空气钻井岩屑监测装置的应用与分析

在气体钻井施工过程中,钻头钻进产生的岩屑需要通过循环介质携带到地面,通过排砂管线进入沉砂池,井底岩屑能否正常返出,直接影响到钻井施工的安全和效率。目前,常用的判断岩屑返出量有:取样口和排砂管出口的人工观察法、立压变化分析法和岩屑对排砂管的作用力监测分析法等,这几种方法对监测岩屑返出起到了一定的效果,但是在实时监测方面有一定的局限性。通过微波固体流量计对岩屑返出进行监测,通过对数据的汇总,图形比对,判断趋势以及对返出岩屑进行累计等技术手段可较早的发现和监测地层出水、掉块情况,可以为气体钻井施工期间提供有力的安全保障和预警信息。     

基于BP神经网络的气体钻井复杂工况预警技术研究与应用

文章从分析气体钻井常见9种复杂工况的参数响应关系入手,建立了基于BP神经网络的气体钻井复杂工况预警方法,开发了软件。软件依据现场集中监控系统采集到的钻井参数、入井、返出气体参数和排砂管线压力,通过人工神经网络算法成功实现井下复杂工况随钻预警,为防范作业风险提供了技术平台。     

气体钻井排砂管返出岩屑质量流量微波检测研究

将微波质量流量计应用于气体钻井排砂管岩屑质量流量检测中,设计出了岩屑质量微波检测系统,并根据微波质量流量计工作原理,以及雷达理论和多普勒效应理论,分析推导微波回波信号中多普勒频率与岩屑颗粒运动速度之间的关系,并根据工程实际在合理假设和简化测量条件的基础上,仿真出了微波回波信号。该信号为广义平稳信号,为分析推导微波信号与排砂管中岩屑质量流量之间的关系奠定了基础。     

井眼清洁监测系统在西南油气田的工程应用

目前在大斜度井、大位移水平井等钻进施工过程中,井底岩屑实际返出情况是影响钻井安全和钻井周期的直接因素。为了保障钻井安全,提升钻井时效,通过井眼清洁监测系统(BCM),可定量化监测井底岩屑返出情况,为现场第一时间提供井底清洁度和井壁稳定性数据分析,帮助井队不断提高钻井效率,为钻井施工实时预警,减少非生产时间(NPT),BCM采用在地面安装的在线岩屑称重装置,实时采集井筒返出岩屑重量,通过实时岩屑流量、岩屑返出理论体积、实际体积、环空岩屑浓度、综合录井等参数利用工程计算分析方法,实时监测井眼清洁、井壁稳定情况,优化分析钻井时效,可有效预防由沉砂或井壁失稳引起的卡钻事故的发生,并给出相应工程应用实例。该类设备已经在国外钻井市场(大位移井、水平井等)广泛应用,对于实时安全钻井,提高钻井效率以及节省钻井成本具有较高的实用价值。     

气体钻井岩屑分离系统设计

现行气体钻井返出岩屑只能依靠降尘水分离,排砂管线出口必须接到污水池,地层出气后不具备点火条件。若将排砂管线接到燃烧池进行点火,岩屑又容易堆积,影响燃烧池后续使用。迫切需要研究能有效实现分离、点火的除尘方法。文章从常规的环境处理方案中开启思路,以气体钻井返出岩屑分离的总流程分析为基础,将岩屑处理系统分为分离系统和循环水处理系统。分析并计算分离系统入口岩屑粒径和浓度,将分离系统设计为 两级：一级分离采用湿式、重力、惯性原理除去大颗粒和部分细颗粒岩屑;二级分离采用湿式原理除去较细小颗粒。通过岩屑分离系统除尘性能计算结果可知,分离出的气体能达到直接排放标准并直接排放至燃烧池。此套系统对进一步拓宽气体钻井的应用领域,为气体钻井储层钻井技术的发展奠定坚实基础。     

气体钻井地层出水监测新方法

气体钻井钻遇水层后,当钻屑和水的比例达到一定值时,钻屑就会粘附在钻具和井壁上形成泥饼环,容易引起井下复杂情况或事故.针对目前常用的几种判断地层出水的方法在刚打开水层、出水量较小时无法及时准确判断的问题,提出了在排砂管线上安装湿度传感器,通过监测环空返出气体相对湿度的变化判断地层出水的新方法.在川西多口井的成功应用表明,该方法具有反应快、操作方便等优点,能够及时准确地监测到地层出水(仅需3～4min),为气体钻井的顺利进行提供了安全保障.     

国内外水平井井眼清洁监测技术现状及发展建议

实时监测井眼清洁状况,对保证水平井安全及高效钻进至关重要。目前成熟的井眼清洁监测技术被国外公司掌控,制约了我国水平井钻井技术的发展,故加快国内井眼清洁监测技术的研究势在必行。鉴于此,在进行大量文献及资料调研的基础上,首先介绍了国内外现有井眼清洁监测技术的原理及特点,包括ECD监测摩阻、扭矩及钩载监测、返出岩屑体积监测、气体钻井监测、岩屑形状及PSD等其他监测技术;其次从模型、软件、装置及新技术4个方面对比分析了国内外井眼清洁监测技术;最后针对该技术的发展方向给出建议:对现有的岩屑运移规律模型进行修正与优化,提高模型与实际情况的符合程度与计算精度;进行井眼清洁分析软件的编制与优化,使其具有适用范围广和准确度高等特点;进行岩屑返出测量装置的研制与改进,提高返出岩屑称量与井下岩屑残余量计算的准确度;加快利用成像仪和光谱仪测量返出岩屑粒径分布及形态、利用冲击力传感器测量返出岩屑体积等新技术的研究。     

川庆钻探研制出无基坑岩屑处理系统

气体钻井提速提效众所周知,但现场作业排出的粉尘污染让人头疼,开挖的巨大沉砂基坑,耗时耗力。面对巨大挑战,川庆钻探技术人员把目光瞄准无基坑这一国际最前沿的气体钻井技术,2011年起,川庆钻探组织精兵强将,自主研发无基坑气体钻井岩屑处理系统。在研制过程中,技术人员先后攻克两级岩屑处理系统难关：一级对返出混合流体进行粗分离,二级对一级返出的混合流体进行精细分离。在无沉砂基坑的条件下,通过特殊工艺过程,将井下返出的混合流体送入处理系统,实现对返出流体的固体分离和气体清洁排放,不但解决了当前气体钻井必须依靠沉砂基坑的技术性难题,而且适用于干空气钻井、雾化钻井、氮气钻井和充气钻井等作业方式。这套系统前期在剑门105井和相储6井进行的功能型试验中取得了初步成果。2013年9月底,无基坑系统再次在杨家1井开展长井段和长时间的应用型试验。试验表明这套系统已经彻底解决气体钻井粉尘污染难题,并已初步具备工业化应用价值。     

气体钻井井口装置冲蚀规律研究及优化配置

针对气体钻井中携岩气固两相流对井口装置中多功能四通造成的严重冲蚀问题,提出在原配置基础上加装排砂四通的井口优化配置方案。在结合气-固两相流和冲蚀理论,应用耦合运算模型对原配置下多功能四通的冲蚀情况进行仿真计算,并与实际检测的冲蚀情况吻合较好的基本上,利用该模型研究两种配置在放喷工况
下所用四通受放喷量、旁通出口压力、岩屑质量流量以及岩屑粒径大小影响的最大冲蚀速率和最大流体速度变化规律。研究表明,多功能四通和排砂四通内最大冲蚀速率都随放喷量和岩屑质量流量的增大而增大,随旁通出口压力和岩屑粒径的增大而减小;而最大流体速度都随放喷量增大而增大,随出口压力的增大而递减,受岩屑质量流量和岩屑粒径的影响基本不大。而优化后的配置相比原配置能大幅降低井口装置内的最大冲蚀速率和最大流体速度,可有效降低冲蚀风险,避免冲蚀破坏,提高井口装置整体的使用安全和工作寿命。     

气体钻井随钻安全风险识别与监控

气体钻井对地质条件有较为苛刻的要求,地层失稳、产水、钻具失效以及井下燃爆等均有可能导致气体钻井失败,因此随钻井下风险识别及监测对于保障气体钻井安全具有重要意义。为此,提出将理论分析和现场案例相结合,总结气体钻井过程中井壁失稳、产水、产气、井下燃爆、钻柱失效等主要风险发生时的工况参数表征,建立风险发生与对应工况参数变化的关系模型,开发自动化分析平台对工况参数变化进行分析,以判断发生的风险类型。基于已有的地面监测技术,研发了地面—井下参数监测系统,用测量短接实时监测井下温度、压力、湿度以及钻具振动等参数,并通过中继短接传输到地面,可以更快速、准确地获知井下各项参数的变化情况。将关系模型、分析平台以及监测系统相结合,形成了气体钻井随钻安全风险辨识方法。在新疆塔里木盆地开展的现场试验结果表明,该方法能够快速反映出气体钻井各项参数的变化情况,准确判断井下发生的风险类型,可有效降低气体钻井安全风险,提高气体钻井效率。     

精确监测井底溢流的井下微流量装置设计与试验

为了能够准确判断井下复杂情况,基于节流压差原理,以稳定器结构为基础,研制了一种井下压差式环空微流量测量装置,精确测量从钻杆进入井底和环空返回流体流量的微小变化,并通过MWD将井下数据实时传输至地面上,提高了微流量装置对井底复杂情况的判断能力和监测精度,实现了对井底溢流的实时监测。根据建立的微流量测量短节的理论模型,推导出溢流时流量变化与压差的关系式,采用ANSYS有限元模拟软件进行了不同工况模拟,并与现场采集的试验数据进行了分析对比。现场试验表明,微流量测量装置运行稳定、无故障,经受住了现场多种工况的考验,实际测量灵敏度达到了0.5 L/s,对监测井底溢流、特别是气侵具有明显的优势。      

应急放喷工况井下管柱冲蚀行为研究

钻遇高产气层时,气体大量侵入井内,应急放喷施工使得井下管柱面临严重冲蚀。为分析大放喷量、高携砂率下井下管柱的冲蚀情况,开展了应急放喷工况井下管柱冲蚀行为研究。应用有限元法,利用ANSYS-Fluent数值模拟软件,针对钻杆水眼和钻杆-套管环空内的流场特性、颗粒轨迹和冲蚀行为开展了模拟分析,得到了日放喷量和日出砂量对冲蚀的影响规律。结果表明：当通过钻杆水眼放喷时,冲蚀薄弱点位于钻杆接头内壁缩径面;当通过环空放喷时,冲蚀薄弱点位于钻杆接头外壁迎风坡;从环空放喷时的冲蚀程度比从钻杆水眼放喷时更为严重。基于研究结果,建议通过钻杆水眼进行放喷,在放喷初期采用小排量放喷,待井筒内泥浆、岩屑和砂粒几乎放喷完后再增大放喷量,可有效降低管柱冲蚀。该研究成果为高压高产气井应急放喷施工方案的制订提供了依据。     

空气钻井携岩及防燃爆最小注气量计算方法

空气钻井是一种特殊的欠平衡钻井方式,当钻遇气层时,天然气就会侵入井内与空气混合,在井下高温高压的环境下极易发生燃爆。注入的空气量既要能有效地携带岩屑,又要能防止井下燃爆。针对空气钻井中确定最小注气量的难题,根据修正的Angel模型,应用最小动能法和最小速度法,建立了携带岩屑的最小注气量方程;根据气侵速度和甲烷在井下的燃爆极限,通过控制甲烷的体积浓度,得出了防止燃爆最小注气量的计算方法;通过计算机编程,对川中某气田空气钻井的最小注气量进行了计算,其结果与实际作业中的最小注气量数据非常吻合。     

随钻监测技术在气体钻井中的应用

气体钻井是近年来兴起的一种实用钻井技术,具有保护油气产层、提高钻速、缩短建井周期及处理井漏事故等优点,应用范围越来越广泛。与常规钻井液钻井相比,气体钻井是单向循环,使用气体作为循环介质来携带岩屑、清洗井眼,使得现有录井监测系统还不能满足气体钻井现场参数监测需要,易出现钻具失效、井下燃爆、地层出水及井壁坍塌等复杂钻井问题,影响气体钻井的安全性。基于井下燃爆理论和监测监控系统技术,开展了随钻监测基本原理研究,形成了UBD气体监测系统及分析技术;通过在多口井气体钻井现场服务,验证了气体监测系统及分析技术的合理性和实用性,为安全顺利实施气体钻井提供了有力的技术支持。     

气体钻井井口腐蚀(冲蚀)检测装置设计与应用

为了提前预知气体钻井工况下可能引起的腐蚀(冲蚀)危险,研制了适用于气体钻井的井口腐蚀(冲蚀)检测装置。该装置克服了现有技术的不足,安装在气体钻井排砂管线(或测试管线)上,可快速真实监测气体钻井腐蚀(冲蚀)速率,为现场实施气体钻井提供指导,降低井控风险。现场监测结果表明,用该装置测得S135腐蚀棒的平均腐蚀(冲蚀)速率为9.5 mm/a,其表面光滑,局部有细小凹坑,属于典型的高速气流携带钻屑的冲蚀行为;P110腐蚀棒平均腐蚀速率为1.58 mm/a,其表面腐蚀均匀,有细小凹坑,主要为CO2的腐蚀产物FeCO3以及地层岩屑的主要成分SiO2,此外还夹杂少许地层水中的无机盐,符合CO2冲刷腐蚀特征。建议采用抗CO2腐蚀的管材或向环空添加缓蚀剂的方法预防腐蚀。     

页岩气水平井井眼清洁评价研究

川渝地区页岩气水平井环空岩屑浓度增加和岩屑床的产生会使井眼清洁程度变差,导致卡钻等事故,需要加快井眼清洁评价方面的研究。鉴于此,根据页岩气钻井现场所用油基钻井液数据,利用切应力误差法和相关系数法优选出适用于该地区的油基钻井液流变模式——卡森模式,建立了环空岩屑颗粒启动临界流速模型和岩屑床厚度分布模型。以CNH17-2井为例,采用本模型计算分析了起下钻和倒划眼工况下岩屑床厚度的变化规律。研究结果表明,随着井斜角增加,环空岩屑床厚度先增大后减小,在井斜角10°~20°井段岩屑床厚度趋于0,在井斜角60°~70°井段岩屑床厚度出现最大值;倒划眼操作后,岩屑床厚度可减小50%以上。优化井眼轨迹、适当进行倒划眼操作能有效提高井眼清洁程度,降低沉砂卡钻等风险。     

小尺寸变径稳定器在小井眼定向井中的应用

小井眼由于其井眼间隙小,井下容易发生阻、卡,为了防止阻、卡的发生,减少井下事故,研究了?165.1mm液力变径稳定器。对液力变径稳定器的工作原理、特点进行了论述,对防阻、卡的原理进行了分析,通过现场试验,得出液力变径稳定器耐磨损,寿命长;并可根据实际需要调整钻具组合,减少更换底部钻具组合的次数。     

气体钻井中气体携岩对钻杆的冲蚀机理研究

气体钻井中气体携岩冲蚀钻杆是引起钻杆快速失效的主要原因之一。基于此,文中采用计算流体动力学(CFD)方法建立了圆形规则井眼、钻杆居中情况下的高速气体携岩冲蚀钻杆的两相流模型。通过对环空气体流场、钻杆表面冲蚀速度和岩屑颗粒对钻杆的冲蚀过程及其运动轨迹的分析后发现,与钻杆接头斜坡碰撞的岩屑颗粒对钻杆有冲蚀作用,最大冲蚀速度发生在钻杆接头斜坡面上,其次在公接头以上0.2～1.8m长度范围内的钻杆本体表面上。这些区域可能形成严重的冲蚀坑,也可能出现微裂纹,在受到钻井过程中的弯、扭、拉等动载荷联合作用下可能发生裂纹扩展、失效现象。     

双壁钻杆反循环空气钻井循环参数的分析与计算

介绍了双壁钻杆反循环空气钻井的优越性,根据双壁钻杆的内管直径,从理论上分析了反循环钻井满足携带岩屑需要的最低注气量,又根据双壁钻杆的结构和空气介质反循环钻井的流程分析计算了一定注气量与注气压力之间的关系,从而能根据注气设备的额定工作压力确定反循环钻井能钻达的井深。