空气钻井技术在徐深21井的应用

大庆油田为给提高深层地层机械钻速提供科学依据，在徐深21井的泉头组2段以下非储层段进行了空气钻井试验。试验结果表明，空气钻井能大幅提高机械钻速，与常规钻井相比，纯空气钻井机械钻速提高4～6倍，充气钻井提高1倍以上，空气钻井井段的井斜控制在设计范围内，井径扩大率比常规钻井液钻井略大。这表明大庆油田外围深部地层稳定性良好，适合应用空气钻井技术。     

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。     

带空气锤的空气钻井破岩机理

国内外对空气钻井的井壁稳定性、最小体积流量、地层出水和井斜的控制、提高钻速的机理等方面作了深入的研究，但对破岩机理的研究却较少。为了弄清楚空气钻井尤其是带空气锤的空气钻井破岩机理， 依据空气钻井中的专用钻具空气锤的工作特性及其破岩特点，从井底破碎坑的分布、岩石的破碎形态两个方面对岩石破碎、空气钻井破岩机理进行了定性与定量分析，分析了空气钻井的工艺参数与空气锤的工作参数对破岩的影响，进而建议开展空气钻井破岩机理仿真、实验台架研制及专用空气钻井设备选型的研究工作。     

徐深气田深层气体钻井设计及对策

大庆油田徐深气田深层温度高，岩石可钻性极值高，常规钻井机械钻速低。从2005年开始进行了空气钻井科研攻关和现场试验研究，主要目的是利用气体钻井技术来探索提高泉头组以下地层的机械钻速。针对气体钻井过程中地层出水、出气、井斜、井壁剥落掉块和井壁坍塌等问题，提出在实施钻井前，进行邻井资料调研，确定技术套管封固井段，避免钻遇水层，在实钻过程中利用湿度监测来提高地层出水的综合判断能力；对于气体钻井井斜问题，可以通过优化钻具组合和钻井参数，降低钻压，控制机械钻速，加强实钻监测井斜来预防和控制。     

气体钻井技术经济评价方法研究

空气钻井技术于2000年成为国内热门钻井技术，2005年应用于川东北地区20余口探井，其中78％的井取得了良好的经济效益。钻井的经济效益取决于空气钻井进尺和机械钻速。根据钻井成本的构成及成本与钻井技术经济指标的关系建立了经济进尺和经济机械钻速数学模型，并以川东北地区探井空气钻井实际成本和现场实钻资料对数学模型进行了验证。通过评价分析认为，应用气体钻井技术存在临界经济进尺和临界机械钻速的关系，当钻井进尺大于临界进尺、机械钻速高于临界值时有经济效益，否则就没有经济效益。     

气体钻井井斜机理与控制初探

气体钻井由于能有效地保护低压油气层，解决恶性井漏、压差卡钻，提高机械钻速而得到了广泛应用。然而气体钻井井斜机理方面的研究文献报道甚少，井斜机理还不十分清楚。为此，基于气体钻井井底岩石受力状况，从温度、地层各向异性、井径扩大、下部钻具组合等方面对气体钻井不可控因素和可控因素2方面对气体钻井井斜影响进行分析，认为新的岩石破碎机理和地层各向异性是影响气体钻井井斜的主要原因；气体钻井井径的扩大对钻头侧向力产生较大影响，是引起气体钻井井斜的又一因素；并对气体钻井井斜控制做了初步讨论，这将对气体钻井井斜控制及下部钻具组合设计具有一定指导意义。     

空气钻井技术在滴北1井的试验与应用

新疆准噶尔盆地陆东地区的深探井，由于下部石炭系地层可钻性差，机械钻速低，钻井周期长，严重制约了陆东地区的天然气勘探开发进程，如何提高钻井速度一直是陆东地区钻井工作的一个难题。在滴北1 井的钻井过程中，为提高三开井段机械钻速，加快该区的勘探步伐，在三开井段实施了空气钻井，空气钻进井段3365～3924.56m，进尺559.56m，平均机械钻速～3924.56 m，559.56 m，5.26 m/h，是常规钻井机械钻速的5倍，节约钻井工期25 d。空气钻井在该井的成功实施，提高了机械钻速，降低了钻井周期，节约了钻井成本，同时也探索了深部石炭系提速工艺，为新疆油田推广应用空气钻井技术积累了经验。     

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。     

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     

空气钻井安全钻进特性分析

空气钻井技术被钻井界认为是提高钻井速度、缩短钻井周期的一项实用性技术。与常规钻井液钻井技术相比,空气钻井在提高机械钻速、避免地层伤害、避免地层漏失方面具有明显优势,在控制地层压力、地层流体流入能力等方面存在不足。总结出了影响空气钻井安全钻进的“十大”因素,即井眼清洁、地层出水、井眼稳定、井下着火和爆炸、井斜控制、井控问题、气侵早期监测、钻具的腐蚀及冲蚀、钻具断裂和钻井液转换,并对上述因素进行了详细的分析。普光气田空气钻井实践证明了空气钻井技术的优势,但同时也暴露出一些问题。只有全面理解和掌握了空气钻井技术,才能充分发挥其优势和潜力,加快普光气田及周边区块的勘探开发步伐。     

基于油基钻井液提高钻速的原理与方法

结合通用钻速方程和油基钻井液的特点,分析了油基钻井液对钻速正反两方面的影响,指出了影响机械钻速的主要因素是地层岩石特性,其次是井型和钻井液性能.提高机械钻速的主要途径包括钻头的合理选型、钻进技术参数的合理优化,以及钻井液配方与性能优化.通过调整钻井液配方与性能,使其能够有效清洁钻头、改变井底岩石的润湿性、大幅度提高钻井液的极压润滑性;向钻井液中加入中性润湿剂改变微裂隙表面润湿性;加入抗高温的油溶性高分子增黏提切剂代替有机土、氧化沥青等胶体颗粒,以便降低微米、亚微米颗粒含量,提高剪切稀释性和携岩效率,从而提高机械钻速.     

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。     

LG地区X井快速钻井配套工艺技术

LG地区X井是中国石油天然气集团公司布置在该构造上的一口风险探井，存在井深、岩石可钻性差，参考资料较少，钻遇异常高压可能性大，井底温度高，纵向上地层压力系统多，硫化氢含量普遍较高等钻井工程风险。针对深井安全钻井的难点，开展了气体钻井、螺杆带PDC钻头、防斜钻井等综合配套技术试验研究，并提出如下建议：①在井下出现油、气、水显示，已危及钻井安全，或供气量不够、井底沉砂超过20 m，接单根困难以及有阻卡现象，应及时转换为钻井液钻井；②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，应继续在311.2 mm井段中推广应用钟摆、满眼钻具防斜技术；③加强总结，不断完善LG构造上的深井、超深井安全快速钻井配套技术。     

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。     

Rock fragmentation mechanisms and an experimental study of drilling tools during high-frequency harmonic vibration

Resonance drilling is a new technology, still at the laboratory stage. It has great potential to improve rock fragmentation efficiency. We analyzed the amplitude-frequency characteristics of steadystate mechanical vibration excited by harmonic vibration in rocks and an apparatus was built to achieve high frequency vibration of rock. The influence of rock drillability, rotary speed, excitation frequency, and other parameters on the rate of penetration (ROP) in resonance drilling was analyzed. The results show that the rock drillability decreased with an increase in excitation frequency. When drilling with a large size drill bit, the ROP increased with excitation frequency. The ROP reached a maximum value at the resonant frequency of the rock. The ROP of the bit increased linearly with rotary speed when no vibration was applied on the rock and increased approximately exponentially when harmonic vibration was applied. In addition, the resonant frequency of the rock was changing during the process of rock fragmentation, so in order to achieve the desired resonance of the rock, it is necessary to determine an appropriate harmonic vibration excitation frequency.     

塔里木盆地山前巨厚砾石层快速钻井技术

塔里木盆地山前某构造沉积巨厚砾石层,钻井液钻井存在着钻速低、钻头消耗多等问题,而采用空气钻井来提速又面临井斜控制和井眼失稳两大技术难题。为此,在大量试验研究基础上提出了空气钻井的实施技术方案。根据最小动能法判断准则,落实不同条件下的合理注气量;应用连续循环空气钻井技术避免沉砂卡钻,延长钻井进尺,提高钻井时效;基于钻具动力学特性分析,提出空气钻井动力学防斜技术,优选出"弯短节+双扶正器"防斜钻具组合;优配"二强二高一低"(强抑制、强封堵、高防塌性、高润滑性、低滤失)的聚磺-KCl转换用钻井液体系,给出钻井液转换工艺措施。通过在A井现场试验,空气钻井井段最大井斜角仅2.19°,仅用2d时间就顺利完成钻井液转换作业,同比钻井液钻井机械钻速提高3~5倍,节省钻井时间119d,取得良好应用效果,该配套技术的形成可对该区深部天然气勘探钻井提速发挥积极的推动作用。     

沙特B区块高效破岩钻井技术

沙特B区块为典型的高温高压低孔低渗砂岩储层,平均机械钻速2.25 m/h,平均钻井周期250 d。为了提高机械钻速,缩短钻井周期,进行了沙特B区块高效破岩技术研究与应用。根据建立的沙特B区块岩石可钻性剖面,以岩石可钻性为基础,不同类型钻头的现场实钻效果为依据,与钻头厂家共同研究优选出了该区块不同地层的钻头推荐方案;参照沙特B区块地层的可钻性,根据螺杆钻具和涡轮钻具工作特征参数,优选出了适用于该区块的螺杆钻具和涡轮钻具。现场应用表明,沙特B区块采用优选出的钻头推荐方案"螺杆钻具+PDC钻头"和"涡轮钻具+孕镶金刚石钻头"复合钻井方式可以实现高效破岩,使该区块平均机械钻速提高46.8%,钻井周期缩短23.3%。     

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。     

元坝区块超深井钻井提速关键技术应用

元坝超深井提速受大尺寸井眼长、致密性硬地层多、同一裸眼井段压力体系多且差异大、深层地层高温、高压、高含硫等因素制约,机械钻速提高困难,钻井周期长。为此,对空气钻、个性化PDC钻头选型及井下工具、预弯曲钻具组合、钻井液体系等方面进行优化,形成了一套元坝区块超深井提速模板。现场应用表明,元坝701井通过空气钻和个性化PDC钻头实现陆相地层提速,在须家河组地层最高机械钻速达2.02 m/h。在易斜地层使用小度数螺杆的预弯曲钻具组合,相比常规钻具组合能更好释放钻压,在防斜和提速方面达到平衡。     

钻井液中无机盐对机械钻速的影响规律研究

改善钻井液性能来提高机械钻速,是目前降低钻井成本常用的技术手段之一。通过模拟恒压钻进试验,考察了钻井液中无机盐组分与砂岩岩石的相互作用及对机械钻速的影响,结合岩屑-溶液混合物的ξ电位,初步分析了其作用机理。结果发现,AlCl_3和Al_2(SO_4)_3具有较好的提速效果,A1Cl_3的浓度为0.01 mol/L时机械钻速能提高33.7%;通过ξ电位分析得出,Al~(3+)能够使含岩屑溶液的ξ电位由负值变为0,再转为正值,ξ电位大于一10 mV时提高机械钻速的效果明显。分析其主要原因是,ξ电位接近于0时岩石表面具有较高的表面自由能,有利于岩石破碎,这对提高机械钻速、降低钻井成本具有一定的意义。