基于气体钻井工艺参数的钻具冲蚀模型

针对气体钻井中钻具冲蚀磨损严重而造成钻具过早降级和报废的问题,基于微切削理论,建立了钻井环空中钻具的冲蚀模型,并依据该模型推导出了气体钻井中钻具冲蚀强度的数学模型,该数学模型把气体钻井中钻具的冲蚀强度同井下状态参数、钻具材料、井身结构,以及注气量、机械钻速等钻井工艺参数联系起来。通过钻具冲蚀模拟实验确定了数学模型中的常数,并对数学模型进行了修正,为气体钻井作业中合理选择钻井工艺参数和预测钻具的冲蚀磨损提供了依据。利用该数学模型分析表明,气体钻井中的注气量应以保持排屑顺畅即可,过分加大注气量,不仅会造成能源浪费,而且会加剧钻具的冲蚀磨损,导致钻具过早降级或报废。     

粒子冲击钻井钻具冲蚀磨损研究

粒子冲击钻井技术是一种用于解决石油天然气深井硬地层钻井钻速慢和成本高的问题。该技术利用钻井液的水力能量携带的圆形钢粒以极高的速度冲击破碎岩石,钻井液所携带的钢粒会对钻具产生冲蚀磨损,尤其是在管径变化和管道弯曲处,钢粒对管壁的冲蚀磨损会导致钻具安全性降低,保障粒子冲击钻井安全作业是粒子冲击钻井技术研究的重要内容。为此,分析了影响钻具冲蚀磨损的因素,结合粒子钻井现场实际,研制出一种用于地面模拟粒子冲击钻井中钻具冲蚀磨损的实验装置,根据粒子冲击钻井实验提出,对较易磨损的弯接头、冲 管、滤芯三通、鹅颈管等部件要进行镀镍防磨、耐磨处理。以确保粒子冲击钻井的安全。     

气体钻井钻具失效原因与预防措施

气体钻井技术已被世界公认为是缩短钻井时间、降低钻井成本、解放油气层的一种实用技术,但是随之出现的钻具失效问题成为广大钻井工作者面临的一道技术难题。针对气体钻井钻具失效问题进行了国内外文献检索和现场情况调研,特别对川东北和伊朗南部地区TABNAK气田气体钻井钻具失效情况进行了深入调查。结合相关理论和现场经验对现场资料进行分析,找出了气体钻井钻具失效的主要特点及原因,并提出了避免井下钻具失效的合理技术措施。     

气体钻井钻具失效原因分析及预防措施

随着气体钻井技术的广泛应用,对气体钻井钻具失效原因及预防措施的研究非常迫切,且具有重要的现实意义。本文阐述了气体钻井的概念及优点,说明了气体钻井钻具失效现状,分析了气体钻井钻具失效原因,提出了钻具失效预防措施。     

气体钻井钻具减振器的研制及现场试验

为有效缓解气体钻井钻具频繁振动带来的钻具疲劳损坏,根据可压缩性硅油体积变形减振为主,硅油流过阻尼缝隙的阻尼减振为辅的研制思路,研制出了适用于气体钻井的KPL229型减振器。对加入KPL229型减振器钻具组合的有限元分析表明,加入KPL229型减振器后,钻具受到相同轴向冲击力作用的应力水平降低。现场试验表明,在气体钻井时,与未应用KPL229型减振器的井相比,扭矩不但得到降低,而且波动幅度很小;钻时由5~40 min/m降至5~9 min/m;单只钻头的进尺得到提高,其磨损程度降低。由有限元分析及现场试验结果可知,气体钻井时应用KPL229型减振器,不但可以降低振动对钻具的损伤,延长钻具的使用寿命,而且可以增强气体钻井的提速效果。KPL229型减振器为预防气体钻井时因振动造成的钻具失效或断裂提供了一种新的解决途径,同时可以利用振动能量辅助破岩。      

气体钻井钟摆钻具组合的有限元分析法

在现行的钟摆钻具设计过程中,将第一个稳定器及其以下钻铤简化为简支梁进行计算。常规钻井液钻井时,钻压常远远大于稳定器以下钻铤浮重,忽略钻柱自身重力对轴向力的影响;而气体钻井时,钻压小,钻铤浮重大,此时钻铤自身重力的影响不得不考虑。以管单元模拟钻具的物理及几何特性,以间隙单元模拟钻具与井壁接触,采用有限元法,对气体钻井过程中下部钻具组合受力及变形进行了动态数值模拟,对单稳定器及双稳定器钟摆钻具组合进行了分析。该有限元模型不仅考虑了钻铤自身重力的影响,而且考虑了钻铤自转对其变形的影响,为钻柱力学分析提供了一种有效的手段,也为气体钻井防斜打直提供了理论依据。     

气体钻井对井口四通冲蚀磨损规律研究

气体钻井中携岩气体冲击四通内壁是导致四通失效的主要原因。基于气固两相流和冲蚀理论,运用CFD软件对四通本体流体域进行数值计算,分别研究了实际钻井工况下钻杆偏心的情形和不同钻井工艺对四通本体的冲蚀规律。研究结果表明,随着偏心距的增大,岩屑的轴向速度逐渐增大,局部冲蚀速率也呈现增大的趋势;由于偏心造成的岩屑粒子轨迹偏转向四通宽流道一侧冲击,容易在局部造成严重的冲蚀缺陷,导致四通承压能力下降;在不同钻井工艺下,冲蚀速率峰值和流体速度峰值都随注气量和岩屑质量流量的增加而基本呈线性递增趋势,而与岩屑粒径成反比关系,四通出口压力对冲蚀速率的影响不大。因此,在实际钻井中应尽量减少钻杆的偏心作业,合理控制注气量、岩屑质量流量,以保证钻井作业的安全进行。     

能对井下钻具组合进行直接检验的俄罗斯试验装置

位于别尔姆的俄罗斯钻井研究所为井下动力机、井底钻具组合、钻头和地球物理测试工具在模拟实际井下钻井环境的条件下进行检测试验。这套高压－高温试验装置由全俄钻井技术研究院别尔姆分院伙同彼德堡全俄地质勘探研究院共同设计建造而成。石油天然气技术公司总经理、前全...     

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。     

普光气田气体钻井钻具失效原因分析及预防措施

气体钻井技术虽然大幅度提高了普光气田上部陆相地层钻井速度，但屡次出现钻具失效事故，不仅影响钻井速度，而且威胁井下安全。分析了钻具失效规律，并通过宏观分析判断钻杆为疲劳和腐蚀疲劳断裂，钻铤为疲劳断裂。从气体钻井自身因素、钻柱运动（包括公转和纵向共振）、钻具腐蚀、钻井方式、钻铤弯曲强度比不足等方面分析钻具失效原因，提出使用空气锤钻井技术、加强钻具探伤、优化钻具组合和钻井参数、缓解钻具腐蚀、加强钻柱振动监测等预防措施。指出应加强气体钻井钻具失效的微观机理、钻柱运动与动力学、岩屑对钻具的冲蚀磨损、钻具腐蚀、消除钻柱公转等方面的研究以预防钻具失效。     

气体钻井钻具失效研究的试验设计

针对现有气体钻井钻具冲蚀试验装置只能单一模拟气体钻井过程中岩屑对钻具冲蚀磨损的情况,研制了用于模拟气体钻井钻具失效研究的多功能试验装置,给出了气体钻井钻具失效研究的试验方法。多功能试验装置能够在模拟钻具冲蚀磨损的同时,模拟钻具受横向、纵向和扭矩振动等复杂的受力工况下的疲劳断裂试验。装置采用无线遥测动态应变测试分析系统进行试验测试,还可实现远程自动控制,整套装置结构简单紧凑,并且管道封闭,运行噪声小,功能多样,为气体钻井过程中所遇到的钻具失效的相关问题提供了更为全面的研究平台。     

气体钻井防沉屑工具结构安全性分析

使用有限元软件研究了气体钻井防沉屑工具结构因素(喷孔角度、喷孔直径、喷孔距端面距离、工具壁厚)和工作载荷(扭矩和轴向力)对防沉屑工具结构安全性的影响。研究结果表明:(1)气体钻井防沉屑工具的工作安全性较高,可用于气体钻井施工;(2)孔径和工具壁厚对工具应力影响大,喷孔距端面距离次之,喷孔与轴线夹角影响最小;在设计和使用防沉屑工具时,为兼顾携岩性能和结构安全性,孔径不应太大,工具壁厚应适当增大,孔开在防沉屑工具中间部位;(3)防沉屑工具上使用减阻吸振套,可有效降低工具与井壁的碰撞强度和动载系数,还可降低工具的实际应力。     

气体钻井中气体携岩对钻杆的冲蚀机理研究

气体钻井中气体携岩冲蚀钻杆是引起钻杆快速失效的主要原因之一。基于此,文中采用计算流体动力学(CFD)方法建立了圆形规则井眼、钻杆居中情况下的高速气体携岩冲蚀钻杆的两相流模型。通过对环空气体流场、钻杆表面冲蚀速度和岩屑颗粒对钻杆的冲蚀过程及其运动轨迹的分析后发现,与钻杆接头斜坡碰撞的岩屑颗粒对钻杆有冲蚀作用,最大冲蚀速度发生在钻杆接头斜坡面上,其次在公接头以上0.2～1.8m长度范围内的钻杆本体表面上。这些区域可能形成严重的冲蚀坑,也可能出现微裂纹,在受到钻井过程中的弯、扭、拉等动载荷联合作用下可能发生裂纹扩展、失效现象。     

气体钻井井筒冲蚀作用定量分析及控制方法

定量分析了气体钻井中气-固两相流对井筒的冲蚀作用。结果表明,冲蚀作用最大的点在井底,这有助于破岩;井口段套管和钻杆的冲蚀作用次之,这是有害的。提出了在环空井口加载回压来控制气体钻井过程中气固两相流对井筒冲蚀的方法,确定了加载合理回压值的准则,即:确保环空内流速介于最小携岩速度和冲蚀临界速度之间。     

机械式自动垂直钻井工具的研制

为了有效地提高直井的钻井速度和质量,根据现有技术研制了机械式自动垂直钻井工具。这种钻具能适时感应井斜的重力信号,并由重力驱动执行机构,利用钻井液循环在钻柱内外形成的压差,在钻柱旋转的情况下推动活塞靠向高边井壁,对钻头施加指向井眼低边的周期性侧向力,在钻进过程中实现对井斜的适时修正。现场试验结果表明,机械式自动垂直钻井工具的工作原理正确,结构可靠,能够在主动、适时防斜的同时,有效地释放钻压,提高钻速。该工具的研制成功为直井的防斜打快工艺提供了一种新的技术手段,具有广阔的应用前景。     

气体钻井用岩屑-气样采集装置

在空气钻井中,钻头破碎的岩屑和地层气体随循环介质通过排放管线一同被排放到指定区域,在出口之前整个循环通道是封闭的,不能采用像钻井液钻井的方法采集岩屑和气样。为此,研制开发了适用于空气、雾化、泡沫欠平衡钻井的岩屑-气样采集装置,该装置由主体、气样采集装置和岩屑采集装置等3部分组成。当来自井内的介质流过主体管时,气样采集装置会阻挡住一部分气体岩屑混合物迫使气体沿上方流动来采集气样;岩屑采集装置会阻挡住一部分气体岩屑混合物迫使岩屑沿下方流动来采集岩屑。2003年该装置在玉门油田窿九井获得成功应用。     

气体钻井钻杆冲蚀规律研究

针对气体钻井岩屑造成钻柱严重冲蚀的问题,基于气 固两相流和冲蚀理论,建立了环空岩屑运移模型。在Eulerian坐标系下求解气体连续相流场,在Lagrangian坐标系下对离散相岩屑粒子进行了碰撞求解,采用Grant和Tabakoff公式求解岩屑粒子冲蚀速率,借助实验数据验证了仿真模型。利用该模型研究了气体钻井中钻杆居中以及不同钻杆偏心率、井径扩大率、注气量和机械钻速下环空岩屑粒子运移规律和钻杆冲蚀特性。研究表明,岩屑对钻杆接头及下坡面本体的冲蚀比钻杆本体及接头上坡面严重;钻杆偏心和井径扩大都使局部冲蚀速率峰值增大,且偏心越严重,井径扩大越大,局部冲蚀速率峰值增速越大;机械钻速增大,导致钻杆局部冲蚀速率峰值近乎线性增加;在工程常用注气量范围内,注气量对冲蚀速率峰值和冲蚀速率平均值的影响很小。根据冲蚀规律提出如下建议：减小钻杆斜坡坡度可减少钻杆接头及下坡面的局部冲蚀;采用低转速的空气锤钻井工艺可减缓因偏心引起的局部冲蚀;井眼扩大较大时,增大注气量,通过改变岩屑粒子轨迹,可减少岩屑对钻杆本体的多次冲蚀。     

空气式反循环套筒钻具的设计

文中主要介绍了空气式反循环套筒钻具的设计过程以及该钻具的适用地区。     

随钻监测技术在气体钻井中的应用

气体钻井是近年来兴起的一种实用钻井技术,具有保护油气产层、提高钻速、缩短建井周期及处理井漏事故等优点,应用范围越来越广泛。与常规钻井液钻井相比,气体钻井是单向循环,使用气体作为循环介质来携带岩屑、清洗井眼,使得现有录井监测系统还不能满足气体钻井现场参数监测需要,易出现钻具失效、井下燃爆、地层出水及井壁坍塌等复杂钻井问题,影响气体钻井的安全性。基于井下燃爆理论和监测监控系统技术,开展了随钻监测基本原理研究,形成了UBD气体监测系统及分析技术;通过在多口井气体钻井现场服务,验证了气体监测系统及分析技术的合理性和实用性,为安全顺利实施气体钻井提供了有力的技术支持。