旋转导向钻井PDC钻头破岩数值模拟研究

常规P DC钻头配合旋转导向工具使用时,易出现造斜率不足和稳定性差等问题,严重影响旋转导向钻井系统正常工作.为了揭示旋转导向工具配套P DC钻头关键结构参数对造斜率的影响规律,基于Ls-dyna数值模拟软件,建立了?215.9 mm PDC钻头配合推靠式旋转导向工具全尺寸破岩模型,明确了钻进过程中造斜率与钻头侧向受力的...     

气体钻井双稳定器钟摆钻具的模拟仿真分析

针对气体钻直井的井斜控制问题,设计了一套气体钻井专用稳定器,用有限元仿真软件对气体钻井专用双稳定器钟摆钻具的力学特性进行模拟分析。从钻具本身的结构参数、井眼参数以及钻井参数等方面考虑,分别讨论了上下稳定器间距、下稳定器与钻头的距离、钻压、井斜角以及上下稳定器尺寸与钻具钟摆力的关系,分析了各个参数对钻具钟摆力的影响程度。计算结果与相同条件下纵横弯曲梁理论得出的结果相对比,两者基本吻合。通过分析可知,使用该专用稳定器的钟摆钻具组合在用气体钻井时具有较强的防斜纠斜能力,能够有效地控制气体钻井井斜问题。     

PDC钻头破岩的动态数值模拟

使用CAD软件建立了81/2”PDC钻头的几何模型,导入有限元软件进行钻头破岩的动态数值模拟,将地层材料设定为正交各向异性,地层倾角为15°。数值模拟结果表明：井眼是一步步“跳跃式”加深的,钻头偏离了地层层面的垂直方向;钻头与地层的接触具有随机性,主要是底部和侧面牙齿与岩石的接触,其它部位与地层的接触较少;在破岩过程中,钻头上下振动引起瞬时速度随时间不断变化,并且在加深井眼的同时,不断横向运动,扩大井眼;在整个数值模拟过程中钻头扭矩也是在不断变化,钻头会发生“空转”和“滞动”现象,并且存在“反转”趋势。本文的研究结果对提高PDC钻头破岩机理的认识具有重要意义,同时为研发控制反扭矩的钻具奠定了基础。     

气体钻井井斜机理分析

随着气体钻井技术的广泛应用,气体钻井过程中的井斜问题日益受到关注,但其机理研究还有所欠缺。本文结合气体钻井井斜的特殊性,从破岩机理、温度、地层因素、井径扩大、下部钻具组合运动状态等方面分析了气体钻井的井斜机理。分析结果表明：与钻井液钻井相比,井底岩石应力状态变化导致地层各向异性指数显著增加,是气体钻井容易井斜的根本原因;井径扩大以及整体钻柱所受摩阻变化影响下部钻具的运动特性,是气体钻井易井斜的重要原因。为此,提出了几点解决气体钻井井斜问题的技术思路,供气体钻井防斜进行参考。     

基于岩石性能试验的冲旋钻井钻齿破岩仿真

利用空气冲旋钻井技术进行钻进时,易出现钻齿脱落、折断以及磨损严重等失效问题。针对该问题,应用岩石力学试验机和SHPB试验装置,开展了花岗岩动态劈裂拉伸、单轴压缩和围压下的压缩性试验,为数值模拟提供了必要的岩石材料模型参数。数值模拟选用H-J-C动态本构模型,结合试验结果确定了材料模型参数,选择花岗岩的拉应变作为失效准则。在此基础上,对钻齿的齿形参数和破岩的钻齿侵入深度、破碎体积进行了数值模拟。研究表明,相同工况下锥形中心齿的破岩效率最高,边齿角度取30°可显著提高岩石的破碎体积。在此基础上,对齿面布齿进行选配研究,发现“中心球形齿+周围锥形齿”的破岩效率最高,“中心球形齿+周围球形齿”组合的破岩效率最低。      

气体钻井井斜机理研究

气体钻井存在井斜不易控制的难题,其机理尚不明确。应用纵横弯曲BHA(底部钻具组合)分析方法和钻头与地层相互作用模型,根据实钻资料对比分析了气体钻井和钻井液钻井的地层造斜特性,进而探讨了气体钻井的井斜机理。结果表明,与钻井液钻井相比,气体钻井条件下地层造斜力和钻具降斜力都有增加,但地层造斜力增加的幅度更大,这正是气体钻井更容易发生井斜的原因。因此,建议在用气体钻井技术打直井段时,通过调整钻具组合和钻进参数适当增加钻具的降斜力,以提高井身质量。     

气体钻井井底应力场数值模拟研究

通过分析气体钻井井底岩石边界条件,建立了轴对称井底岩石物理模型。利用有限元方法求解,对1 000～3 000 m井深条件下的井底岩石应力场进行数值模拟计算,并对井眼轴线、井底面、井壁进行岩石力学特性分析。分析结果表明,井轴最大主应力在1.6～2.8倍井径距离后,应力逐渐低至水平地应力,破岩难度增加;井底面0.0～0.8倍井径区域存在低应力区,有利于岩石破碎;在井底面向上0.0～0.2 m井壁范围内出现拉应力增加趋势,易出现井壁失稳现象。     

徐深气田气体钻井破岩机理的初步研究

根据气体钻井实钻情况及其与常规钻井方式的差异,借鉴前人研究成果,提出了一种新的破岩机理——内能释放破碎机理,即气体钻井依靠岩石脱离巨大压持作用而将岩石内积聚的巨大内能进行释放的破碎理论。岩石破碎过程为:原始岩石内能积聚;径向岩石受力变化产生的内能膨胀;径向岩石膨胀及微裂纹产生;钻头敲击裂纹扩展及延伸阶段;钻头齿吃入岩石并旋转使裂纹延伸;剪切岩石使其产生脆性炸裂。因此,使岩石破碎由常规钻井的塑性破碎转变为脆性炸裂。在徐深气田进行了现场实钻,初步验证了该机理的准确性。依据该机理可以进行气体钻井的优化设计以及实钻中钻头和钻井参数的优选。     

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现代旋转钻井破碎岩石是以机械破岩为主导方式，射流辅助机械破岩的目的是提高机械钻速。文章论述了牙轮钻头与岩石相互作用过程及岩石剪切破坏的内在规律；重点研究了射流的水楔作用对岩石裂纹产生、扩展、贯通及破坏的机理。实验结果表明，射流辅助钻井的门限压力是岩石抗拉强度的4.1倍，是抗压强度的26%；还与井底压差及其它岩石物理力学性质有关。同时指出，超高压射流的研究与应用是辅助钻井高效破岩的重要发展趋势。     

气体钻水平井岩屑运移数值模拟研究

针对气体钻水平井过程中的井眼净化问题,开展了水平段岩屑运移特征研究。基于气固两相流动模型,采用FLUENT软件模拟了气体钻井条件下不同粒径、不同注气量、不同钻杆转速和不同钻杆偏心距下单颗粒岩屑和岩屑颗粒群在水平环空的运移特性。模拟结果表明,单颗粒岩屑在水平环空的运移以跃移形式为主,而岩屑颗粒群的运移主要包括蠕移和跃移两种形式;粒径5.0 mm岩屑在注气量50,70和90 m3/min下的首次跳跃距离分别为0.55,0.90和1.50 m;在注气量为50 m3/min时,粒径1.5 mm岩屑的首次跳跃距是粒径3.0 mm岩屑的1.5倍;粒径7.0 mm岩屑在钻杆静止和转速为60 r/min下的第3次跳跃距离分别为0.43和0.62 m;粒径6.0 mm岩屑在偏心距0,10和15 mm条件下的第2次跳跃距离分别为0.55,0.44和0.28 m。研究表明,注气量越大、粒径越小、偏心距越小、钻杆转动越快,则岩屑运移的距离越远。建议采取适当提高注气量、安装水平井井眼净化工具、提高钻杆居中度等措施,以提高井眼净化效果。      

气体钻井条件下泥页岩水侵规律实验研究

通过在室内模拟气体钻井条件下泥页岩地层的温度和压力,分别对气体钻井钻遇地层出水条件下的水侵规律和气体钻井转水基钻井条件下的水侵规律进行实验研究,并建立相应条件下的水侵距离与时间的关系,从而对相应条件下泥页岩地层的水侵范围和坍塌范围进行预测,分析这2种情况下水侵距离与时间的关系。结果表明两者均呈现出初期水侵速度较快、中后期逐渐变缓的特征。对比2种情况下的水侵距离与时间的关系,前者的水侵速度要比后者的水侵速度慢得多,同样水侵穿透5 cm的距离时,前者所用时间是后者的350倍左右。     

单牙轮钻头钻进过程的计算机仿真

通过建立数学模型的方法对单牙轮钻头与岩石的互作用运动进行仿真,仿真结果不能完全准确地反映单牙轮钻头钻进的实际情况和破岩细节。鉴于此,笔者采用线性Drucker-Prager模型模拟岩石材料,并考虑岩石损伤以及钻头与岩石之间的随机接触,通过ABAQUS有限元分析软件建立了单牙轮钻头钻进过程的非线性动力学模型,对单牙轮钻头在破岩过程中的运动规律及力学性能进行了探讨,分析了不同岩石材料和不同钻压情况对单牙轮钻头钻进性能的影响,得到了钻头传动比及牙轮转速。仿真结果可为单牙轮钻头的设计提供依据。     

克拉美丽气田水淹气井气举硬举动态模拟

气举因其适应性强,工艺灵活,广泛用于产水气井排液采气或水淹气井复产,但其卸载过程较为复杂,其卸载方式或工艺参数多凭经验确定,尤其对于气举硬举工艺。为此,基于动量守恒和质量守恒建立了气举硬举卸载过程数学模型,并利用有限差分方法对模型进行了求解。以克拉美丽气田水淹井DX180X井为例,采用气举硬举方式,考虑氮气气举和天然气气举,分别采用正、反举方式进行卸载动态模拟,分析了影响卸载的各因素,如注氮气或天然气,正、反举方式等,模拟了卸载过程中井口压力、井底压力等随时间的变化情况。为降低启动压力及减少井筒液体回流时间或回流量,推荐采用注氮气正举方式卸载,对于深井、地层压力较高或需连续油管气举硬举的水淹井尤为适用。通过实例模拟与分析为气举硬举的可行性研究、工艺设计及压缩机选择等提供了参考。     

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章在考虑钻井液滤液与页岩之间可能进行的各种物理化学反应的基础上，综合各种运移驱动力对滤液各组分运移的影响，对页岩中的传递(如水力流动、离子和压力扩散)与控制页岩稳定性的化学变化(如离子交换、含水量的变化)两之间的复杂关系进行了定量描述，建立了模拟钻井液进入页岩地层及与之发生各种物理化学反应的动态模型。此模型主要回答了页岩孔隙压力、离子含量、含水量随时间的变化问题。     

气体钻井井壁稳定性分析

首先分析了用钻井液钻井时钻井液与地层的相互作用，并以多孔介质传导、吸附与扩散（水分子和水化离子）、双电层电场与电斥力为基础，建立起钻井液滤液在井周地层中的渗透运移规律和水化应力与地层强度随时间变化的规律，对地层应力应变状态受钻井液的影响进行定量化分析。并将用于校正后由测井资料得到的围岩强度性质及应力状态，从而得到气体钻井条件下井周地层的强度性质及应力状态。最后选择适当的强度准则，形成气体钻井井壁稳定性分析模型系统。以七里北1井的测井资料为基础，运用该模型系统分析了七北101井气体钻井井段的井壁稳定性，其结果与该井钻井实际情况一致，表明该模型系统是准确、可靠的。     

PDC钻头切削齿破岩仿真与试验分析

为了利用计算机仿真技术对PDC钻头切削齿的破岩效果进行分析预测,并为PDC钻头优化设计提供数据依据,建立了PDC钻头切削齿破岩仿真模型,研究前倾角和侧倾角的变化对PDC钻头切削齿破岩效果的影响规律。仿真结果与试验结果对比分析证明所建立的PDC钻头切削齿破岩仿真模型可行。分析结果表明,前倾角在15°~20°时,PDC钻头切削齿破岩效果比较好,侧倾角在5°时破岩效果最好,且齿遭破坏的概率相对较低。     

气体钻井钻具组合瞬态动力学特性初探

钻柱转动时切向摩擦力会引起钻柱侧向位移,但采用钻井液钻井时其摩擦系数较小,因此该位移常被忽略不记。但在气体钻井时,其摩擦系数增大,该部分位移则不得不考虑。以弹性力学、材料力学为基础,考虑切向摩擦力对钻柱变形的影响,建立了转动钻柱在斜直井中三维瞬态动力学模型及力学方程,并采用龙格-库塔法求解方程数值,分析了钻井参数、滚动摩擦系数、滑动摩擦系数及井眼结构参数等对下部钻具组合变形的影响。分析结果表明:钻压增大,钻柱的变形量加大,钻柱变形节距减小,钻柱振动加剧,但对下部钻具的摩擦扭矩影响不大;井斜角增大,钻柱与井壁的接触力及摩擦扭矩增大,钻柱的变形节距减小;环空间隙减小,钻柱变形角增大,钻柱变形节距减小;钻井流体的密度越大,下部钻柱变形角越小;井斜角增大,不仅影响下部钻柱变形的大小,而且影响着变形方向。     

气体钻井地层出水定量预测技术

钻前对水层的准确预测是气体钻井顺利实施的一个难题,需要解决以下几个问题:地层流体类型的判断、地层物性的解释、地层压力的解释和出水量的计算.提出利用深浅双侧向电阻率测井等来判断地层的流体类型,利用声波、密度、中子测井来解释出水地层的孔隙度,结合束缚水饱和度的解释进一步解释地层的渗透率,通过建立正常地层压实趋势线的方法来预测地层压力,最后结合渗流力学的产量公式实现对出水的定量预测.玉门青西地区和长庆苏里格地区的应用表明,采用该预测技术预测的结果和现场实际情况吻合,说明该预测技术具有较高的工程应用价值.