频率可调脉冲提速工具深井提速现场试验研究

脉冲射流技术是提高钻井机械速度的一种有效方法。根据机械强制脉冲与自激振荡脉冲相结合的原理,研制了频率可调脉冲提速工具。现场2口井的试验结果表明,频率可调脉冲工具在深井井段提高机械钻速21.30%⁵9.17%,提高钻头进尺36.07%59.17%,提高钻头进尺36.07%¹48.15%。频率可调脉冲提速工具结构简单、可靠性高,在现有钻井设备和工艺参数基本不改变的情况下,能在深井下部地层取得较好的提速效果。作为一种能有效提高钻井机械钻速的技术,频率可调脉冲提速工具在深井钻井中具有广阔的应用前景。     

机械式旋转冲击钻井提速工具应用研究

近年来,我国石油行业钻井深度不断增加,岩石硬度越来越高,可钻性变差,严重制约了我国钻井速率的提高。旋转冲击钻井提速工具是解决深井钻井难问题的新的途径。介绍了旋转冲击钻井提速工具的种类,其中,机械式旋转冲击钻井提速工具工作过程中钻井液不直接参与冲击工作,其主要部件为马达驱动总成、万向轴总成、传动轴总成及冲击锤总成,介绍了机械式旋转冲击钻井提速工具的工作原理,其冲击作用主要由凸轮组机构或啮合齿机构所产生,冲击频率和冲击功可实现稳定输出。此工具可大幅提高机械钻速,提高钻井效率,并且可以采用小钻压钻进,有利于保护钻头,并减小井斜的发生。在A23井机械式旋转冲击钻井提速工具机械钻速为0.92 m/s,比使用普通钻井工具在相同地层并且钻井参数相近的情况下,机械钻速提高13.4%,钻头基本保持完好,B25井提速效果达到89%,证明机械式旋转冲击钻井提速工具的提速效果与保护钻头的功能,因此旋转冲击钻井工具具有广阔的应用前景。     

旋冲振荡钻井提速工具的研制与应用

针对PDC钻头在硬质地层出现的黏滑振动问题,为改善PDC钻头受力状态,提高硬质地层的机械钻速,研制了旋冲振荡钻井提速工具。该工具以高压钻井液为驱动介质,能同时产生轴向冲击和扭转冲击。文中对工具的结构与原理进行了阐述,分析了工具内部腔体钻井液压力分布,计算得到了工具的冲击频率、冲击功等性能参数。室内实验结果表明:旋冲振荡钻井提速工具能实现轴向和扭转相耦合的冲击载荷,工具冲击频率和压降随着排量的增大而增大。现场试验结果表明:该工具能够实现提速减振效果,应用井段平均机械钻速提高了59.46%~84.33%,PDC钻头未出现崩齿现象。     

硬地层稳压稳扭钻井提速技术

采用PDC钻头钻进硬地层时,如果破岩扭矩较小或波动幅度较大,易造成钻头恶性振动和钻头使用寿命短,从而导致机械钻速低和钻井周期长。因此,建立了PDC钻头破岩所需门限扭矩的计算模型,以门限扭矩定量计算为核心、平稳传递钻柱应变能为手段,形成了硬地层稳压稳扭钻井提速技术。该技术通过优化井眼尺寸、选用合适的钻头和冲击类辅助破岩工具,降低破岩门限扭矩和门限钻压;通过选择合适的井下动力钻具,为钻头提供足够的破岩能量;通过选用减振工具和优选钻井参数,降低振动,保证钻头运动平稳。稳压稳扭钻井提速技术在夏河1井古生界硬地层进行了现场试验,二叠系机械钻速提高485.6%、全井机械钻速提高70.4%,取得了显著的提速效果。研究结果表明,稳压稳扭钻井提速技术能够提高硬地层机械钻速,可为复杂地层钻井提速提供借鉴。      

水力脉冲空化射流钻井技术在河南油田中硬地层中的应用

针对河南油田目前中硬地层机械钻速低、钻井周期长、钻井成本高等问题,开展水力脉冲空化射流钻井提速技术研究及现场试验,优选了水力脉冲空化射流发生器和钻具组合,并优化了水力参数,现场应用4口井表明,水力脉冲空化射流技术提高了中硬地层的钻井速度,同比机械钻速平均提高16.24%,解决了河南油田中硬地层地层机械钻速低的难题。     

新式旋冲钻井提速工具开发与应用

针对深部地层非均质严重、岩石硬度高、研磨性强及可钻性差等难题,研发了一种新式旋冲钻井提速工具。钻进过程中,凸轮机构产生轴向运动,带动钻具产生轴向蠕动,使滑动钻进的静摩擦转变为动摩擦,已达到减摩降扭效果。同时,轴向运动会给PDC钻头施加一个周期性轴向冲击载荷,加速了岩石裂缝扩张,提高了破岩效率,提高机械钻速和减缓PDC钻头粘滑振动。现场应用结果表明:在同等使用条件下,该工具平均机械钻速比邻井高14.4%;从而有效降低钻井成本。     

扭力冲击钻井工具模拟分析及现场试验

对于硬度高、研磨性强的地层,PDC钻头在井底存在黏滑振动和寿命短等问题,制约了其进一步的提速提效。鉴于此,根据水力结构周向式振动原理,研制了扭力冲击钻井工具,并开展了现场试验。结合工具内部流体特性数值模拟分析以及室内模拟试验,分析了工具内部流道流体压力和流速的分布特性,以及扭力冲击钻井工具消减PDC钻头黏滑效应的机理。研究结果表明:现场试验中,扭力冲击钻井工具工作稳定,机械钻速平均提高64. 4%以上;高钻压下的钻进效率比低钻压下的钻进效率明显提高;纯钻30. 2 h的钻头起出新度在90%以上。扭力冲击钻井工具具有性能稳定、操作简单、使用方便、寿命长和延缓PDC钻头磨损等特点,是硬质地层钻井提速的有效手段。     

扭转冲击提速工具在文安区块的现场应用

钻具黏滑振动现象造成PDC钻头过早失效是限制PDC钻头在深井、超深井硬地层应用的一个重要因素。针对该问题,研制了扭转提速冲击工具。该工具通过给钻头提供一定频率的扭转冲击力,从而抑制钻具黏滑振动,提高钻速。通过室内实验验证了周期性扭转冲击外载能够有效地抑制PDC钻头的黏滑效应。现场试验结果表明,使用扭转冲击提速工具后的机械钻速提高了102%。该项研究结果为扭转冲击提速工具在钻井过程中的合理应用提供了理论依据。     

自激振荡式冲击钻井工具在大港油田的应用

为进一步提高中深井、硬地层钻井速度,大港油田在段六拨、孔南等4个区块8口井的部分井段应用了自激振荡式冲击钻井工具进行钻井试验。现场施工表明,该工具性能稳定,质量可靠,应用井段机械钻速提高了14.2%~132.63%。这表明应用自激振荡式冲击钻井工具基本能够满足提高钻井速度的要求,但为了充分发挥该工具的提速性能,应分析该工具的最佳适用条件。      

哈山3井火成岩地层钻井难点与提速对策

准噶尔盆地火成岩地层具有岩石坚硬、可钻性差、井斜问题突出等特点,严重影响了石炭系目的层的勘探开发进程。为此,在分析哈山3井火成岩地层钻进过程中的技术难点以及扭转冲击工具在火成岩中的适应性的基础上,针对SLTIT型扭转冲击工具的工作原理、主要结构及性能特点进行了深入分析,指出该工具通过将部分流体能量转换成一定频率、周向扭转的冲击扭矩,并直接传递给钻头,能够有效消除PDC钻头的卡滑现象,提高难钻地层机械钻速。该扭转冲击工具首次在哈山3井火成岩中现场试验,一次入井连续工作649 h,单趟钻进尺457.5 m,行程钻速0.7 m/h,经与相邻上部火成岩井段钻井情况对比,行程钻速提高45.8%,节约了至少11趟起下钻时间与钻头费用。SLTIT型扭转冲击工具的成功开发为今后准噶尔火成岩地层的钻井施工探索出了一种有效提速手段。     

三维振动冲击器钻井提速工具研制与现场试验

为消除PDC钻头的黏滑振动现象,降低滑动导向钻进摩阻,提高机械钻速,延长PDC钻头的使用寿命,研制了一种新型钻井提速工具——三维振动冲击器。三维振动冲击器结构紧凑,无橡胶件和电子元器件,耐高温高压,工作安全可靠;轴向冲击减小了整个钻柱的摩阻力,增强了PDC钻头吃入硬地层的能力,周向冲击消除了钻进过程中的黏滑现象,有利于钻头均匀切削,在中海油临兴致密气区块5口井的现场试验中,工具的工作寿命超过150 h,较邻井提高机械钻速45%以上,可以与螺杆钻具配合使用。研制的三维振动冲击器改善了定向钻进工具面的控制,有效提高了定向能力和定向钻进速度。     

高频振动钻具冲击下岩石响应机理及破岩试验分析

为了研究深井、超深井硬地层中高频振动冲击钻井的破岩机理及破岩效果,基于机械振动原理,建立了高频振动激励下有限深度范围内岩石稳态振动响应的幅频特性模型,分析了井底岩石的响应特点。通过PDC钻头的旋转、高频振动冲击的联合破岩试验,分析了转速、频率等参数对振动冲击钻井机械钻速的影响。结果表明:随着振动冲击激励频率增大,机械钻速逐渐增大;振动冲击激励频率为1 400~1 500 Hz时,机械钻速达到最大,与无振动冲击激励相比增幅为93.5%~106.3%。理论研究和试验结果都证明,高频振动冲击能够降低岩石抗钻能力,提高破岩效率。      

钻头破岩能量与岩石自适应匹配提速技术

针对深层、超深层和复杂地层等对钻井提速的要求，考虑深层岩体可钻性变化，提出了基于钻头破岩能量与岩石特征自适应匹配的钻井提速技术。在分析钻头破岩过程中扭矩特征的基础上，研制了自适应匹配工具，利用行星齿轮和扭簧结构进行能量存储与释放，钻进岩性均质地层过程中提前蓄能，钻遇砾石层或非均质地层时释放能量进行辅助破岩。通过静力学和动力学性能测试，验证了自适应匹配工具结构的可靠性和实现提速的可行性。自适应匹配工具在深层页岩气井进行了现场试验，结果表明：与使用常规方法的邻井相比，机械钻速提高了83%，验证了该工具提速的有效性和稳定钻头工作状态的效果。钻头破岩能量与岩石自适应匹配提速技术，为深层、超深层和复杂地层钻井提速提供了理论支撑和新的技术途径。     

单齿高频扭转冲击切削的破岩及提速机理

高频扭转冲击钻井作为一种新兴钻井技术,由于其在硬地层钻进中具有显著的提速效果以及能够较好抑制黏滑振动的发生而得到极大关注。但由于对其破岩机理以及提速机理认识不够清楚,使得高频扭转冲击钻井技术在推广应用时尚未发挥其最佳性能。基于有限元法建立了单齿扭转冲击切削岩石的拟三维数值仿真模型,研究了扭转冲击作用下钻齿切削岩石过程中的裂纹扩展、岩屑形成、损伤演化以及破岩比功等问题。研究结果表明:扭转冲击切削作用下岩石相比常规切削更易发生脆性破碎(体积破碎)形成大块岩屑;扭转冲击切削作用下的破岩比功要明显小于常规切削,且岩石单元从损伤萌生到刚度完全退化的时间同样要小于常规切削作用;在软地层中扭转冲击切削几乎没有提速效果。研究结果可为扭转冲击器及钻头设计、钻井参数优选提供依据。     

几种典型难钻地层提速方法

PDC钻头在极硬、强研磨性和软硬交错等非均质地层中,机械钻速低,使用寿命短,因此,需要采用新的钻井工具和方法解决难钻地层的钻井提速问题。针对硬脆性地层、硬塑性地层及强研磨性地层等典型难钻地层,提出了相应的提速提效钻头钻具组合方法。指出在硬脆性地层和硬塑性地层中,可分别采用液动冲击器+锥球齿金刚石钻头、扭力冲击器+尖圆混合齿钻头,以实现钻井提速;而对于硬地层定向段的提速,则可采用等壁厚大扭矩螺杆+混合钻头来实现。现场应用结果表明:这些提速提效钻头钻具组合大幅提高了机械钻速,降低了钻井成本,可推广应用。所得结论可为难钻地层的钻井提速方案选择提供参考。     

脉冲射流提速技术试验研究

研究采用螺杆+频率可调脉冲提速工具+PDC钻头的钻具组合,此钻具组合可以充分发挥螺杆旋转带动钻头高速破岩和脉冲射流高效清岩的效应,最终实现提高机械钻速、提高钻头进尺、缩短钻井周期的目的。同时分析了频率可调脉冲提速工具结构和脉冲射流提速机理。通过三个区块三口井现场试验结果表明,脉冲射流技
术提高复合钻井机械钻速33.14%~56.64%,缩短钻井周期32.17%~43.91%。频率可调脉冲提速工具结构简单、性能可靠、提速效果好,与螺杆+PDC钻头形成的钻具组合应用经济效益显著,具有较广泛的推广价值。     

液动冲击器分析及现场应用

介绍了由西安石油大学研制的液动冲击器的结构原理及该提速工具主要优点和所适应的地层,通过准噶尔盆地腹部已钻邻井达15测井岩石力学参数找出适合液动冲击器适应的地层,经现场试验该工具在达17井三叠系中硬地层与相适应的强攻击性PDC钻头配套使用机械钻速得到极大提升,与同时在该区域相同地层、相同泥浆体系使用多维提速工具的达001井及使用螺杆的玛中5井对比,提速效果明显,对后续在该区域施工的井队具有较强的借鉴和应用价值。     

新型钻井提速技术在南海东部古近系地层应用

针对南海东部海域恩平组、文昌组等深部古近系地层压实程度大、岩石抗压强度高,并且含硬夹层较多,地层可钻性差难题,为解决钻井作业过程中出现钻头吃入困难、机械钻速低、钻头磨损严重、起下钻频率高等一系列问题,提高对钻井效率和钻井成本控制。该文以南海东部某区块为例,通过总结以往常规钻头使用效果,并综合地层可钻性开展分析,优选出一套复合冲击器配合专用PDC钻头组合的新型钻井提速技术,并在深部古近系难钻地层进行现场应用和验证。结果表明,该钻井提速技术与邻井同垂深、同层位对比,机械钻速显著提高,钻井效率大幅提高。该钻井提速技术的成功应用可为后续类似难钻地层的提速提效提供技术参考。     

旋冲钻井技术的破岩及提速机理

深部硬地层钻井效率低、成本高的问题是现阶段深井、超深井钻井过程中长期面临的难点问题。旋冲钻井技术由于其具有提高硬地层钻进效率、降低定向钻进中黏滑振动以及提高钻压传递效率等优点而得到认可，但旋冲钻井技术的破岩提速机理尚不够明晰，且与冲击器配合的钻头使用寿命尚达不到工业要求。基于岩石力学、岩石破碎学、损伤力学等理论结合有限元方法建立了单齿旋冲破岩的三维有限元模型，分析了单齿旋冲作用下岩石的裂纹扩展、岩屑形成、损伤演化以及破岩比功等问题。研究发现，硬地层岩石在旋冲作用下更易发生脆性破碎，旋冲钻井技术能够改善钻齿的受力状态，更好地保护切削齿，提高钻进效率；冲击幅值对破岩比功的影响程度不大，这与扭冲钻井技术不同；冲击频率对于破岩比功的影响较大；旋冲钻进技术不适用于软地层。     

旋冲钻井技术在川西硬地层的应用

川西地区深层天然气资源丰富,是中国石化增储上产的重点区块。沙溪庙组—须家河组岩石致密,可钻性差,机械钻速慢、钻井周期长是该地区深井钻井的首要难题。针对此问题,开展了旋冲钻井技术先导试验。通过现场应用和工具的改进、完善,在钻井液密度为2.25 g/cm3的条件下,旋冲钻井的平均机械钻速比同地层PDC钻头提高26%,成为川西硬地层钻井提速的又一重要手段。