新型传感器未来发展

正高温/高压传感器和声波传感器方面取得的技术进展可提高储层产量和降低钻井风险。未来的技术发展是要进一步提高LWD/MWD系统的耐温、耐压指标,从而使作业者能在更恶劣的作业环境中探明更多的油气储量,进一步改进井下岩石机理测量值有助于更好地了解钻井环境。取得的     

自主研制的新一代高温高造斜旋转导向装备助力深层页岩气开发

正旋转导向钻井系统是一项自动化钻井新技术,代表了当今世界钻井技术发展的最高水平,已成为复杂地层定向井、水平井、大位移井钻井的必备技术。多年来,尽管我国自主研发的旋转导向钻井系统不断取得进展,但较之于国外先进装备在工具造斜率、井下工作安全可靠性等方面仍存在着较大的差距,综合性能不足,致使我国旋转导向钻井装备长期依赖进口。     

井下钻具动力学参数测试技术进展

为深入了解钻井系统对启动旋转、钻进过程、参数修正、钻机升沉、BHA组件不平衡和钻头与地层相互作用等激励源的响应,研究开发了井下钻具动力学参数测试技术。该技术利用最新研发的测试工具可测量包括力、加速度、转速、压力和温度等实时信息,还可记录频率为50~2 000 Hz之间连续数据的长持续时间。通过对高频数据长持续时间的解释分析,有助于理解各种振动模式间转变发生的方式和驱动因素,在此基础上,可以优化BHA设计、钻头优选以及研究新型钻井工艺、井下工具和涡动识别算法,以避免或缓解涡动的发生,从而改善钻井性能,提高钻井效率,防止井下事故,提高井眼质量;实时测量数据还有助于由于涡动而施加在井下工具上的载荷分析,这对预测井下工具寿命和制定措施极为有利。最后建议开展新型井下钻具动力学参数测试技术研究,从而为我国深井、超深井及深水钻井提速提效提供有效的技术支撑和手段。     

自动垂直钻井工具分类及发展现状

从石油钻井和地质钻探两方面阐述了自动垂直钻井技术的原理及优点,按照不同结构及工作原理对自动垂直钻井工具做出分类,并简要分析了各类工具的优缺点。随后在上述分类基础上系统归纳了国内外现有垂直钻井工具及其技术特点,剖析了国内外自动垂直钻井工具之间的技术差距。最后总结出自动垂直钻井工具存在的问题,指出工具今后的发展趋势为小型化、可取心、高精度和长寿命,并对其未来的研究思路与方法提出建议:对执行机构零部件结构和布局进行优化,在减小工具外径的同时增大工具内部空间,使工具在小口径井眼垂直钻进的同时还能进行取心作业;对电控式垂直钻井工具的测控传感器及其密封系统进行优化改进,使工具整体耐温耐压性能得到提高;对机械式垂直钻井工具的偏重平台在井下复杂环境下的响应规律进行研究,并探索相应的误差抑制补偿方法,以提高工具的井斜控制精度。     

国外钻井装备与技术新进展

介绍了国外最新的钻井装备与技术——新型钻机(Aecher模块化钻机、模块化海洋钻机、快速移动钻机和理想钻机),新型钻头(两级双径PDC钻头、新型混合式钻头、双倒角PDC切削齿Kymera~(TM)钻头、Pexus~(TM)混合式钻头、IRev~(TM)孕镶钻头和Stay Cool多维切削齿),新型MWD/LWD与无线遥测系统(XBATSM声波和超声波LWD、高温高压双加表MWD、集成方位伽马的新型LWD、Digi Scope连续波钻井液脉冲遥测系统和Twin双模式电磁遥测系统),新型井下振动测量工具(井下振动随钻测量系统和高频钻井动力学测量工具)。最后指出了我国钻井装备和技术与国外的差距,认为我国应把握世界钻井装备与技术的发展脉搏,调整和优化当前钻井装备与技术的研发方向,进一步拓展国际市场。     

特深层油气井开发关键装备与工具现状分析

针对特深层油气井开发现状,分析国内外现有关键装备与工具,结果表明国外装备在钻深能力、压力等级、耐温强度方面优于国内装备,在安全可靠性评价系统方面均无在线监测系统。国内现有关键装备与工具均不能满足特深层油气井开发,其中钻机钻深能力不足、井控装备耐压过低、钻井工具不能满足高温高压需求、钢制钻杆无法满足深层钻井需求、缺少深井钻井关键装备安全可靠性评价系统。因此必须针对现有装备进行改造升级,以适应特深层油气井的开发。     

高温高压井下测试工具橡胶密封材料的优选

高温高压井下测试工具的主要技术指标为耐温耐压,要实现这两个指标的提升关键点是解决测试工具橡胶密封件的耐温耐压。文章从工作介质、工作时间等总结了高温高压井下测试工具密封可靠性面临的严苛挑战,介绍了高温高压井下测试工具常用两种密封结构,分析了高温高压井下测试工具常用3种橡胶材料的使用特性和存在的技术短板,最后对高温高压井下工具橡胶密封件使用、研发以及试验标准提出了建议。     

海上热采井耐高温井下安全控制技术研究

受关键工具耐高温、高压性能的限制,渤海油田海上稠油热采先导试验一直采用注采两趟管柱来进行注热和生产,且注热管柱未下入井下安全阀和封隔器等安全控制工具。为进一步降低安全风险,对海上油田热采井耐高温井下安全控制工艺技术进行了技术攻关。通过耐高温材质优选、结构改进及高温实验评价等多种研究手段,研制了井下安全阀、耐高温封隔器、耐高温排气阀等关键工具,耐高温井下安全控制系统整体耐温为350℃,耐压为21MPa。该技术为海上稠油规模化开发提供了技术支撑和安全保障。     

旋转导向钻井工具系统的研究及应用

总结了国家863课题“旋转导向三维可控钻井技术研究”的研究工作进展及其在现场试验情况，根据旋转导向钻井技术方面的技术特点，开展了旋转导向偏心工具及导向机构、钻井液脉冲器，井下测量数据传输技术，随钻地质参数测量技术，井下钻井工程参数测量技术4个方面的关键技术研究，研制出了旋转导向钻井工具系统。通过室内模拟试验，验证了该工具系统设计原理的合理性。陆地和海上油田的钻井试验表明，在井斜约60°的大斜度稳斜井段，井斜控制和方位控制都满足控制要求；采用旋转导向钻具组合提高了钻压，最高钻压可达240 kN。为“十一五”期间旋转导向钻井工具系统的进一步完善和应用奠定了坚实的工程化基础。     

基于感应加热的封隔器高温高压试验装置研制

封隔器下井工作前的耐温耐压性能模拟检测是油田开发和生产过程中的一项重要工作。介绍了一种新型封隔器耐温耐压性能垂直模拟试验装置的设计思路、工作原理、技术特点和应用效果等。相比较传统的导热油方式,基于感应加热的高温模拟试验装置具有加热速度快、工作效率高、安全可靠、节能环保、操作维护简单的特点,为井下工具的质量检验和科技研发提供了新手段,具有推广应用价值。     

井下射频电磁识别影响因素研究

与井下工具常用的压差和投球控制方式相比,射频识别技术具有控制灵活、施工过程中不改变钻井液排量和钻柱内通径等优点;但在实际应用中,井下复杂工况对射频识别系统的电磁干扰很大,其稳定性得不到保证。为解决这一问题,开展了井下射频电磁识别影响因素研究。通过分析,确定井下工具金属外壳和钻井液类型是主要影响因素;根据无线射频控制系统的工作环境和结构特点,建立了电磁通讯环境的有限元仿真模型,分析了其影响程度和变化规律,并通过室内试验对其进行了验证。研究发现,井下工具金属外壳所产生涡流的影响随井下天线与工具外壳间距增大而减小;钻井液的影响随其电导率增大而增大。研究认为,设计工具时可以合理增大井下工具金属外壳内壁与井下天线的间距;而钻井液的影响可通过优化射频控制电路方式解决。      

RFID在井下工具中的应用

为了提高油气井长期有效性和作业效率、降低油气井的建井成本,近年来RFID技术在石油领域的应用取得了一定进展。在调研国内外文献的基础上,阐述了RFID技术的原理和基本特点,对其在压裂工具、钻井扩眼工具以及其他井下工具中应用的可行性进行了分析,指出了RFID在井下工具中应用的关键技术。分析结果表明,RFID井下工具比力学或机械式工具具有更大的优势,RFID在井下工具中成功应用的关键是电子元件和电池在高温高压条件下良好的工作状态,开发耐高温高压的电子元件将对RFID的应用和其他通信技术带来革命性改变。     

石油旋冲钻井技术研究及应用

介绍了旋冲钻井技术的基本原理,对液动冲击钻具的结构设计、工作原理、性能测试、参数匹配进行了详细论述。实践证明,冲击和旋转联合作用的砂岩效果同纯旋转钻井相比,效率可提高40%~49.8%,中硬以上地层使用效果更加明显,同时可降低钻井成本,提高井身质量,减少井下事故。在软地层中,可通过调节冲击钻具的性能参数,适当提高转数、冲击频率,同样可提高机械钻速。     

环空压力随钻测量系统研究

介绍了环空压力随钻测量系统的基本结构、工作原理以及关键技术。对环空压力随钻测量系统进行了地面综合试验和现场试验。试验结果表明,整套仪器设计合理,工作可靠性高,压力和温度测量精度都达到了1%FS;解决了井下大功率长时间供电的难题,开泵时采用井下发电机供电,停泵时采用蓄电池供电,保证了系统能够长期稳定地工作;能够实现测量数据的实时上传和井下存储功能,在地面可随钻获知井底准确、实时的压力和温度数据。最后指出,环空压力随钻测量系统必须在单参数或少参数的测量上首先获得突破,才有可能向多参数的更高层次方向发展。     

气体钻井MMWD随钻测量方法研究

气体钻井中EM-MWD技术受复杂地层影响大、信号衰减快和抗噪声能力差,导致其信号测传深度受限,为此提出了在气体钻井中利用钻杆作为微波波导实现井下参数随钻测量与信号传输的MMWD技术。在研究钻杆内高频波传输特性与影响微波传输的主要因素基础上,优选了微波频率并验证了其适用性,得到了可在钻杆中传播的8个波形及其衰减系数,研制出了MMWD样机,并开发了配套的控制处理软件。该样机在元坝气田元陆x井进行了多次下井试验,单次入井无故障工作时间达120.0 h,总工作时间234.0 h,最大测传深度超过3 000.00 m,测传的井下温度数据基本符合地层温度分布规律,且测传井斜角与测井井斜角也较为吻合。研究表明,MMWD技术弥补了EM-MWD技术测传深度受限的不足,测量结果准确可靠,为气体钻井提供了一种新的高效随钻测量手段。      

基于无线充电及通信技术的智能配注水系统分析

油田进入特高含水后期,注采关系复杂,需不断缩小测调周期以保证注水合格率,这就造成了测试工作量大量增加,注水技术急需向数据实时监测、注入量自动调配方向发展。开展了智能配注技术的研究,将井下参数采集模块、电路控制模块、流量控制阀集成在智能配注器内并长期置于井下,结合无线充电技术、无线通信技术及自动调整算法,形成了包括智能配注器、智能测控充电一体仪及地面通信控制主机的智能配注工艺及配套装置。室内及现场试验表明,无线充电及通信技术可靠,智能配注器对井下生产参数进行实时监测,并根据设定值进行自动调整。利用智能配注技术对地层参数的实时动态监控,通过对控制数据的分析与挖掘,可为油田精细开发方案的制定及调整提供数据支撑,为油田“数字化、智能化”建设提供技术支持。     

基于静摩擦扭矩释放的快速滑动定向钻井技术

由导向马达、随钻测量系统构成的滑动钻井仍然是目前的主要定向钻井方式。国外近年发展起来的一种依靠控制钻柱旋转扭摆的工艺方法,突破了滑动钻井工艺中马达导向所面临的局限性,同时费用又低于旋转导向系统。该方法以滑动动摩擦原理及其优势为基础,建立了钻柱物理模型,把滑动钻井时井下钻柱摩擦力的分布状态划分为3个典型区间:地面扭摆作用区、静摩擦区、反扭矩作用区;由自动扭摆控制软件系统对顶驱扭矩、钻头钻压和钻进速度的连续不断地测量,自动计算和最大限度地扩展地面扭摆作用区的长度(或减少下部动力钻具静摩擦区的长度),实现钻柱摩阻的减少,从而有效地提高了滑动钻井的机械钻速、提高定向作业纯钻时效,减少导向马达和钻头的损坏。实例运用结果表明:该方法能够提高机械钻速近50%,与常规复合导航钻井相比,节省了调整工具面角的时间损失,因而是一种极具发展前景的技术。     

近钻头井下钻具运动特征及异常状态分析方法

目前利用相关理论模型并结合地面录井参数分析井下钻具运动特征及异常状态的方法不够准确。基于快速傅里叶变换理论和PDC钻头牙齿受力方程,建立了井底钻具运动特征的分析方法;根据一维不稳定流动理论,结合加速度理论,建立了井底异常状态的分析方法。理论分析结果与现场试验数据吻合较好。理论分析及实测结果表明:在实测井段中,滑动钻进时井底各工程参数的频谱图中存在与螺杆转子相同转动频率的主频,旋转钻进时井底各工程参数的频谱图中存在2个主频,一个与螺杆转子的转动频率相等,另一个与钻柱的转动频率相等;井底钻具阻卡后,管内压力出现第一个压力峰值的时间是环空压力出现第一个压力谷值时间的2倍,同时扭矩及振动传感器读数变化剧烈。研究表明,利用井底工程参数频谱图的主频特征可以区分滑动钻进与旋转钻进阶段,同时可获得井底钻具及螺杆的转动状态;利用管内压力、环空压力、扭矩及加速度传感器的读数变化特征可判断井下是否出现异常。建立的分析方法可为安全快速钻井及井下专家系统的建立提供理论参考。      

井下震源发生器优化设计

针对随钻地震强度低、不利于井眼间防碰监测的问题,设计了一种蓄能式井下震源发生器。该发生器主要由活塞、弹簧、冲锤、铁砧和延时装置等组成,通过钻井液蓄能获得高效冲击功。为使其获得最佳输出性能,以冲锤为研究对象,建立了井下震源发生器冲锤流道模型,基于CFD动网格技术,利用CFD软件分析了弹簧刚度、冲锤质量、节流面积、出口直径和数量等设计参数及钻井液密度对井下震源发生器输出性能参数的影响规律,分析得知:节流面积、出口数量、出口直径和钻井液密度与井下震源发生器输出性能参数呈正相关关系;弹簧刚度越大,冲锤最大冲击功对应的位移越小;冲锤的质量越大则速度越小。基于单因素分析结果,以冲锤冲击功为优化目标,利用正交试验优选了设计参数组合方案。研究结果表明:各设计参数对井下震源发生器输出性能的影响不尽相同;出口直径和弹簧刚度对井下震源发生器输出性能的影响极为显著,节流面积、冲锤质量和出口数量对井下震源发生器输出性能的影响显著,而钻井液密度的影响不显著。根据研究结果筛选出了各设计参数水平的最优组合,研究结果还可以为井下震源发生器的设计提供依据。