空气锤钻井机械比能计算方法

空气锤钻井是目前硬质岩层钻井提速提效的重要工艺,为了实时评价空气锤钻头的工作效率,提高钻井施工可控性,对空气锤钻井机械比能计算方法进行了研究。基于前人提出的机械比能相关理论,分析了空气锤钻头机械结构和钻进机理,引入冲击效率和冲击速度等参数修正完善机械比能计算模型,并提出能量传递效率η_tr,辅助分析空气锤钻井效率。根据以上理论模型,研制了空气锤钻井机械比能计算软件,可综合利用钻井参数、岩石力学参数、机械比能、能量传递效率等多种连续曲线剖面科学评估空气锤钻头的钻井效率,并采用元坝区域的钻井数据进行验证。结果表明,该计算方法得到的空气锤机械比能和能量传递效率对钻井效率的评价基本与现场实际情况相符,本文所研究的方法对评价空气锤钻井效率、优化钻井参数和钻后分析具有重要意义。     

考虑流固耦合钻井液冲蚀引起的钻柱失效分析

基于钻柱与钻井液耦合影响因素分析,建立了钻柱失效模型,利用流固耦合和钻柱振动的基本理论对钻柱的振动频率和振动速度进行了求解,分析了钻井液密度、流速、流动应力以及钻柱的振动频率和速度对钻柱失效的影响,在此基础上利用冲蚀理论对钻柱的失效进行研究得到了钻井液对钻柱的冲蚀磨损量以及最大冲蚀角度。根据算例参数设计了对应的室内实验,并将算例分析结果与实验结果进行对比,验证了本文所建的钻柱失效模型的正确性,结果表明考虑流固耦合钻井液对钻柱的冲蚀磨损量要远大于未考虑流固耦合钻井液对钻柱的冲蚀磨损量;层流状态下钻井液引起钻柱失效所发生的最大冲蚀角与钻井液和钻柱之间是否进行流固耦合无关。工程应用实例表明,本文研究结果可以较好地指导钻井作业实践,对于减少钻柱失效和降低钻井成本具有一定的参考意义。     

东海西湖凹陷安全高效钻井技术优化研究

东海西湖凹陷钻井作业钻井速度较慢,深部井段井下复杂情况频发,作业效率不高。为了增加东海西湖凹陷的钻井速度、提高钻井效率,在表层井段采取了减小井眼尺寸并建立力学模型分析下入深度的技术方案;优化了井身结构,减少了作业开次;中下部井段改用油基钻井液;使用了一体化钻具组合,优化了钻井参数。通过对表层提速、井身结构、钻井液性能、提速工具四个方面的技术进行了研究,形成了东海西湖凹陷安全高效钻井技术,能够提高机械钻速、增强井壁稳定性和井眼清洁能力、缩短钻井周期、降低深部地层的井下故障率。该项技术在东海西湖凹陷数个构造的10余口井进行了现场应用,与东海同期作业相比,全井段机械钻速提高20%,钻井周期缩短23%。该技术成果可以为海洋钻井提速提效提供行之有效的技术思路。     

哈萨克斯坦KOA油田钻井减振提速技术研究

KOA油田位于哈萨克斯坦滨里海盆地东缘，该油田上部上二叠统地层砂、泥岩互层严重并夹杂有泥板岩和砾石层，非均质性强、可钻性差，经常发生跳钻和井下工具损坏等复杂情况。为了提高钻井效率、控制油田综合开发成本，在该地层中实现钻井减振提速显得十分迫切。通过分析该地层岩性特征确定了地层岩石等效刚度，并将岩石等效刚度引入到钻柱力学模型中，进而确定了在该地层中钻柱系统的固有振动频率；同时以此为计算依据，优选出了合适的钻柱减振器刚度并应用在新井钻探中。在新井中，装备有合适刚度的减振器，很好地调节了钻柱固有频率，显著减弱了有害振动，提高了机械钻速。研究结果表明，引入地层岩石等效刚度的钻柱系统力学模型合乎实际情况，通过该模型优选的钻柱减振器刚度可以有效减振和提速。     

基于机械比能理论的复合钻井参数优选方法

为了进一步提高深部地层钻井速度,利用机械比能理论对复合钻井参数进行优化。从岩石力学和能量守恒角度出发,分析了基于机械比能理论的钻井优化机理,得出了钻进参数与机械钻速之间的相互关系。在Teale机械比能模型的基础上,引入钻头滑动摩擦系数和钻头破岩效率系数,将扭矩表示为钻压的函数,解决了常规钻井中扭矩难以直接测量的问题,建立了基于比能理论的复合钻井参数优化模型,并开发了钻井优化系统。该系统在实钻过程中可以进行钻井参数的动态监测,实时反馈钻井参数优劣,提示井下复杂情况。现场试验应用后,优化井段平均机械钻速提高20%~30%,钻头使用寿命延长。研究结果表明,机械比能理论能够用于钻进参数优化,达到深层提速和降低钻井成本的目的。      

钻头工作效率实时评估新方法

为了实时评估钻头的工作效率,增加钻井施工的可控性,对钻头工作效率实时评估方法进行了研究。基于前人提出的机械比能理论,对钻头扭矩进行简化处理并提出了岩石有侧限抗压强度理论,给出了相关计算公式,利用各参数间的相关性,反推出钻速方程,达到了通过邻井钻井数据预测钻速的目的。根据以上理论模型,开发研制了相关软件,实现综合利用测井数据、岩石力学参数、机械比能和机械效率等多类连续剖面科学评估钻头性能,并采用现场数据进行了验证。结果表明:该模型计算出的钻头扭矩、岩石有侧限抗压强度和机械效率等参数很好地反映了现场钻头运行情况和磨损程度,基本满足了钻井施工的要求。所研究的评估方法对钻头优选、钻井实时模拟决策和钻后分析具有指导性意义。     

一种井下减摩振动器的设计

在连续管水平钻井中,管柱与井壁之间的摩阻是影响钻井深度的重要因素。而井下振动减摩工具可以很好地减轻管柱的摩阻,延伸管柱的入井位移。为此,以机械式振动减阻器为研究对象,用有限元软件设计了井下减摩振动器的具体结构。抽取流体域模型并将其导入到ANSYS Fluent流体软件中,模拟计算振动过程中液体压力随阀口间隙的变化规律,据此计算并选出2个碟形弹簧的特性参数;最后将相关参数植入用Simulink模块建立的振动仿真系统中,计算了振动过程中减摩振动器各参数随时间的变化规律。研究结果可以为类似振动减阻器的设计提供参考。     

利用测井资料进行金刚石钻头设计和选型

在弹性力学理论基础上，建立起预测岩石力学特性的数学模型以及金刚石钻头设计参数的计算模型，并利用现场测井资料对金刚石钻头设计参数（保径材料、水力结构、切削齿尺寸、布齿密度以及钻头剖面）进行了分析研究，针对地层岩性特点优化钻头设计，并相应地推荐了适用的钻头型号。现场应用表明，利用该方法设计制造的钻头能显著提高钻速，降低钻井成本，社会和经济效益显著     

磨溪高石梯区块震旦系探井钻井提速技术措施与效果

针对川中磨溪高石梯区块震旦系探井钻井技术难点,开展了深井钻井提速工程研究试验,通过优化井身结构、优选和应用个性化设计的高效PDC钻头、应用复合钻井技术以及优选钻井施工参数等技术措施,大幅度提高了震旦系探井钻井速度,形成了一套适合该区块钻井工程地质条件的深井钻井提速配套技术,为加快该区块天然气勘探步伐提供了有力的技术保证。     

测井资料在岩石力学参数中的应用

从井壁力学稳定性着手，建立了井眼稳定性分析的力学模型。根据大情字井油田的钻井资料、测井资料及岩心实验结果，计算出该地区各种力学参数和地应力。该方法简单，便于现场应用，计算结果与实钻资料吻合，为该地区钻井液密度的正确选择提供了理论依据和设计方法。     

气体钻井随钻安全风险识别与监控

气体钻井对地质条件有较为苛刻的要求,地层失稳、产水、钻具失效以及井下燃爆等均有可能导致气体钻井失败,因此随钻井下风险识别及监测对于保障气体钻井安全具有重要意义。为此,提出将理论分析和现场案例相结合,总结气体钻井过程中井壁失稳、产水、产气、井下燃爆、钻柱失效等主要风险发生时的工况参数表征,建立风险发生与对应工况参数变化的关系模型,开发自动化分析平台对工况参数变化进行分析,以判断发生的风险类型。基于已有的地面监测技术,研发了地面—井下参数监测系统,用测量短接实时监测井下温度、压力、湿度以及钻具振动等参数,并通过中继短接传输到地面,可以更快速、准确地获知井下各项参数的变化情况。将关系模型、分析平台以及监测系统相结合,形成了气体钻井随钻安全风险辨识方法。在新疆塔里木盆地开展的现场试验结果表明,该方法能够快速反映出气体钻井各项参数的变化情况,准确判断井下发生的风险类型,可有效降低气体钻井安全风险,提高气体钻井效率。     

空气钻井计算方法及应用软件

在空气钻井实验中,经常出现钻井生产无法顺利进行的情况,轻者则是带屑不好,钻井效率低;重者则是井眼段塞、井壁垮塌,引发卡钻、井下爆炸等事故。显然,确定合理的空气钻井施工参数是保障钻井生产顺利进行的基础。文中根据空气钻井环空流速场、压力场的理论模型,结合空气钻井实际工况,对空气钻井计算方法进行了有益的探索,并用实钻数据进行验证。     

提高小井眼钻井速度研究

小井眼与常规井眼的钻井工艺有较大差异,提高小井眼钻井速度有很大的实际意义。通过对小尺寸动力钻具局限性的研究,对小井眼钻具组合进行了优选,并且考虑小井眼的工作特点,为了使小井眼钻井钻头在井底达到最佳工作状态,通过理论计算,确定最优钻井参数,以达到机械钻速最佳。     

基于振动实测的非均质地层钻头失效分析与对策

四川盆地作为国内页岩气开发的重点区域,通过近几年的不断攻关和实践,机械钻速得到了提高,但由于受地层复杂、可钻性差、非均质性强等地质因素的影响,导致井下钻柱系统不良振动剧烈,容易出现钻头损坏严重、钻速较低等问题,严重影响了钻井时效。为了解决上述难题,以该盆地涪陵工区上二叠统龙潭组—中二叠统茅口组为例,采用井下振动高频测量工具的实测手段,测量了钻头—钻柱系统的动态振动加速度参数,结合地层的岩性和矿物组分分析,研究钻头失效原因与对策,并开展了现场试验。研究结果表明:①在非均质地层中钻进的钻头—钻柱系统产生了大于40 m/s~2的高幅值瞬时冲击振动,高幅值的瞬时冲击是导致钻头先期失效的主要原因;②提出了抑制高幅值的瞬时冲击振动采用"减振+增压"工具组合和避免井下工具共振的钻井参数;③采用钻井新参数的试验井比邻井的高幅值瞬时振动降低了17%,单只钻头进尺增加24%,钻头工作环境得到了较大的改善,钻头使用数量减少。结论认为,该研究成果能够有效地改善钻头—钻柱系统的振动状态,有利于达成延长钻头使用寿命的目标。     

高研磨性硬地层钻井提速技术

川东北陆相自流井组和须家河组地层岩性致密、研磨性强,机械钻速低、钻头消耗量大,是制约该区域钻井提速的关键层段。为实现提速,各种新型井下工具得到了试验应用,但效果参差不齐。通过计算分层段岩石可钻性,推荐自流井组至须家河组采用孕镶金刚石钻头提高破岩效率;为降低硬地层和软硬交互层段钻头失效导致的钻速低问题,开展了三开井段典型钻具组合扭转和纵向振动理论分析,提出东岳庙段以浅地层采用扭力冲击器配合PDC钻头降低黏滑,珍珠冲段含砾岩层段需使用减震工具或改变钻具组合降低纵振,砂泥岩互层段需推广使用双向减震器或水力加压器降低纵振;采用高速螺杆+孕镶金刚石钻头的复合钻进,提高自流井组至须家河组大井眼定向速度。5口井现场实施后,机械钻速成倍增加、钻头新度提高30%,须家河组?311.2 mm井眼定向速度提高1.32倍。     

气体钻井钻柱失效因素分析与对策研究

文章通过对2005～2021年期间川庆气体钻井所发生的76次断钻具事故的统计分析,认为气体钻井中钻具失效的主要原因在于钻具疲劳、钻具振动、化学腐蚀以及高速冲蚀破坏等几个方面。其中,采用空气锤钻进时,在冲击力作用下钻具的瞬时中和点上移,疲劳点不一定集中于近钻头的Ø228.6mm钻铤;高频段的钻具振动对钻具产生的破坏影响较小,而低频段的钻具振动会引发低阶钻柱共振,进而引起钻具振动失效;在地层产水条件下实施气体钻井时,钻具易发生溶解氧腐蚀和二氧化碳弱酸性腐蚀,造成钻具的点蚀破坏;井底岩屑伴随高速气体呈间歇性的高速撞击钻柱形成冲蚀破坏,是造成钻具磨损失效的主因。基于上述原因分析,从优化钻具组合、完善雾化基液缓蚀工艺和气体注入参数等方面提出了具体的对策,为减少后期气体钻井过程中钻具失效机率做参考。     

海上钻具失效的力学特性分析及应用

针对海上钻井钻具失效问题,采用莫尔圆、第四强度理论及能量守恒原理建立了钻具在拉伸及蹩停动载条件下的扭矩计算方法,并进行了实例分析。结果表明,钻具在拉伸载荷或扭矩的作用下更容易失效。本文成果可为海上钻井参数选取和现场操作提供参考。     

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。     

超高温地热井泡沫钻井井筒压力剖面计算方法

肯尼亚OLKARI地区地热井地层温度高达350 ℃,主要采用泡沫钻井,然而其低压和超高温的特点可能造成泡沫流体相态变化,目前尚没有针对相变条件下泡沫钻井井筒压力剖面的计算方法。为此,利用流体高压物性分析仪,绘制出泡沫钻井液“p - T"相图,并指出了钻井液相态变化的规律。进而应用现有的欠平衡钻井流体流动模型,建立了一套适应相变的钻井工况参数计算模型。最后,利用OLKARI地区某地热井的温度、压力资料,计算了该口井的流体流动参数,得到了该井井筒中的泡沫相态分布规律。通过井筒内流体压力的计算,可以更准确地了解工作液的工作状态,为预防井下复杂事故的发生提供了理论依据。