■73 mm小尺寸涡轮钻具叶型设计及优化

小尺寸涡轮钻具主要用于深部高温硬岩地层钻进,对我国油气、干热岩等深部能源矿藏的地质调查具有重要意义,在石油行业中小井眼钻井、老井加深及连续油管钻修井等方面具有较好的应用前景。目前,国内尚无■73 mm小尺寸涡轮钻具,为推进涡轮钻具系列化,对■73 mm小尺寸涡轮钻具的涡轮节中常规级定转子叶片及制动级定转子叶片进行设计优化,旨在研制长度短、转矩适中、转速适中、压降小、功率高及效率高的■73 mm小尺寸涡轮钻具,使■73 mm小尺寸涡轮钻具尽快在我国实现现场应用。设计出符合性能要求的3种常规定转子叶型方案和5种制动级叶型方案,通过理论分析及数值模拟,选出最优的常规定转子叶型及制动级叶型方案,并提出常规涡轮级与制动涡轮级复配的5种涡轮节结构方案,同时对涡轮节结构进行了性能分析及方案优选,优选的涡轮节方案在流量5.5 L/s,工作转速1 500～2 500 r/min时,输出转矩为109～140 N·m,平均压降为11.5 MPa,制动转矩为185.5 N·m,可满足小井眼钻井对■73 mm小尺寸涡轮钻具的输出性能要求。     

南海西部乌石海域ø508 mm隔水导管简易井口稳定性研究

南海西部海域常规探井简易水上井口前期普遍采用ø762 mm×25.4 mm大尺寸隔水导管,作业成本较高。从隔水导管桩土承载力、海底土浅层破裂压力、极端海况下隔水导管强度等方面分析ø508 mm×25.4 mm隔水导管稳定性。结果表明:隔水导管最小入泥深度为45 m时,能满足井口承载1 000 kN要求; 极端海况下隔水导管能满足强度要求,在水面及泥线下2 m附近出现最大弯矩与应力,泥线以下10 m后应力较小。现场应用表明,乌石海域采用ø508 mm隔水导管可实现后续安全钻井作业,相比ø762 mm大尺寸隔水导管方案,可降低作业工期与费用。     

可溶性泵送环在页岩气储层改造中的应用

页岩气套变井使用小尺寸桥塞或73 mm射孔枪串时泵送推力不够,无法泵送到位。通过计算表明,ø88 mm桥塞能够满足最低的泵送要求。研制了一种基于可溶材料的(柔性)泵送环,安装在电缆管串的顶部,以提高管串的泵送推力。在此基础上,成功开展了ø85 mm桥塞带ø88 mm柔性可溶性泵送环在四川威远页岩气应用,以及ø99 mm桥塞带ø103、105和107 mm刚性可溶泵送环在四川威荣页岩气的应用,共计274次现场试验,试验表明,可溶泵送环可以提高管串的泵送力和通过性,降低施工风险。     

WC-A1井TAML五级分支井钻井技术研究及应用

南海西部文昌某油田ZJ-1地层为低孔低渗,为提高其单井产量、增加泄油面积,提出了采用五级分支井钻井技术的开发方式,并成功研制ø244.47 mm斜向器、ø209 mm壁挂式悬挂器、ø169 mm井眼导向器等新型五级分支井工具。通过优化井身结构设计与分支点选择,利用旋转导向系统对轨迹的精确控制,形成了海上油田五级分支井钻井技术,解决了五级分支井在钻井方面存在的轨迹控制、壁挂式悬挂器坐挂、井眼重入等技术难题,对提高单井泄油面积和控制储量有积极意义,为海上低孔低渗储层开发提供新的思路。     

海上高抗扭ø127 mm柔性钻杆研制及应用

为进一步实现海上油田深部低孔、低渗储层开发需求,提高单井产能,进行了海上作业高抗扭柔性钻杆的研究。通过模拟柔性钻杆内部球头连杆球面、异形密封圈球面及本体凹槽内表面相互作用关系,分析出柔性钻杆端面应力分布规律。研制的高强度柔性钻杆在乌石17-2区块Ax井的2个分支井进行了现场试验,试验结果表明:设计的单个ø127 mm柔性钻杆通过API标准螺纹相连,采用纯机械造斜原理,能够实现16～20(°)/m的高造斜率; 配合斜向器回收技术,能够实现多个分支井同时量产,进一步增加单井泄油面积; 钻杆采用铬钼钢材质,能够满足海上高摩阻、高转矩情况下的钻井技术要求,同时可适应高温高压地层钻井作业。高抗扭柔性钻杆的研制与应用为我国海上油气低成本高效开发提供技术支持。     

基于Bezier和正交试验的涡轮叶片参数优化设计

涡轮的叶片型线在涡轮钻具设计中处于核心地位,对其进行优化设计具有重要的意义。基于Bezier曲线对涡轮叶片型线的表达式进行推导。以ø127 mm涡轮为例,应用计算流体力学软件Fluent对其进行数值模拟,并结合正交试验方法,以叶片形状控制参数为因素,以涡轮的转矩和效率为指标,对叶片型线进行优化。结果表明,此方法可综合考虑转矩和效率,得到水力性能优秀的叶片型线参数,为涡轮钻具的叶片设计和优化提供指导。     

3FWZ-195型带浮动定子涡轮钻具涡轮节的研制(第一部分)

简述了国内外涡轮钻井技术的发展概况;详细介绍了新近研制成功的新型带浮动定子涡轮钻具涡轮节的研制经验,它主要包括:涡轮钻具性能参数的确定;涡轮钻具涡轮叶栅的设计;涡轮的台架性能试验及涡轮钻具的整机性能;涡轮节结构设计中的若干技术关键。     

叶片数对水力减速级涡轮输出性能的影响研究

在涡轮钻具中装入一定数量的水力减速级涡轮可以显著降低涡轮轴的空转转速及工作转速,但目前对水力减速级涡轮的研究较少。鉴于此,借助NUMECA软件包,建立了不同叶片数的三维定转子模型,研究了定转子叶片数对水力减速级涡轮水力性能的影响。分析结果表明:在高转速下,随着叶片数的增加,水力减速级涡轮的制动扭矩呈先增大后减小趋势,轴向力呈先减小后增大趋势,压降呈先降低后增加趋势。当叶片数为30片时,扭矩、轴向力及压降等水力性能达到最优;某型号涡轮钻具100级涡轮级定转子配合50级水力减速级定转子,能够有效降低涡轮钻具的工作转速和空转转速。所得结论对水力减速级涡轮的设计具有参考价值。     

海上小井眼大通径一次多层压裂充填工具研究

渤海蓬莱油田平均每年进行约50口井的侧钻井作业,采用ø177.8 mm尾管射孔的小井眼完井技术和单层压裂充填防砂工艺,保证其防砂效果和油井产能。但是,单层逐级压裂充填防砂的整体时效性差、费用高。现有的一次多层压裂充填防砂技术存在管柱通径小、细分层数少、压裂充填排量受限等不足。以ø177.8 mm小井眼完井为例,研制了一种通径为ø98.55 mm的1次6层及以上细分层系压裂充填防砂管柱及配套工具。对往复运动承压的密封模块等关键工具进行了强度分析和室内试验。试验结果表明,该工具的各项技术参数可以满足蓬莱油田的作业需要,且优于国内外同类工具,具有良好的应用前景。     

172组合减速涡轮钻具的研究与应用

针对普通涡轮钻具转速高、扭矩小、压降高、型号单一,与牙轮钻头和PDC钻头不相适应,采用积木式涡轮节和2K-H-NGW型多列行星轮系减速传动方案设计了新型172mm组合减速涡轮钻具。室内实验表明,新型172组合减速涡轮钻具转速适中、扭矩大、压降低,能与高速牙轮钻头和PDC钻头匹配;现场应用表明,新型涡轮钻具能满足高速牙轮钻头和PDC钻头需要,寿命长,采用减速涡轮复合钻井方式可以较大幅度提高钻速;建议加大组合式减速涡轮钻具研究投入力度,并将新型涡轮钻具应用于深井超深井钻井。     

北部湾盆地简易井口新型隔水导管应用研究

在北部湾盆地,油气开采设备需满足百年一遇的台风海况要求。常规探井普遍采用一开双眼,并将ø508 mm套管作为表层隔水导管,下入ø508 mm和ø339.7 mm复合套管,较难保障固井质量。为提高固井质量,并进一步节约工程投资,采用有限元方法建立隔水导管稳定性分析模型,探究了水深、隔水管外径、壁厚等因素对简易井口隔水管井口允许载荷的影响规律,确定了主控因素强弱顺序为:外径> 壁厚>钢级>水深>井口高度,且外径对井口允许载荷的影响远大于其它因素。在此基础上,对北部湾盆地乌石海域探井隔水导管进行优化研究, 在非台风季节时,实现了新型小尺寸套管作为隔水导管在北部湾W井的首次应用。该隔水导管优化技术的成功应用,为后续探井的井深结构优化、进一步提高作业时效、降本增效提供借鉴。     

积木式组合涡轮钻具试验研究

针对涡轮钻具转速高、扭矩小、型号单一、结构复杂、维修麻烦,与我国的钻头发展水平不相适应的问题,开展了积木式组合涡轮钻具试验研究。分析了积木式组合涡轮钻具的理论特性,理论上认为积木式组合涡轮钻具的输出特性是单级涡轮定转子叶片输出特性的叠加。在不增加现有涡轮钻具定转子类型的基础上实现了同一尺寸系列转速的连续化设计。试验结果表明,积木式组合涡轮钻具的输出扭矩、功率、压降与效率的理论计算值与试验值吻合,输出扭矩与压降符合叠加原理;现场应用表明,积木式组合涡轮钻具能满足钻井现场各类钻头的需要,与牙轮钻头、PDC钻头和金刚石钻头匹配使用,平均钻速提高了43%～473%。     

水平井分段压裂裸眼封隔器研制及应用

研制了适用于ø152.4 mm井眼的压缩式裸眼压裂封隔器。设计了胶筒防突机构及限位机构,显著提高了高温条件下封隔器的环空密封性能。在密封圈两侧增加了密封挡圈,增强了封隔器在高温条件下的密封可靠性。在充满120 ℃导热油、内径为ø160 mm的井筒中进行室内试验,封隔器的双向环空密封压力均达70 MPa。该封隔器在苏里格气田成功应用。为裸眼水平井分段压裂提供了技术保障。     

BH系列尾管悬挂器在老井挖潜中的应用研究

二连油田在阿南和蒙古林区块的开发井以ø139.7 mm套管完井方式居多,在近几年老井挖潜改造的悬挂器固井施工作业中,遇到小间隙井眼固井施工困难的问题。为满足开发需要,引进了渤海钻探公司研发的BH-XGY系列ø139.7 mm带顶封装置的尾管悬挂器。该悬挂器针对二连油田小间隙井眼的固井施工,从锥套结构导流设计、钻杆胶塞和尾管复合胶塞结构优化方面入手,改进了多项结构。通过理论计算和现场应用对比分析,解决了二连油田小间隙井眼固井作业中井筒循环压力高、胶塞碰压难、固井质量不高的技术难题,在现场施工中取得了良好的效果。     

λ-f域三维抛物Radon变换多次波压制方法

通常情况下,应用Radon变换压制多次波,一般是对正变换的模型空间进行处理,再反变换回时空域,而Radon域能量团的收敛性直接影响多次波去除效果,且求解过程中需反复进行矩阵的逆运算,计算成本偏高。为此,基于二维抛物Radon变换,借鉴Abbad等的方法,首次提出λ-f(λ为曲率q与频率f的乘积)域三维抛物Radon变换多次波压制方法,将常规三维抛物Radon变换的f-q_x-q_y(q_x、q_y分别为横、纵向离散曲率)域转换到一个全新的λ_x-λ_y-f(λ_x=q_xf、λ_y=q_yf)域,继承了二维λ-f域Radon变换思路。通过引入新的变量λ_x和λ_y,消除常规Radon算子对频率的依赖,减少了矩阵运算次数,显著提高了计算效率;根据一次波和多次波能量在λ-f域空间分布特征,设计三维椎体滤波器,更有效地分离一次波和多次波,降低空间截断效应引起的误差。理论模型及实际数据测试表明：1所提方法降低了空间截断效应的影响,消除了变换算子对频率的依赖,有效减少了矩阵求逆运算次数,较常规三维Radon变换方法的计算效率提高了约8倍以上;2所提方法仍然存在Radon类方法的弊端,即当一次波和多次波速度差异较小时,在近炮检距位置无法得到较理想的多次波压制效果。     

基于CFD软件的涡轮流动特性数值模拟及敏感性分析

利用CFD软件模拟了单级涡轮的压力分布、内流线分布、纵截面速度分布。模拟结果验证了所创建实体模型的可行性;通过改变钻井液的排量、密度、塑性粘度及转子工况对涡轮钻具的输出压降和制动扭矩进行了敏感性分析,得到了与实际相符的结论。采用数值模拟得到压降值,结合水力学计算得到立压值,以便优选入口排量。     

水力旋冲钻井工具破岩影响因素模拟及应用

常规的冲击钻井工具不能满足井眼轨迹控制要求、使用寿命有限、缓解脱压不显著等问题,影响了在定向井钻井中的推广应用。建立ø215.9 mm PDC钻头和岩石的有限元模型,分析钻井参数对破岩效率的影响规律,结果表明:冲击频率为17.5 Hz和35 Hz时,破岩效率最优; 破岩效率随钻压增大而增加,而后变化逐渐平缓; 破岩效率随钻头转速增大而增加; 破岩效率随冲击载荷的增加变化平缓。据此研制了新型水力旋冲钻井工具。现场试验表明,该工具符合定向水平井“一趟钻”工艺要求,使机械钻速提高56%,使用寿命达150 h,MWD信号正常。     

川南页岩气套管变形井分簇射孔管串 泵送工艺分析

川南地区的页岩气水平井的套管变形严重,影响分簇射孔管串的泵送作业时效和安全,成为制约页岩气高效开发的“卡脖子”因素。针对短期内无法完全消除套管变形的现状,分析套管变形后的主要形态与尺寸,介绍了利用CCL信号曲线与井口电缆张力变化快速判别套管变形井中泵送遇阻、遇卡的方法。对比研究了常规分簇射孔管串与小外径分簇射孔管串在不同井斜角的水平井段内的泵送参数匹配关系,当小外径分簇射孔管串的桥塞直径为ø85～88 mm、泵送设计排量为3.0～3.2 m³/min、泵送设计速度为2 500～3 000 m/h时,可有效确保变形139.7 mm(51/2英寸)套管内泵送作业的安全性及时效性。     

2-苯基环己硫醇在γ-Al2O3和SiO2负载的WS2催化剂上的脱硫反应

合成了2-苯基环己硫醇(2-PCHT);通过等体积浸渍法制备了分别以γ-Al₂O₃和SiO₂作载体的WS₂催化剂,采用X射线衍射(XRD)、N₂物理吸附和透射电镜(TEM)技术对催化剂进行表征。在临氢和非临氢(Ar)条件下研究了2-PCHT在WS₂/ Al₂O₃和WS₂/SiO₂催化剂上的脱硫反应。结果表明：在240 ℃和5.0 MPa H₂条件下,2-PCHT在WS₂催化剂上主要通过β消除、氢解和脱氢3条平行路径脱硫,其中β消除和氢解并重,β消除反应速率快于氢解;非临氢条件下,主要通过β消除、C-S键均裂(或氢解)及脱氢3条平行路径脱硫,并以β消除为主;哌啶对β消除路径的抑制作用最大、对脱氢路径作用次之,但对氢解几乎没有影响,并促进了C-S键均裂;WS₂/ Al₂O₃的反应活性优于WS₂/SiO₂,可能与其活性组分的分散度较高有关;临氢条件下,2-PCHT的反应动力学可以用假一级模型描述;但其在非临氢条件下则不能用简单的幂函数拟合,可能归因于环烷基C-S键断裂机制的复杂性。     

冷滚压压力对钻具螺纹疲劳寿命影响试验研究

为了研究冷滚压工艺的滚轮压力对钻具螺纹疲劳寿命的影响,在钻井现场选择钻杆、普通钻铤、无磁钻铤。在其上切取材料,加工成ø12.04 mm×80 mm的试样,并在试样的中部加工类似NC50螺纹的凹槽。3种材料的试样各13件,分别对其凹槽进行冷滚压工艺处理,滚轮压力分别为0、0.5、1.0、…、6.0 MPa。疲劳试验结果表明,滚轮压力对钻具螺纹的疲劳寿命有较大影响,每种材料存在1个最佳的滚轮压力。经过冷滚压工艺处理后,钻杆试样的疲劳寿命最高提高了14.44倍; 普通钻铤试样的疲劳寿命最高提高了170.23倍; 无磁钻铤试样的疲劳寿命最高提高了7.83倍。