深井超深井井底应力场

深井超深井钻井技术对加快我国石油勘探开发进程具有重要意义,深井超深井井底应力场是破岩机理研究进而提高机械钻速的基础。针对井深4500～7000 m时3种不同地应力状态下的井底岩石应力分布规律进行研究,在井底岩石力学分析的基础上,建立了考虑孔隙压力和垂直、水平最大和最小三向地应力差下的流固耦合模型,并采用数值方法进行求解。结果表明,岩石内部孔隙压力以约呈井眼径向距离的–0.055次幂减小;当井深一定时,垂直总地应力为最小地应力时,岩石所受围压最大,为中间主应力时次之,为最大地应力时最小;当地应力状态相同时,随着井深增加,岩石所受围压呈线性增加,导致岩石塑性强度增加,这是深井超深井机械钻速低的主要原因之一。深井超深井井底应力场的定量研究对深井超深井破岩机理研究和提高机械钻速具有重要的理论指导意义。     

低压脉冲空化射流复合钻井技术

低压脉冲空化射流复合钻井技术是在钻头与钻具组合之间安装一个低压脉冲空化射流调制装置,通过其对射流进行调制,产生脉动低压改变井底岩石的受力状态,降低抗破碎强度,提高钻头机械破岩效率,同时变常规连续射流为空化射流,增加井底水力破岩和清岩效率,进一步提高深井钻井速度。塔河油田现场实验结果分析表明,实验井段5349～6162m,纯钻时间为129．36～136．63h,低压脉冲空化射流调制器工作正常,与临井相同井段对比,机械钻速平均提高40．6％～85．1％。     

基于开挖方法的井底应力场有限元模型

基于开挖方法的基本思想、卸载过程的实现方法和有限元理论,采用三维八节点单元类型、适合岩土材料的脆性非线性材料模型,利用井底模型的1/4作为井底有限元模型,用3个时间步模拟开钻前、钻进和井底形成后的3种状态。分析结果表明,井壁外岩石的径向应力和周向应力都随着半径的增大逐渐变为地层的原始地应力,它们的曲线形成喇叭形;“ω”型井底中心区域存在卸载效应,适当利用卸载效应有利于提高破岩工具的破岩效率和机械钻速。靠近井壁区域存在应力集中现象,岩石可钻性变差,这是PDC钻头外侧易损坏的原因。钻头外侧布齿应加强,以提高钻头的寿命和进尺。     

三牙轮三喷嘴钻头井底射流辅助破岩机理分析

由于井底射流辅助破岩的复杂性，其室内模拟试验和理论分析均有较大难度，所获得的结论多以经验性的、定性的解释为主，还未能建立能用于实际的、确定有效的理论。为此，采用有限元方法模拟分析了三牙轮三喷嘴钻头井底射流流场，结合井底岩石应力状态和岩屑启动机制的分析，探索了井底射流辅助破岩的机理。研究结果表明，三牙轮钻头三个喷嘴直径的不同，致使井底流场高压区和低压区并存，钻头旋转，带动流场局部低压区周期性地覆盖井底，使得岩石破碎强度和岩屑启动的难度降低，钻头的破岩钻进效率提高。喷嘴间直径差别的增大，使得井底流场高压区和低压区之间的压差增大，钻井机械钻速提高。研究结果与现场试验结论一致。     

微颗粒强化射流空化及破岩能力研究

深井、超深井钻井面临地层强度高、机械钻速慢等挑战，利用射流空化作用辅助破碎岩石为深井提速提供了新方向。为此，提出了利用微颗粒降低空化临界负压，提高空化强度的技术思路。采用高速摄影和水听器，证实了微颗粒对射流空化的强化作用，并通过冲蚀破岩试验探索了微颗粒直径、质量分数及喷距对空化射流破岩能力的影响规律。研究结果表明：微颗粒的存在可提供额外的空化核，同时降低了空化初生难度，可提高井底射流的空化强度；随着微颗粒质量分数的增加，空泡云趋于稳定，空化的周期性特征逐渐消失，微颗粒的磨蚀作用和空泡的冲蚀作用将在岩石表面共同形成辅助破岩效果；随着喷距增大，空化破坏作用先增加后减小，无因次喷距为100时空化射流冲蚀效果最佳；优化设计钻头水眼到井底岩石的距离，是保障空化射流辅助破岩效果的关键。研究结果可为提高深部难钻地层射流辅助破岩效率提供参考。     

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.     

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。     

深部泥岩地层扭力冲击器钻井钻头优选研究

新疆玉北地区深部泥质岩地层的优快钻进是钻井提速和降低钻井成本的关键,该地层埋深4000m左右,岩石强度高,泥质岩含量高,采用常规钻井方式及常规钻头钻井机械钻速低。为提高沙井子组地层机械钻速,引入了Tork Baster扭力冲击器钻井。作者针对地层岩性特征,结合前期钻头使用情况,根据钻头井底流场模拟 结果,优选出了适合在沙井子组地层的个性化MD1646型PDC钻头,并提出了防止钻头泥包的配套工艺措施。现场应用结果表明,MT1646型PDC钻头在相同工作时间与前期MT1657型PDC钻头钻井相比,采用油基钻井液平均机械钻速提高81%,钻头工作进尺增加143%;采用改进水基钻井液平均机械钻速提高76%,钻头工作进尺增加102%。研究成果为同类地层的优快钻井提供了重要的技术参考。     

中原油田深井超深井钻井技术

深井钻井具有裸眼段长、井底温度高、岩石可钻性差、机械钻速低、井眼易失稳等问题。中原油田开展了复杂地质条件下深井钻井技术攻关，逐步形成了深井井身结构优化设计、PDC钻头十井下动力钻具复合钻井、防斜打直、钻井液、固井、井控等配套工艺技术。截至2004年底，该油田共完成井深超过4000m的深井468口，而且深井钻井速度逐年提高，事故复杂时间大幅减少。详细介绍了中原油田深井超深井钻井技术现状，并对深井超深井钻井技术的发展提出了建议。     

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。      

井底围压对高压水射流的影响规律研究

随着油气资源开发的不断深入,井底围压对高压水射流的影响问题越来越突出。为了对比研究井下围压及地面模拟围压条件下高压水射流破岩性能,通过试验研究了高压水射流在井下真实围压条件与3种地面模拟条件下的破岩能力,并研究了锥形喷嘴、直旋混合喷嘴和空化射流喷嘴的破岩效率。研究结果表明:在650 m深的井底,围压约6.45 MPa,喷嘴压降仅17.08 MPa条件下,高压水射流仍能有效破岩;与井下情况相比,在地面无围压淹没条件下,破岩深度和破岩体积较大,而直径较小;在定压降模拟围压条件下,仅破岩直径与井底围压条件下相似,而破岩深度和破岩体积较小;在定排量模拟围压条件下,高压水射流很难有效破岩。分析认为,目前地面模拟围压的方法并不适合研究井下高压水射流性能,井底围压对高压水射流没有影响,无围压淹没条件可满足试验要求。通过对比不同类型喷嘴的破岩能力,推荐使用空化射流喷嘴。研究成果可为高压水射流技术在钻井、压裂和冲砂洗井等领域的应用与研究提供有益指导。     

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。     

井下钻柱减振增压装置工作原理及提速效果分析

为了进一步提高深部地层钻井速度,基于直井钻进过程中底部钻柱振动特性的研究成果和有效利用直井底部钻柱纵向振动能量实现钻井液增压的思路,研制出了JZZY-1型井下钻柱减振增压装置。该装置工作时,能将钻柱振动能量转化为钻井液的压能,使钻井液增压并通过钻头上的特制喷嘴产生超高压射流,从而实现既减小钻柱纵向振动,又提高钻井液喷射压力来辅助破岩的目的。胜利油田3口井的现场试验结果表明,该装置能够大幅度提高钻井速度,不但结构可靠、工作稳定,工作寿命能够满足现场应用的要求,而且其减振效果优越。这表明利用钻柱纵向振动来实现井下钻井液增压是可行的,应对该增压装置进行深入研究,以满足深井超深井安全高效钻井的需求。      

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现代旋转钻井破碎岩石是以机械破岩为主导方式，射流辅助机械破岩的目的是提高机械钻速。文章论述了牙轮钻头与岩石相互作用过程及岩石剪切破坏的内在规律；重点研究了射流的水楔作用对岩石裂纹产生、扩展、贯通及破坏的机理。实验结果表明，射流辅助钻井的门限压力是岩石抗拉强度的4.1倍，是抗压强度的26%；还与井底压差及其它岩石物理力学性质有关。同时指出，超高压射流的研究与应用是辅助钻井高效破岩的重要发展趋势。     

从井底岩石受力分析研究气体钻井对机械钻速的影响

采用气体钻井时机械钻速较高,目前已被钻井界普遍认可;但对气体钻井是如何提高机械钻速的研究还不多。为此,通过有限元软件对井底岩石所受应力及其垂向应力积分曲线进行分析,结果发现,气体钻井过程中井底岩石上凸,表现为类似"张力"的外张趋势,其垂直于井底平面向下应力影响范围也比常规钻井液的大,由于没有钻井液静液柱压力的压持效应,岩石开始从塑性向脆性转变,这和所预期的结果一致;这一转变更利于钻头切削面与岩石接触,提高岩石破碎效率;也就是说,如果在使用相同的钻头、钻具组合以及机械参数等作用下,岩石破碎的区域更大,钻进速度也更快。     

The Productivity-Enhancing Technique of Deep Penetrating Perforation With a High-Pressure Water Jet

Deep penetrating perforation with a high-pressure water jet is an emerging advanced technique for enhancing oil well productivity because of its high cutting, breaking, and cleaning capabilities. Based on the analysis of productivity impairment caused by drilling fluid invaded zone and conventional charge perforating compacted zone, production-enhancing mechanisms of deep penetration perforating with a high-pressure water jet have been comprehensively investigated. The three major aspects are rock cutting with a high-pressure and high-velocity water jet, relieving the stress concentration of the near-wellbore region, and penetrating through the damaged zone. In addition, the feasibility of improving formation fracturing and acidizing treatment by using this technique is also discussed, along with future development and application.     

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。     

新型随钻取心钻头破岩提速工作机理

为了获得既能随钻取得岩心又不降低机械钻速的新型钻头,基于前人的研究成果和现有的设计方法,结合随钻取心钻头的结构与破岩特点,设计出了一款全新的随钻取心钻头,并利用台架实验与现场实验对其破岩特性、机械钻速进行测试,将测试结果与理论计算结果进行对比分析。结果表明:(1)新型钻头通过在钻头内部设计一个射流专用通道,经射流喷嘴流出的高压钻井液经过吸附通道产生负压作用,将携带所取岩心进入推送通道回到环空;(2)新型钻头提速增效的效果非常明显,在排量为25 L/s的现场实验中,其提速效果介于5%~40%;(3)实验室测试与现场实验新型钻头的破岩性能与理论计算结果吻合,验证了其可靠性。结论认为,新型钻头在破岩过程中具有"吸附下部岩屑、推送上部岩屑"的效果,可降低岩屑重复破碎率,提速增效效果显著。