气体钻井钻具失效研究的试验设计

针对现有气体钻井钻具冲蚀试验装置只能单一模拟气体钻井过程中岩屑对钻具冲蚀磨损的情况,研制了用于模拟气体钻井钻具失效研究的多功能试验装置,给出了气体钻井钻具失效研究的试验方法。多功能试验装置能够在模拟钻具冲蚀磨损的同时,模拟钻具受横向、纵向和扭矩振动等复杂的受力工况下的疲劳断裂试验。装置采用无线遥测动态应变测试分析系统进行试验测试,还可实现远程自动控制,整套装置结构简单紧凑,并且管道封闭,运行噪声小,功能多样,为气体钻井过程中所遇到的钻具失效的相关问题提供了更为全面的研究平台。     

粒子冲击钻井钻具冲蚀磨损研究

粒子冲击钻井技术是一种用于解决石油天然气深井硬地层钻井钻速慢和成本高的问题。该技术利用钻井液的水力能量携带的圆形钢粒以极高的速度冲击破碎岩石,钻井液所携带的钢粒会对钻具产生冲蚀磨损,尤其是在管径变化和管道弯曲处,钢粒对管壁的冲蚀磨损会导致钻具安全性降低,保障粒子冲击钻井安全作业是粒子冲击钻井技术研究的重要内容。为此,分析了影响钻具冲蚀磨损的因素,结合粒子钻井现场实际,研制出一种用于地面模拟粒子冲击钻井中钻具冲蚀磨损的实验装置,根据粒子冲击钻井实验提出,对较易磨损的弯接头、冲 管、滤芯三通、鹅颈管等部件要进行镀镍防磨、耐磨处理。以确保粒子冲击钻井的安全。     

基于气体钻井工艺参数的钻具冲蚀模型

针对气体钻井中钻具冲蚀磨损严重而造成钻具过早降级和报废的问题,基于微切削理论,建立了钻井环空中钻具的冲蚀模型,并依据该模型推导出了气体钻井中钻具冲蚀强度的数学模型,该数学模型把气体钻井中钻具的冲蚀强度同井下状态参数、钻具材料、井身结构,以及注气量、机械钻速等钻井工艺参数联系起来。通过钻具冲蚀模拟实验确定了数学模型中的常数,并对数学模型进行了修正,为气体钻井作业中合理选择钻井工艺参数和预测钻具的冲蚀磨损提供了依据。利用该数学模型分析表明,气体钻井中的注气量应以保持排屑顺畅即可,过分加大注气量,不仅会造成能源浪费,而且会加剧钻具的冲蚀磨损,导致钻具过早降级或报废。     

气体钻井中钻柱失效试验研究

为了研究气体钻井中钻柱在冲蚀和振动工况下的力学性能,通过使用新研制的能模拟气体钻井钻柱同时受到振动及冲蚀情况的试验装置,进行了不同钻具组合情况下钻柱力学性能试验和钻柱冲蚀试验。试验结果表明,气体钻井过程中,钻柱所受交变应力波在由底部钻柱向上传播时有一定的衰减,但衰减程度不大,所以下段钻柱的应力值对上段钻柱的受力有较大影响;钻柱绕井简反转将增大钻柱所受的交变应力,且转速越高交变应力变化越大,从而加深钻柱损伤程度;钻柱冲蚀量随着注气量的增大而增大,但其增大是非线性的。     

平椭圆弯管冲蚀磨损数值模拟

为了研究天然气运输过程中含砂气体对弯管的冲蚀磨损特性并提高弯管的耐磨性,在充分分析圆管流体冲蚀特性的基础上提出了平椭圆管道。利用气固两相流冲蚀方程对平椭圆管道弯头进行冲蚀磨损分析,研究了不同长宽比的平椭圆管道的冲蚀速率和冲蚀区域形状,从中优选出合适的长宽比,并分析了不同质量流量、不同粒子直径及不同气体流速等工况下粒子对管道冲蚀的影响。分析结果表明:相比于普通圆管,平椭圆管能明显降低最大冲蚀速率,随着平椭圆管长宽比的增大,最大冲蚀速率逐渐下降;当长宽比达到1.4后,最大冲蚀速率下降的速度明显降低,因此认为平椭圆管最适宜的长宽比为1.4,此时最大冲蚀速率下降了21.9%;当粒子直径增大时,平椭圆管弯头处的最大冲蚀速率先升高、后降低、再升高,冲蚀区域基本保持不变。所得结论可为平椭圆弯管抗冲蚀措施的制定提供参考。     

普光气田气体钻井钻具失效原因分析及预防措施

气体钻井技术虽然大幅度提高了普光气田上部陆相地层钻井速度，但屡次出现钻具失效事故，不仅影响钻井速度，而且威胁井下安全。分析了钻具失效规律，并通过宏观分析判断钻杆为疲劳和腐蚀疲劳断裂，钻铤为疲劳断裂。从气体钻井自身因素、钻柱运动（包括公转和纵向共振）、钻具腐蚀、钻井方式、钻铤弯曲强度比不足等方面分析钻具失效原因，提出使用空气锤钻井技术、加强钻具探伤、优化钻具组合和钻井参数、缓解钻具腐蚀、加强钻柱振动监测等预防措施。指出应加强气体钻井钻具失效的微观机理、钻柱运动与动力学、岩屑对钻具的冲蚀磨损、钻具腐蚀、消除钻柱公转等方面的研究以预防钻具失效。     

普光气田气体钻井钻具失效原因分析及预防措施

气体钻井技术虽然大幅度提高了普光气田上部陆相地层钻井速度，但屡次出现钻具失效事故，不仅影响钻井速度，而且威胁井下安全。分析了钻具失效规律，并通过宏观分析判断钻杆为疲劳和腐蚀疲劳断裂，钻铤为疲劳断裂。从气体钻井自身因素、钻柱运动（包括公转和纵向共振）、钻具腐蚀、钻井方式、钻铤弯曲强度比不足等方面分析钻具失效原因，提出使用空气锤钻井技术、加强钻具探伤、优化钻具组合和钻井参数、缓解钻具腐蚀、加强钻柱振动监测等预防措施。指出应加强气体钻井钻具失效的微观机理、钻柱运动与动力学、岩屑对钻具的冲蚀磨损、钻具腐蚀、消除钻柱公转等方面的研究以预防钻具失效。     

气体钻井的岩屑特征及粒度分布测试

气体钻井因其独特的钻井工艺和优势，正在成为我国油气田勘探开发的主导技术之一。现场调研表明：与常规钻井液钻井相比，气体钻井中钻具的冲蚀磨损和断裂尤其突出，造成钻具过早降级和报废，钻井事故井数占总井数的77.8%。钻具的冲蚀磨损除与钻井工艺参数有关，还与岩屑的基本属性如粒径大小及其分布、形状、硬度等密切相关。采用筛分法对气体钻井的岩屑粒径分布进行了测定，得到了岩屑粒径分布的直方图，通过计算得到普光103-4井的岩屑平均粒径为1.05 mm，大邑3井的岩屑平均粒径为0.26 mm。岩屑的形状与钻井参数有关，空气锤破碎岩石的岩屑形状呈不规则片状，牙轮钻头破碎岩石的岩屑形状呈纺锤形。     

气体钻井钻柱失效因素分析与对策研究

文章通过对2005～2021年期间川庆气体钻井所发生的76次断钻具事故的统计分析,认为气体钻井中钻具失效的主要原因在于钻具疲劳、钻具振动、化学腐蚀以及高速冲蚀破坏等几个方面。其中,采用空气锤钻进时,在冲击力作用下钻具的瞬时中和点上移,疲劳点不一定集中于近钻头的Ø228.6mm钻铤;高频段的钻具振动对钻具产生的破坏影响较小,而低频段的钻具振动会引发低阶钻柱共振,进而引起钻具振动失效;在地层产水条件下实施气体钻井时,钻具易发生溶解氧腐蚀和二氧化碳弱酸性腐蚀,造成钻具的点蚀破坏;井底岩屑伴随高速气体呈间歇性的高速撞击钻柱形成冲蚀破坏,是造成钻具磨损失效的主因。基于上述原因分析,从优化钻具组合、完善雾化基液缓蚀工艺和气体注入参数等方面提出了具体的对策,为减少后期气体钻井过程中钻具失效机率做参考。     

粒子冲击钻井中管汇冲蚀磨损模拟分析

为了对粒子冲击钻井中管汇冲蚀磨损进行模拟分析,建立了弯管、冲管、鹅颈管、钻杆接头、钻头喷嘴等管汇系统的数学模型和物理模型。选用有限体积法进行离散,将网格模型导入FLUENT软件中进行数值模拟,对不同影响因素下的结果进行分析。通过模拟结果,分析了90°弯管、冲管、鹅颈管、钻杆接头、钻头喷嘴等管汇部件在不同排量、粒径、粒子浓度下的冲蚀磨损情况;对比分析了排量、粒子直径、粒子浓度3个不同变量对管汇系统不同部件冲蚀磨损。分析得到的规律有助于对磨损情况进行精确预测,确定管路安全使用的标准,从而确保钻井安全。     

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。     

用于全过程欠平衡钻井施工的井下封井器

针对常规的欠平衡钻井工艺不能解决起下钻、完井等作业过程中井底欠平衡压差的连续保持,无法实施全过程的欠平衡作业问题,研制了可用于全过程欠平衡钻井作业的井下控制工具——井下封井器。室内试验与现场应用情况表明(1)采用井下封井器实现了全过程的欠平衡钻井,显著提高了欠平衡钻井工艺水平和作业水平,起下钻过程中不需预先加入重钻井液,因此可有效地保护和发现油气层;(2)井下封井器与使用不压井强行起下钻设备相比,大大减少钻井作业时间,其适应性和使用性能更好,完全可以取代不压井强行起下钻设备。     

深水钻井液中水合物抑制剂的优化

深水钻井遇到的重大潜在危险因素之一是浅层气所引起的气体水合物问题。气体水合物稳定存在于低温、高压条件下,如果在深水钻井管线中生成,会造成气管、导管、隔水管和海底防喷器等的严重堵塞,且不易解除,从而危及工程人员和钻井平台的安全。利用新研制的天然气水合物抑制性评价模拟实验装置,初步探索了搅拌条件、膨润土含量及钻井液添加剂对气体水合物生成的影响规律。研究表明,搅拌和膨润土的存在可以促进水合物的生成,而多数钻井液添加剂则对水合物的生成有一定抑制作用。研究了常用水合物抑制剂作用效果,实验表明,动力学抑制剂不能完全抑制水合物的生成,其最佳加量为1.5%;热力学抑制剂虽能最终抑制水合物的生成,但加量较大,NaCl抑制效果好于乙二醇;动力学与热力学抑制剂复配具有很好的协同作用。在实验基础上优选了适合于3 000 m水深的深水钻井液用水合物抑制剂配方。     

气体钻井用防回火阀的研制

气体钻井用防回火阀是在气体钻井中井下着火情况下阻止空气继续注入的一种钻杆阀。为了防止井下着火给钻井作业带来巨大损失,研制了气体钻井用防回火阀。介绍了这种工具的结构、工作原理、制作材料的选择和室内试验情况。试验结果表明,该工具设计合理,动作灵活可靠,试验值与设计指标相符,满足现场使用要求。气体钻井用防回火阀可增强气体钻井作业的安全性,具有广阔的推广应用前景。     

氮气欠平衡钻井技术在定向深探井中的应用

川西3000 m以深井段普遍存在机械钻速慢、储层保护技术单一等问题,常规欠平衡钻井均不能很好地解决以上问题。为了更好地保护和发现油气藏,提高深井勘探成功率,西南分公司引进了氮气钻井技术,通过大量地质工程论证,在DY1井四开4652.26~4775.56 m产层段进行了氮气欠平衡钻井技术应用试验。试验表明,在深井段采用氮气钻井技术可大幅度提高钻井速度,该层段平均机械钻速达8.36 m/h,与邻井相比提高8~9倍,在提高钻速的同时还直观有效地发现了一个裂缝性气层。该技术在深探井中的成功应用加快了气体钻井技术向深层推广的步伐,对同类地区的钻井具有较高借鉴意义。     

气体钻井钻杆冲蚀规律研究

针对气体钻井岩屑造成钻柱严重冲蚀的问题,基于气 固两相流和冲蚀理论,建立了环空岩屑运移模型。在Eulerian坐标系下求解气体连续相流场,在Lagrangian坐标系下对离散相岩屑粒子进行了碰撞求解,采用Grant和Tabakoff公式求解岩屑粒子冲蚀速率,借助实验数据验证了仿真模型。利用该模型研究了气体钻井中钻杆居中以及不同钻杆偏心率、井径扩大率、注气量和机械钻速下环空岩屑粒子运移规律和钻杆冲蚀特性。研究表明,岩屑对钻杆接头及下坡面本体的冲蚀比钻杆本体及接头上坡面严重;钻杆偏心和井径扩大都使局部冲蚀速率峰值增大,且偏心越严重,井径扩大越大,局部冲蚀速率峰值增速越大;机械钻速增大,导致钻杆局部冲蚀速率峰值近乎线性增加;在工程常用注气量范围内,注气量对冲蚀速率峰值和冲蚀速率平均值的影响很小。根据冲蚀规律提出如下建议：减小钻杆斜坡坡度可减少钻杆接头及下坡面的局部冲蚀;采用低转速的空气锤钻井工艺可减缓因偏心引起的局部冲蚀;井眼扩大较大时,增大注气量,通过改变岩屑粒子轨迹,可减少岩屑对钻杆本体的多次冲蚀。     

气体钻井用岩屑-气样采集装置

在空气钻井中,钻头破碎的岩屑和地层气体随循环介质通过排放管线一同被排放到指定区域,在出口之前整个循环通道是封闭的,不能采用像钻井液钻井的方法采集岩屑和气样。为此,研制开发了适用于空气、雾化、泡沫欠平衡钻井的岩屑-气样采集装置,该装置由主体、气样采集装置和岩屑采集装置等3部分组成。当来自井内的介质流过主体管时,气样采集装置会阻挡住一部分气体岩屑混合物迫使气体沿上方流动来采集气样;岩屑采集装置会阻挡住一部分气体岩屑混合物迫使岩屑沿下方流动来采集岩屑。2003年该装置在玉门油田窿九井获得成功应用。