负压脉冲钻井技术理论及方法

国内油气勘探开发逐渐向深部地层发展,钻井施工中遇到的地层更加复杂、坚硬,岩石可钻性级别不断上升,机械钻速大幅度下降。井底负压脉冲技术既可实现井底负压又可提高射流能量,因此在提高深部地层机械钻速上具有独到的优势。分析了负压脉冲钻井提高机械钻速的原理及特点,介绍了国内外具有代表性的几种负压脉冲工具的工作原理及特点,着重介绍了胜利油田MCP-178型机械阻断式脉冲钻井工具的研制与应用,对提高深部地层钻井速度,降低钻井成本具有重要意义。     

井底脉冲式不对称流场钻井工具的研制及应用

常规钻井作业中井底水力能量利用率较低,水力辅助破岩和清岩能力下降,导致井底岩屑不能及时清理而造成岩屑的重复破碎,甚至形成钻头泥包,使得钻井速度降低。鉴于此,研制了与钻头配套使用的JSXMC型井底脉冲式不对称流场钻井工具。该工具产生的脉冲射流直接通过钻头喷嘴作用于井底,在井底产生不对称流场,不仅具有降低井底压持效应、产生负压脉冲和空化辅助破岩等功能,还具有脉冲效果更强、工具长度短和辅助冲击钻井等特点,从而大幅提高机械钻速。现场应用结果表明:在钻具组合相同和钻进参数基本相同的情况下,该工具的平均机械钻速比邻井提高30%,同时还具有保护钻头的作用。该工具的研制成功可为钻井现场合理有效地利用井底的水力能量并提高机械钻速提供参考。     

水力脉冲振荡工具设计

水力脉冲振荡工具在石油钻井中的应用越来越广泛,逐渐成为钻井提速的关键技术之一。对水力脉 冲振荡工具的常见结构、工作原理及破岩机理进行了研究,结果表明,水力脉冲振荡工具能够将水击作用产生的压 力脉冲转化为作用于井底岩石的交变动静载荷,改变岩石的应力状态,利于岩石的破碎和井底岩屑的清理,提高钻 井破岩效率。Ｓ１１－１Ｘ井实际应用效果表明,使用水力脉冲振荡工具比常规钻井方式平均机械钻速提高３８．４％。     

水力脉冲式钻井工具的研制与应用

水力脉冲式钻井是利用特定的工具使钻井管柱中的连续流转变为脉冲射流,从而改变井底流场的压力状况,进而提高机械钻速的一种钻井新工艺。在分析水力脉冲产生机理的基础上,探讨了基于瞬变流理论的机械阻断式水力脉冲破岩机理,介绍了SLPMC机械阻断式水力脉冲工具的工作原理及结构特点,简单叙述了该工具在胜利油田进行的2口井的现场试验情况。该钻井工具对于提高机械钻速和降低钻井成本具有一定的积极意义。     

井底岩屑磨料脉冲射流室内实验研究

提高深部复杂地层机械钻速，迫切需要发展新型高效破岩钻井技术。在分析现有技术的基础上，指出发展新型复合射流钻井技术是提高深部地层石油钻探效率的一个重要途径。提出了井底岩屑磨料脉冲射流钻井的技术构想，设计了相关的工具，分析了井底岩屑磨料脉冲射流破岩、辅助破岩的机理，进行了后混合磨料脉冲射流破岩室内实验研究。结果表明:冲蚀体积随泵压增大而增加，存在破岩的最佳喷距、磨料浓度和磨料粒径；在较低浓度下，后混合磨料脉冲射流的冲蚀性能较接近于前混合磨料脉冲射流；引入外部流体后射流的动压力增大了7%，脉冲幅值提高了1.5倍。研究结果为井底岩屑磨料脉冲射流钻井工具的研制和相关技术的开发提供了依据。     

井底高压射流辅助钻井技术

在现有钻井条件不变的情况下,提高机械钻速较理想的方式是充分利用井底射流能量来提高破岩能力。在井底产生射流的方法很多,重点阐述了机械阻断式水力脉冲射流钻井和井底增压超高压射流钻井技术,并详细分析了其技术原理、国内外发展现状及存在的问题,还进一步介绍了水力脉冲钻井工具和国外井下增压器技术的最新进展,最后就该技术提出了相关建议。     

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。     

水力脉冲空化射流欠平衡钻井提高钻速技术

研究了水力脉冲空化射流欠平衡钻井破岩、清岩、提高机械钻速机理,并在准噶尔盆地金龙3井进行了水力脉冲空化射流欠平衡钻井现场试验。研究结果表明,井底欠平衡状态下产生水力脉冲、空化冲蚀和局部负压效应,可改善井底流场,降低岩石的破碎强度,促进井底已破碎岩石及时脱离井底,减少反复切削及压持效应,从而达到提高机械钻速的目的。金龙3井相邻井段机械钻速对比表明,在钻井参数基本不变的情况下,采用牙轮钻头+水力脉冲空化射流发生器欠平衡钻井方式钻2 590~2 655 m井段和采用牙轮钻头+水力脉冲空化射流发生器+螺杆钻具欠平衡钻井方式钻2 655~2 759 m井段的机械钻速分别比采用欠平衡钻井方式钻2 485~2 590 m井段的平均机械钻速提高19.8%和87.1%。图5表2参14     

自激振荡式旋转冲击钻井工具在大港油田的应用

自激振荡式旋转冲击钻井工具是安装于钻头与钻铤之间.钻井液流经该工具的自激振荡器产生低幅高频机械冲击力传递至钻头,提高钻头破岩效果;同时钻井液高速流经振荡器所产生的脉冲射流作用于井底,改善井底岩石的受力状况和井底流场,强化清洗效果,从而有效提高钻头的破岩效率.自激振荡式旋转冲击钻井工具在大港油田共进行了7口井试验,试验井段机械钻速提高20.57％一132.63％,为中深层钻井提速开辟了新途径.     

新型射流提高机械钻速机理及研究进展

在油气井钻井中，喷射钻井技术能够较大幅度地提高钻井速度，其实质是喷嘴射流辅助钻井破岩，提高了井底破岩效率。为此，文章在如何向井底输送能量和充分利用井下水力能量研究的基础上，进行了多种新型射流的研究与应用。文章对断续射流、自激振荡脉冲射流、自振空化射流和它激振荡脉冲射流4种形成新型射流的理论和方法，提高机械钻速机理进行了分析。现场应用结果表明，新型射流能够较大幅度地提高机械钻速，具有广泛的研究和开发应用前景。     

脉冲射流式液动冲击工具的研制及现场应用

目前,对于水力脉冲射流的研究主要集中在脉冲流场及其作用效果等方面,而在液动冲击与脉冲射流协同破岩方面则还是空白。为此,基于脉冲射流相关理论,将液动冲击提速与脉冲射流协同破岩有效结合起来,分析其工作原理与实现条件,研制了脉冲射流式液动冲击钻井工具,并通过室内试验和现场实验验证了该工具的破岩能力。结果表明:(1)冲击体质量小于60 kg时,该工具能够运行;(2)液动冲击与脉冲射流协同作用下的钻具组合破岩能力明显优于其他钻具组合的破岩能力,在水平钻进过程中,其提速效果更明显;(3)冲击效果由冲击体的质量和冲击频率决定,质量为30 kg的冲击体的冲击效果更好;(4)脉冲射流越大,其破岩能力越强,减小工具喷嘴的直径能够增大脉冲射流;(5)液动冲击对高硬度岩石的破碎具有更明显的加速效果,对于胶结程度较差的岩石,通过增大脉冲射流,可更大幅度地提高破岩速度。现场应用效果表明,液动冲击与脉冲射流协同作用下的钻具组合的机械钻速为2.52 m/h,较之于常规钻具组合,该工具平均提速可达72.5%。结论认为,该工具为解决深井与水平井钻进速度慢、压持效应明显与岩屑清理困难等问题提供了新的思路。     

页岩气井中水力脉冲空化射流钻井试验研究

为了提高页岩气钻井施工中的机械钻速、缩短钻井周期,在分析水力脉冲空化射流钻井机理及关键技术的基础上,在宣页1井中进行了多井次现场试验,并将试验井段的机械钻速与同井相邻井段进行对比。试验结果表明,在钻进地层相同、相近工况下试验井段比同井相邻井段机械钻速平均提高105.3%;水力脉冲空化射流技术可有效提高页岩气钻井施工的机械钻速。建议进行多区块、多井次现场试验,以验证水力脉冲空化射流技术在页岩气钻井施工中的适应性。     

新型超高压井下增压系统的研制与应用

油气钻井工程实践表明,利用高压射流辅助破岩是提高深井机械钻速的有效途径,而井下增压技术是一种产生高压射流的方法,井下增压系统装置的稳定性、可靠性是该技术工业应用的关键。为此,围绕井下增压系统配套的关键工具进行了研究与实验:①优选的螺杆增压器可将螺杆钻具输出的旋转运动转换为轴向往复运动,达到对部分钻井液实施增压的目的;②依据室内实验获得的不同喷距、射流角度下高压流体对岩石的冲蚀数据,研制了与螺杆增压器适配的超高压双流道钻头;③在地面采用清水作为试验介质进行了测试,高压喷嘴直径1.5 mm,泵压为4 MPa,排量18 L/s,地面测试期间高压喷嘴出口明显可见脉冲高压射流,井下螺杆增压装置运行稳定。在5口井上完成钻井总进尺1 015 m、纯钻进时间206 h,与邻井相比平均机械钻速提高了51.4%。试验结果表明,该井下增压系统在钻井作业中提速效果明显、设计合理、工作可靠。     

一种转化钻柱振动能量的井底高压喷射钻井装置

通过转化井下钻柱振动能量来增加井底钻井液喷射压力是提高钻井速度的重要途径,而现有技术还未能充分合理地利用钻柱振动能量。为此,基于井下钻柱振动能量的利用理论,提出了钻井液井下增压、增排量的井底高压喷射钻井理念,设计出了井底高压喷射钻井装置,并对其进行了数值仿真研究。结果表明:(1)井底高压喷射钻井装置可以将钻柱振动能量有效转化给井底钻井液从而实现井下高压喷射钻井;(2)井底高压喷射钻井装置增加了喷嘴钻井液过流流量,在?215.9 mm井眼中,其输出的钻井液流量可以提高5 L/s;(3)增大了钻井液喷射压力,喷嘴处钻井液脉冲压力最高达到11.3 MPa;(4)深井内井底高压喷射钻井装置应用效果比上部地层更加显著。结论认为,井底高压喷射钻井装置为高压喷射钻井技术的实现提供了一种新的手段,可以解决现有高压喷射钻井技术设备费用昂贵、安全性差、适用范围有限的问题。     

自激振荡式旋转冲击钻井工具在胜利油田的应用

摘要 :自激振荡式旋转冲击钻井工具安装于钻头上部 , 钻井液高速流经自激振荡器,形成水力脉冲作用于冲击传递杆,产生低幅高频机械冲击力传递至钻头,提高钻头破岩效果;所产生的水力脉冲再向下传递,经钻头水眼喷出形成脉冲射流,改善井底流场,提高井底净化和清岩效率,同时井底瞬时负压脉冲产生局部瞬时欠平衡,改变井底岩面破岩应力状态,可明显提高机械钻速。在胜利油田沙三和沙四段地层进行了钻井试验,无论是牙轮钻头还是 PDC钻头都有明显的提速效果,试验井段的机械钻速都提高了 30%以上,可成为钻井提速的新途径。     

Hydraulic Pulsed Cavitating Jet-Assisted Drilling

Abstract

How to improve drilling rate in deep wells has been a hot subject. Based on modulating pulse jet and cavitating jet, a new drilling tool is designed which couples advantages of both pulse jet and cavitating jet. When drilling fluid flows through the tool during the drilling process, fluid is modulated to pulse and cavitate. Thus, pulse cavitating jet is formed at the outlet of the bit nozzle. Because of jet pulsation, cavitating erosion and local negative pressure affect bottomhole rock. Cleaning and breaking is enhanced and penetration speed is improved. Oil field tests in five wells show good applicability of the tool to bit types, formation, drilling densities, flow rates, and dynamic hydraulic drilling motors, etc. As a result, penetration rates are improved ranging from 10.1 to 31.5%; the maximum working time is about 235.5 hr in downhole. Pulse and cavitating jet coupling will afford an effective means to improve drilling rate for deep wells.     

苏里格气田致密气藏水平井优快钻井技术

苏里格气田致密气藏水平井钻井时存在机械钻速低、地层井漏坍塌漏并存、钻井周期长等问题。为此,在分析钻遇地层情况和钻井技术难点的基础上,开展了 “工厂化”水平井钻井模式优化、“高效PDC钻头+大功率螺杆”激进参数钻井技术、不同偏移距井眼轨迹控制模式优化和强抑制低密度CQSP-4防塌钻井液分段优化等研究,形成了苏里格气田致密气藏水平井优快钻井技术。2019年苏里格气田应用致密气藏水平井优快钻井技术完钻56口井,平均机械钻速12.76 m/h,钻井周期39.12 d,建井周期52.20 d,较2018年平均机械钻速提高了23.16%,钻井周期缩短了23.71%,建井周期缩短了16.02%。研究与应用表明,苏里格气田致密气藏水平井钻井关键技术提速效果显著,为苏里格气田致密气藏高效开发提供了技术支撑。      

气体钻井井斜控制技术与应用

川渝地区的深探井,由于初次开钻井眼尺寸大,地层复杂,钻井机械钻速极低,不仅钻井周期长且极易发生断钻具、恶性井漏等井下复杂事故。如何提高钻井速度一直是该区钻井工作的一道难题。为此,总结了近几年来气体钻井的现场实践经验,结果发现：①采用气体钻井技术能够显著地提高钻井速度,钻井机械钻速可以提高3～15倍;②采用常规的牙轮钻头钻井容易发生井斜,虽然采用恰当的钻井参数能有效地控制井斜,但增加了气体钻井的难度,而且钻井速度会明显降低;③采用空气锤不仅能够保证良好的井身质量,而且能保持较高的机械钻速。通过几口井的试验研究已形成了有效地控制井斜的工艺技术和方法,大大提高了钻井效率,节约了钻井成本。     

涩北气田高矿化度地层盐水强包被聚合物钻井液

青海涩北气田位干柴达木盆地东部三湖地区,平均海拔2 700 m左右,地表为盐碱滩,寸草不生.该气田的井存在地层缩径严重、起下钻遇阻遇卡、盐水侵、井漏频繁、测井一次成功率低、钻井速度慢等钻井技术难题.为加快建设高原千万吨级油气田,开展了青海涩北气田优快钻井技术项目,研究了由高矿化度地层复合盐水配制的强包被聚合物钻井液技术,并在涩北气田第四系含盐地层试验成功,形成了配套的钻井液配制工艺和维护处理技术措施.该钻井液具有优异的包被抑制能力,解决了制约涩北气田钻井提速的起下钻遇阻遇卡、测井一次成功率低等技术瓶颈,对提高涩北气田钻井速度、保护产层、加快气田开发等方面起到了一定的促进作用.