研制了水力振荡器。依据机械振动理论,井下钻具在一定频率轴向振动时,可以将钻具与井壁之间的静摩擦转变为动摩擦,且动摩擦力小于静摩擦力;水力振荡器是以钻井液作为动力源,驱动振荡器轴向运动带动井下钻柱沿轴向振动。在卫 186-平142 井进行了水力振荡器现场试验,进尺501.00 m,累计工作时间96 h,托压减小20~40 kN,滑动钻进36.77 m,机械钻速提高54.9%,复合钻进464.23 m,机械钻速提高23%。现场试验结果表明,应用水力振荡器钻进时能够降低水平井摩阻,减小托压,提高机械钻速。      

机械式旋冲工具对水平井送钻摩阻的影响规律

托压问题是制约水平井滑动钻进机械钻速的主要因素之一，使用振动减阻工具是水平井减阻最直接有效的方式。为分析振动减阻工具在水平井中的减阻效果，针对一种螺杆驱动的机械式旋转冲击钻井工具，对工具在不同钻进工况下的钻压波动、位移变化进行了模拟计算，解释了低频冲击工具可以实现振动减阻的根本原因。计算结果表明：旋冲工具降低摩阻需要借助钻压；激励频率越大，钻头处的钻压波动越剧烈；存在最佳的激励频率使得钻头处钻压整体处于最高水平；旋冲工具工作时，钻头处的钻压波动不仅包含激励本身的频率，还会包含激励频率的2倍、3倍等更高倍数的频率。研究结果可以为旋冲工具工作参数的优化，以及工具在水平井中实现最佳提速效果提供理论指导。     

Φ178型水力振荡器研制与应用

在水平井造斜段或长水平段钻进过程中,钻柱与井壁产生摩阻、粘卡、托压现象,无法给钻头施加有效钻压。研制了水力振荡器,以钻井液作为动力源,使钻具在轴向上产生振动,将静摩擦力转变成动摩擦力,从而减小摩阻,降低粘卡风险,防止托压现象的发生。现场试验证明:该工具能够为钻头提供有效钻压,减小摩阻,提高机械钻速,缩短钻井周期。     

页岩气水平井用轴向振动减阻工具研究

随着非常规资源的广泛开发,水平井、定向井、大位移井、多分支井的数量越来越多,通常这些井的位垂比较大,轴向钻压向下传递存在困难,有时将出现过大的摩阻和钻柱屈曲,甚至会导致钻柱发生自锁,使得泥浆电机滑动钻进、钻柱与完井管柱的下入、钻进期间为钻头传递钻压都将变得异常困难。轴向振动减阻工具可以实现钻柱及井下工具连续的轴向振动,打破静态摩擦并消除扭转振动,解决拖压问题、实现有效的钻压传递、减少滑动钻进期间的钻具拖压和电机制动现象、提高对工具面的控制能力,增加钻速和钻头寿命。该技术工具不仅适合于水平井、定向井、大位移井、多分支井和套管开窗侧钻井,而且同样适用于深直井和超深直井、旋转钻进和旋转导向、连续管作业等,讨论了轴向振动减阻工具的原理结构和应用效果,并对其良好使用提供了建议。     

水力脉冲轴向振荡减摩钻井技术分析

水力脉冲轴向振荡减阻钻井技术可降低滑动钻进摩阻,改善钻压传递和工具面的控制,提高机械钻速。介绍了水力脉冲轴向振荡减阻钻井技术的减阻原理、水力脉冲轴向振荡减阻工具的结构原理。对轴向振荡减阻钻井工具进行了量化分析。现场实际应用及量化分析表明,在钻柱中加入轴向振荡减阻工具,减少了托压现象及摆工具面的时间,工具面更稳定,对常规PDC钻头具有良好的适应性,可改善钻压传递效果。该工具对MWD、LWD信号传输不会产生干扰。     

水力振荡器性能参数与减阻率影响规律研究

为更科学地优化水力振荡器的参数设计及施工参数设置,建立了水平段钻柱振动模型并进行了数值模拟,采用Minitab软件对数值模拟结果进行了分析,研制水力振荡减阻试验装置并开展了振荡减阻机理试验,通过方差分析了钻压、振动幅值及频率对减阻率的影响规律。分析结果表明：各因素对摩阻的影响程度由大到小依次为振动幅值>钻压>振动频率,其中钻压对减阻率的影响表现为消极,振动幅值和频率对减阻率的影响表现为积极,同时钻压、振动幅值、频率3个因素对减阻率变化的贡献率分别为11.76%、51.98%及10.97%,振动幅值是水力振荡器设计中需要优先考虑的因素。研究结论可为水力振荡器的参数设计及现场应用中施工参数的设置提供理论支撑。     

水力振荡器激励力形式对减阻效率的影响分析

现有研究对水力振荡器的激励力形式研究较少。考虑摩擦力的非线性效应，引入初始条件、边界条件和连续性条件，建立了带水力振荡器的钻柱动力学模型，利用有限差分法进行求解。以减阻效率作为目标函数，考虑钻柱失效和水力损失等约束，对减阻因素进行参数优化。研究结果表明：振幅和频率的增加均可有效降低摩擦力，提高减阻效率；在激励能量相同的条件下，大振幅和高频率下的激励力形式，即脉冲式激励力，更有利于提高减阻效率，3种因素的影响排序为激励力形式>振幅>频率。建议采用激励力形式2,即振幅45 kN,频率22.5 Hz。研究结果可为带水力振荡器钻柱的安全控制和优化设计提供一定的指导。     

水力振荡减阻钻进技术发展现状与展望

随着水平井和大斜度井在油气开采中的广泛应用,钻进过程中钻柱与井壁之间摩阻较大时常产生托压现象,导致无法有效施加钻压,影响机械钻速,甚至诱发黏吸卡钻等井下事故。水力振荡减阻技术采用水力振荡器在钻具轴向产生一定频率和振幅的振动,将静摩擦力转变为动摩擦力,以减少钻具与井壁之间的摩阻,具有良好的发展前景。从振动减阻的原理、国内外水力振荡器典型结构、关键技术等方面系统分析了国内外水力振荡器的研究现状,指出现有水力振荡器存在的问题,提出应发展涡轮动力水力振荡器的建议,可为该技术的发展和提高提供参考依据。     

BH-HVT 水力振荡器在三维绕障井ZH30-38 井的应用

大位移、大井斜井段钻井施工中,因钻具与井壁间摩阻大,导致钻压无法平滑地传递,经常出现托压现象,需频繁提放钻具,调整工具面,严重影响施工效率。为缓解钻具托压,在ZH30-38井三开稳斜扭方位井段应用BH-HVT水力振荡器,通过工具产生的轴向振动,使滑动钻进摩阻由静摩擦转变为动摩擦,降低了钻井摩阻、改善了钻压传递效率,提高了机械钻速。与邻井同层位未使用该工具时相比较,滑动机械钻速提高26.1%～40.4%,行程钻速提高133.1%～187.5%。水力振荡器在该井的成功应用,为大位移、大井斜井及水平井的钻井提速提供了有益的借鉴。     

钻井水射流附壁振荡短节的频率和压降分析

水平井、大位移井等复杂井在钻进过程中会出现大摩阻、钻压拖拽等问题.水力振荡器可以有效降摩减阻、提高钻井效率,而侧壁高度、侧壁角度、劈尖距离及反馈角度等结构参数是影响振荡短节振动特性的关键因素.在阐明水力振荡器工作原理、进行理论分析的基础上,利用CFD数值模拟方法及单因素分析法研究了结构性能参数变化和振荡器压降频率之间的...     

新型减摩阻工具的射流振荡动力学机理

在水平井段钻进时,钻柱与井壁之间的摩阻将抵消一部分钻压,使钻压很难传递到钻头,降低了钻压传递效率。为了降低钻井摩阻、提高钻进效率,研制出了一种新型射流振荡减摩阻工具(以下简称新工具),开展了新工具的动力学和振动减摩阻特性研究,进行了新工具算例分析与室内实验测试,并对其结果进行了对比分析。研究结果表明:①新工具能够产生射流振荡效果,形成脉冲压力波动,使钻柱产生轴向振动,减小钻柱与井壁之间的摩擦阻力;②结合实际工况条件,随着钻压和转盘转速增大,钻头转速波动范围增大,产生钻柱黏滑现象的可能性降低;③算例分析与实验测试结果得到的振动速度均呈现明显的非线性规律,能够反映钻柱的真实振动特性。结论认为,算例计算与实验测试结果一致,验证了新工具结构设计的合理性和计算结果的准确性;新工具有效降低了水平井的钻井摩阻,不仅为实现油气井高效钻井提供了技术支持,也为新条件下的油气井钻井工具开发提供了参考。     

长水平段水平井钻进摩阻控制

长水平段水平井能够增加钻遇油层的长度和数量,提高单井油气开采量,在薄油层开发、海油陆采方面具有明显的技术优势。但由于水平段过长,钻进过程中面临着严重的摩阻问题。以胜利油田某长水平段水平井为例,采用有限元方法,从井身剖面结构参数优化、钻井作业参数优选等方面,分析其对摩阻的影响规律及其内在影响机理。研究结果表明,案例井造斜段曲率半径对长水平段水平井摩阻影响较为明显,应综合考虑地层特点、造斜率控制难度以及后期送钻能力进行合理选取;起钻过快会导致钻柱与造斜段上井壁摩擦严重,下钻时应平衡下入效率、钻柱变形和摩阻的关系,防止遇阻;复合钻进时低速区的转盘转速不会引起摩阻的明显变化。     

降摩阻扶正器在水平井大修中的应用

通过对水平井大修特点进行分析,阐述了水平井大修中钻柱安装降摩阻扶正器的效果,介绍了降摩阻扶正器的结构和原理。实际应用表明,水平井大修中,钻柱安装降摩阻扶正器对于降低钻柱扭矩、减少起下钻摩阻具有重要作用,可以降低钻具损耗、提高磨铣效率。     

水平井防托压工具安全性评价与试验

摩阻问题是井下复杂事故的最直接原因,如何降低水平井摩阻是减少水平井事故、提高机械钻速和目的层中靶率的关键。设计了防托压工具,该工具可以降低水平井段摩擦阻力,提高机械钻速,能够解决井下卡钻、钻井进尺小的问题。现场试验表明:设计的防托压工具工作参数满足要求,可以产生预期效果,使用该工具能够降低水平井段摩擦阻力,提高水平井延伸钻进能力,并且不会对钻头或其他钻具连接螺纹造成破坏。     

水力振荡器在ZP21井中的应用

介绍了水力振荡器的工作原理及技术参数,水力振荡器在ZP21井中的应用结果表明:水力振荡器定向钻进机械钻速提高116.66%,复合钻进机械钻速提高52.17%,可有效降低长水平段水平井的施工摩阻,取得了很好的应用效果及经济效益。     

水平井钻井水力振荡器安放位置优化与试验

水平井钻井中时常遇到摩阻高、托压、钻速低的问题,而水力振荡器是解决这类问题的有效手段之一,由于常规钻柱摩阻预测无法考虑水力振荡器影响,对水力振荡器的最佳安放位置仍然存在争议。为此,考虑水力振荡器产生轴向振动的影响,基于Dahl动态摩擦模型和常规刚杆模型建立了钻柱动态摩阻计算模型,并以井口实测的大钩载荷验证了该模型的准确性,分析了水平井摩阻分布特征和规律,并优化了水力振荡器的安放位置,最后开展现场验证试验。结果表明,钻柱动态摩阻计算模型计算得到的大钩载荷与实测数据一致性好、精度高,最大误差13. 19%,平均误差仅4. 90%;苏里格气田试验区水平井斜井段的最佳安放位置距离钻头60～80 m,水平井段的最佳安放位置距离钻头60～100 m;现场试验结果表明,斜井段械钻速提高了39. 01%,水平段机械钻速提高了41. 57%,提速效果明显。     

摩阻扭矩装置钻柱稳定性分析及可视化应用

钻进过程中钻柱的非线性屈曲影响着摩阻扭矩试验装置的安全和平稳运行。针对现有的水平井摩阻扭矩试验装置,基于动力学软件ADAMS,结合力平衡理论和相似理论,建立了与真实试验装置具有一致钻井参数的水平井段钻柱-井壁动态非线性接触模型。研究了不同钻压下钻柱在井筒中的运动状态与钻柱系统各测点的偏移量,通过分析得到钻柱屈曲的临界预警钻压为29 N,进一步保证了装置的安全运行,提高了钻柱摩阻扭矩装置的试验效率。另因钻柱系统在井筒中的钻进过程难以观测,结合仿真结果,基于Keyshot软件重现了井下钻具组合钻进过程,实现了井下钻柱系统工作状态的可视化。在试验和理论相互补充、支撑的同时便于利用该装置针对钻柱摩阻扭矩开展更深层次的研究。     

钻杆减阻工具减阻效果计算与分析

通过全井钻柱系统动力学模型和计算软件,以某已实施水平井为例,计算了井口至不同井段的动态摩阻扭矩,根据计算结果初步设计了多种减阻工具安放方案,完成了不同安放方案动态摩阻扭矩的计算与分析,通过分析发现动力学计算方法能较好地反应摩阻扭矩的波动情况;具体井况中减阻工具的安放数量存在一个临界值,并非越多越好;安放位置必须经过对比计算确定,合理的安放位置不仅可以有效降低摩阻,而且可以减少安放工具数量。文中的钻柱系统动力学特性分析技术可以为减阻工具选型及安放位置优化提供有力的支撑。     

径向振动对旋转钻柱摩阻扭矩的影响

大位移井已被广泛应用于非常规油气资源的勘探开发当中，但在大位移井大斜度稳斜段钻进过程中，如果扭矩过大易造成钻柱失效，而目前关于水平段径向振动对于旋转钻柱摩阻扭矩影响规律的研究则较少，并且多集中于产生径向振动工具研制和摩擦系数测量等方面。为此，在分析径向振动对于旋转钻柱摩阻扭矩影响原理的基础上，设计了不同型号截面外形为椭圆形的钻杆减磨接头模型；采用自行研制的减摩降扭工具性能试验装置，对不同钻速、转速条件下安装有不同钻杆接头模型的水平旋转钻柱进行扭矩测试；进而探究了径向振动对钻柱摩阻扭矩的影响规律。研究结果表明：①随钻杆接头椭圆截面长短轴半径比的增大，扭矩均值和扭矩波动最大幅值均先减小后增大，长短轴半径比为1.065时，扭矩的均值和最大幅值均明显降低，可以起到减摩降扭的作用；②减小钻速和转速，可以降低扭矩均值；③转速超过45 r/min后，扭矩最大幅值随转速的增加变化不大；④扭矩波动基频与转速呈近似线性关系，与钻速和长短轴半径比无关。结论认为，该研究成果可以为大位移井水平井钻柱接头设计与应用提供帮助。