油气钻井组合式破岩技术研究

为了提高钻井效率,对油气钻井组合式破岩技术进行了深入研究,摩擦热-机械破岩、微波-机械破岩、激光-气体机械破岩等新型组合破岩技术较常规机械破岩方法能明显提高破岩效率,但也有各种技术瓶颈需要突破,距工业化应用还存在一定距离,机械破岩仍是高效破岩的主体.在研究岩石热物理特性、空气钻井装备工具、高温材料等的基础上,提出燃烧热能-机械能综合破岩方法是最有发展前景的新型破岩方法.采用燃烧热能-机械能综合破岩,双壁钻杆及双通道水龙头提供燃料通道,耐热材料用于研制高温钻头,高温造壁器将破岩形成的井眼井壁玻璃化,可实现深井和超深井钻井,并保护储层.      

PDC钻头复合冲击钻进动力学研究

深部地层的环境温度高，岩石硬度大、研磨性强。采用PDC钻头常规钻井方式，钻头的破岩效率低、机械钻速慢。介绍了1种轴扭复合冲击破岩工具的结构和工作原理。建立PDC钻头破岩理论模型和数值分析模型，并进行对比分析，得出了常规钻进和轴扭复合冲击钻进过程中PDC钻头的运动轨迹和岩石破碎过程应力变化规律。分析发现，复合冲击作用下岩石裂纹发生快，更容易产生体积破碎，岩石表面能够形成连续均匀的破碎坑，相比常规钻进能够提速30%左右。该研究为轴扭复合冲击破岩提供了理论依据，对深井油气田开发具有重要意义。     

水射流钻径向孔用步进式钻进系统的研究

水射流钻径向孔用喷管的前端牵引钻进方式存在自牵引力小,限制了喷管长距离钻进的问题;地面下放钻进方式又存在力传递情况复杂,下放速度波动大,地面难以实现井下钻进速度精确控制等问题。鉴于此,研究了水射流钻径向孔用步进式钻进系统。该系统通过低速钻进控制器实现喷管的低速钻进,通过步进式锚定送进机构保证喷管持续钻进。试验结果表明:该系统可实现喷管在地层中低速(0.5~3.0 mm/s)、大推力(2 k N)、长距离(≥10 m)钻进;该系统的钻进速度与射流破岩速度(0.3~5.0 mm/s)一致,能够使喷管与岩石之间保持较稳定的喷射距离,有利于喷管长距离钻进;在埋藏浅、岩石软、孔隙度大、围压小和温度高的情况下,破岩钻进效率高,反之则较低。研究结果可为喷射钻进技术的进一步研究应用提供一定的参考。     

粒子冲击钻井技术基础理论及试验研究

粒子冲击钻井是以高速球形硬质钢粒子冲击破岩为主,以高速水力破岩和机械牙齿破岩为辅的钻进硬地层的一种高效钻井工艺。该工艺是在钻井液中增加一定质量的钢粒子,利用粒子的冲击破岩作用,提高在硬地层或者硬夹层的钻井效率。介绍了粒子冲击钻井技术涉及的理论及试验研究,分析了硬地层的岩石动态本构关系,确定岩石模型的选择和建立。利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立物理模型模拟粒子破岩过程,对比试验数据和仿真结果,总结了粒子冲击钻井破岩规律。粒子冲击钻井技术为解决硬地层钻井速度慢、钻井周期长和钻井成本高等难题提供了新思路,为近期页岩气的勘察和开发提供一种新的钻井方法,该技术在非常规油气勘探和开发中具有广阔的应用前景     

复合冲击条件下PDC钻头破岩效率试验研究

为分析纵向冲击与扭转冲击复合条件下PDC钻头的破岩效果,以及不同钻进条件和冲击参数对破岩效果的影响规律,设计了一种具有纵向和扭转冲击功能的旋扭复合冲击发生装置,利用粉砂岩、石灰岩和花岗岩3种岩性的岩样开展了PDC钻头常规破岩和复合冲击破岩试验,研究了复合冲击条件下钻压、转速、冲击力和冲击扭矩等参数对PDC钻头钻进速度的影响规律。试验结果表明:钻压和转速是影响破岩效率的主控因素;相较于常规PDC破岩,复合冲击钻井方式产生的岩屑粒径更大,破岩效率更高;冲击力和冲击扭矩越大,破岩效率越高,复合冲击方式在硬地层钻进中的钻速最高可提高50%。研究PDC钻头在复合冲击条件下不同钻井参数对破岩效率的影响规律,为复合冲击工具设计和性能参数优化提供了理论依据。      

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钻井工程作业要破碎厚达数千米厚的岩石，其破岩效率的主要影响因素是井下地层岩石性质、破岩工具和方法。文章对岩石性质进行了基本分析，进行了喷嘴射流水力冲蚀辅助破岩门限压力的实验研究。提出了在现有旋转钻井方式下，钻头的机械破岩、喷嘴射流的水力辅助破岩和降低井底压差是提高钻井破岩效率的三个重要途径。分别阐述了它们能够提高钻井速度的机理、方法、关键技术和研究方向。同时介绍了激光钻井和电热能钻井新方法的研究与发展趋势。     

PDC切削齿直径对切削力的影响规律研究

针对不同地层岩性特点,需进行个性化PDC钻头设计,其中PDC切削齿的直径是重要的钻头优化设计参数之一。为了探究不同PDC切削齿直径对破岩切削力的影响,通过室内模拟试验方法进行研究。试验所用岩样为石灰岩。单齿破岩试验选取了?13.44、?15.88、?19.05、?21.95 mm的常规圆柱状PDC切削齿和3个不同的切削深度作为试验变量,使用三轴力传感器记录了切削力数据并收集了岩屑,对比了不同试验条件下单齿破岩过程的机械比能和不同直径切削齿的攻击性;使用水平钻机进行了全尺寸钻头破岩试验,对比了3种不同PDC切削齿直径的钻头在3 mm左右吃入深度下的破岩机械比能。试验结果显示：PDC切削齿的破岩切削力并不随着直径的增大而增大;在相同吃入深度下,?19.05 mm齿的破岩效果最好;随着吃入深度的增加,切削岩石所需要的力变大。全尺寸钻头破岩试验结果表明,?19.05 mm齿的全尺寸钻头机械比能最低。分析认为,在破岩过程中,PDC切削齿直径会改变岩石内部产生的应力区域,影响PDC切削齿的破岩效果。选取与岩性匹配的PDC切削齿直径能够取得最优的破岩钻进效果。研究结果可为PDC钻头优化设计提供部分理...     

利用井底超高压射流提高钻速研究

近10年以来,机械辅助高压射流破岩技术再次获得钻井界高度重视,被认为是提高硬地层、深井机械钻速的根本途径之一。利用井底超高压射流钻井技术是指基于水力与机械联合破岩方法和水力增压原理,开发一套具有射流式井底增压装置(DPS-1)和新型双流道高效破岩钻头(DCB-1)。创新点包括:开创了超高压水力与PDC机械联合高效破岩理论;研究开发了一套具有射流式井底增压装置;研究开发了一种新型双流道高效破岩PDC钻头。在温5-212井进行了现场试验,井段465.56~814.49m,进尺348.93m,纯钻11.33h,机械钻速30.79m/h,与同区块同井段牙轮钻头同比,机械钻速提高72.11%,钻头出口压力为70MPa。所以该技术是一个极富挑战性和可以充分发挥创造性的研究领域,这种技术潜在的经济效益是巨大的,也是目前可能有较大突破的一种联合破岩方法。     

激光破岩方法研究及在石油钻井中的应用展望

激光钻井破岩研究是钻探工程领域一项具有前瞻性的应用基础理论课题,它包括5大基础科学问题,即激光/岩石/流体相互作用原理、岩石相变的热力学与传热学理论、强激光的传输变换与微型化原理、激光破岩岩屑运移的多相流动理论、激光钻井的安全与环境保护科学等。阐述了激光直接破岩的机理,即击碎、熔化和蒸发的作用,并综述了国内外激光破岩试验研究成果,解释了比能、二次作用等专业概念;主要对激光破岩试验中出现的岩石热裂、液体汽化效应进行了分析,得出了影响激光热裂岩石、激光汽化钻井液的因素,从理论上探讨了激光-气体机械联合钻井与激光激励汽化射流辅助钻井方法的可行性,同时指出了发展激光钻井技术的优势及难点,为激光技术在钻井中的应用指出了研究方向。      

粒子射流冲击破岩试验装置研制

粒子射流冲击钻井技术是利用高速金属粒子和流体联合冲击破岩为主,机械破岩为辅的一种破岩工艺,是提高坚硬、高研磨岩层进尺速度的一种有效手段。针对该破岩工艺技术,研制了一套能够模拟粒子射流冲击破岩的室内试验装置。该装置主要由高压泥浆泵、粒子掺入装置、模拟顶驱、模拟井底、水循环系统和安全保障系统组成,能够实现粒子按比例掺入、冲击破岩、粒子回收和破岩过程数据监控等功能;能够完成射流速度、粒子体积、粒子掺入比例、冲击标靶距离和射流角度对破岩效率和破岩效果的试验研究。     

超声波高频旋冲钻井技术破岩效果试验研究

为了研究超声波高频旋冲钻井技术相较于常规旋转钻井技术的提速效果,以及钻进条件和参数对超声波高频旋冲破岩效率的影响规律,设计了超声波振动发生短节,搭建了超声波破岩模拟试验台,采用控制变量法和正交试验法,开展了超声波破岩提速试验及影响超声波破岩效率的试验,得到了钻压、超声波振幅、转速和钻头直径对超声波高频旋冲破岩效率的影响规律。结果表明:在实验室常规温度和压力条件下,与常规旋转破岩技术相比,超声波高频旋冲钻井技术的破岩效率更高,平均提高幅度达77.65%;影响超声波高频旋冲破岩效率的因素从大到小依次是钻压、振幅、钻头直径和转速;钻压和振幅对超声波高频旋冲破岩效率的影响显著,且振幅越大,超声波高频旋冲破岩的效率越高。研究结果表明,超声波高频旋冲钻井技术可为提高深部硬地层机械钻速提供一种新的破岩方法。      

复合冲击破岩钻井新技术

针对传统旋冲钻井和扭冲钻井在钻头的匹配性及地层的适应性方面存在的局限性,结合高效钻井技术发展趋势,提出了复合冲击破岩钻井新技术,并开发了可实现扭向反转冲击联合轴向脉动冲击的新型复合冲击钻具。该钻具可将流体的液压能转换成工具扭向和轴向交替的高频冲击机械能并直接传递给钻头,给钻头施加周期性的低幅高频复合式冲击,在不需要改变任何设备的前提下提高破岩效率。在介绍复合冲击破岩钻井新技术破岩原理的基础上,详细介绍了复合冲击钻具的结构和工作原理、影响破岩效率的关键参数等。新型复合冲击破岩钻井新技术,可真正实现“立体破岩”,从而提高机械钻速和井身质量。      

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。     

高压水射流井底切槽应力卸载特性

深井/超深井岩石应力大造成的岩石强度升高是导致钻头磨损快、钻井效率低的主要原因之一。高压水射流技术由于可以大幅度提高机械钻速而被广泛应用于钻井工程领域。传统高压水射流破岩理论认为水射流能够起到清岩和辅助破岩的作用,但水射流形成的凹槽对井底岩石应力状态分布的影响一直没有引起足够的重视。结合钻头与高压水射流联合破岩过程,提出了高压水射流井底切槽应力卸载方法。基于Biot多孔弹性力学理论,建立了深部岩层物理模型,分析了不同井深、地应力状态、井底压差条件下岩石有效应力的分布形态和切槽应力的卸载程度;结合不同围压条件下花岗岩的力学特性,使用自定义岩石抗压强度函数分析了井底切槽对岩石强度分布特征的影响规律。研究结果表明:随着井深的增加,应力卸载效率不断升高,井底轴线处有效应力卸载效率在70 %以上,井底周围有效应力卸载效率约为50 %;钻井液压力的升高减小了应力卸载效率,且井底轴线处应力卸载效率受钻井液压力的影响较大;水射流切槽显著降低了井底轴线处岩石的强度,卸载效率达50 %以上,井底周围岩石强度卸载效率约为30 %;井底凹槽的存在释放了岩石的有效应力,并将井底岩石应力集中于区域推离切削面,从而降低了钻头作用区域的应力值,在一定程度上降低了岩石的强度,进而提高机械钻速。     

牙轮—PDC混合钻头的破岩特性及温度场变化

较之于常规的PDC钻头或牙轮钻头,牙轮—PDC混合钻头有着更好的破岩效果,其破岩过程产生的热量对其使用寿命和钻井效率都有着重要的影响,但目前对其破岩过程中温度场和破岩特性的研究还不够深入。为了给混合钻头的优化和推广提供理论支撑,基于有限元法、弹塑性力学等建立钻头破岩仿真模型,据此研究了破岩过程中的混合钻头温度场变化规律和破岩特性。研究结果表明:(1)牙轮主导型混合钻头破碎岩石时牙轮切削结构先冲击岩石,形成破碎坑,PDC切削齿再进行剪切,而PDC主导型混合钻头由PDC切削齿对岩石进行刮切形成沟槽,牙轮切削齿再对岩石进行破碎;(2)混合钻头在破岩初始阶段温度上升较快,一段时间后趋于平稳且钻压越大温度越高;(3)较之于PDC钻头和牙轮钻头,混合钻头破岩过程中温度更低,混合钻头破岩量大于单个PDC钻头和单个牙轮钻头破岩总量之和;(4)混合钻头在硬地层中的破岩温度高于在软地层中的破岩温度,而钻速则相反;(5)钻头破岩温度和破岩特性与其自身结构有关。结论认为,该研究成果有助于混合钻头的优化设计和推广应用。     

冲击作用下岩石破碎的动力学特性及能耗特征研究

为了研究冲击钻井中岩石破碎的难易程度及动态破碎规律,基于固有缺陷的损伤原理,建立了岩石动态破裂强度、破碎时间和破碎能耗的理论模型,通过砂岩的霍普金森压杆冲击压缩试验分析了其破坏强度、破坏时间及破坏过程中的能量耗散特征。分析研究发现,试验结果与模型计算结果基本吻合,砂岩的动载强度、破碎时间和破碎能耗均与应变率之间呈幂函数关系,随着应变率在60~115 s-1范围内增加,砂岩的动载强度与静载强度相比增大了1.33~1.83倍,破碎时间从84 μs迅速缩短至52 μs,且应变率越大,岩石破坏后的碎块尺度越小、破碎能耗值越大。研究结果可为衡量岩石动力破碎的难易程度及提高冲击破岩效率提供参考。      

自激振荡式旋转冲击钻井工具在大港板深19-64井的应用

自激振荡式旋转冲击钻井工具利用水力振荡元件产生的周期性机械冲击,通过钻头作用于岩石,使岩石的破坏强度相对降低,同时产生的水力脉动作用于井底,改善了井底岩石的受力状况,提高了岩屑的净化效果,从而有效提高了钻头的破岩效率。自激振荡式旋转冲击钻井工具采用优化的水力结构和高耐磨材料,性能可靠,对钻头和钻具结构没有特殊要求。板深19-64井使用JB-ZJXC-178型自激振荡式旋转冲击钻井工具钻进747 m,平均机械钻速9.05 m/h,比本井同地层马达钻具机械钻速提高90.12%,提速效果明显。     

钻头切削齿破碎岩石的温度变化试验及机理分析

钻头切削齿是破碎岩石的核心部分，在破岩过程中做的绝大部分功会转换成切削热，导致切削齿温度升高，目前对切削齿温度的影响研究成果主要集中在切削深度、切削速度及切削齿结构方面，但对于岩石特性对切削温度影响程度和机理的认识尚不明晰。为此，在自制的MDES 2000微钻平台上，开展了砂岩、大理岩、花岗岩以及玄武岩等4种典型岩石的钻进试验，基于岩石破碎力学模型和数值分析结果，探讨了岩石特性对切削温度的影响程度并进行机理分析。研究结果表明：①在相同的钻进参数下，岩石强度直接影响不同岩石钻进深度，导致岩石破碎模式（塑性、脆性）的转变，从而造成不同岩石切削温度的波动差异，砂岩、大理岩发生塑性破碎，温度波动范围约为±0.5 ℃，而花岗岩、玄武岩则发生脆性破碎，切削齿温度波动范围约为±1.5 ℃；②岩石强度是影响切削温度温升速率变化的重要因素，强度越大所需切削力越大，产生切削热增加，导致4种不同岩石钻进时温升速率随岩石强度的增加而逐次递增；③岩石破碎力学模型和前、后刀面温度分析结果表明，切削齿前刀面起主要的切削作用，是造成不同岩石的切削温度波动程度的主要因素。结论认为，钻进试验与数值模拟所得到的温度变化趋势基本吻合，该成果可以为钻头切削齿工作寿命研究提供借鉴和参考。     

鲁迈拉石膏夹层岩石可钻性预测

鲁迈拉油田岩心数量少,钻头优选主要依靠施工和设计人员的经验。针对这一问题,以钻速方程为基础,通过逆推回归和数据拟合的方式,建立起鲁迈拉地区岩石可钻性与测井数据对应关系,并以岩屑分形理论为依据对结果进行验证,找出最能反映岩石破碎难易的特征量,确定岩石强度、硬度及可钻性与岩石的这些分形维数的统计模型。根据岩石可钻性预测结果,开展了KM533X复合钻头现场提速试验,单只钻头平均进尺提高214.70%,机械钻速提高29.90%,从而保障了该地区钻井作业顺利高效完成。     

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