自激振荡式旋冲工具在深井超深井中的试验应用

针对深井、超深井钻井机械钻速低的问题,根据调制水力脉冲激发钻头冲击振动的原理,研制了自激振荡式旋冲钻井工具。工具性能参数测试结果显示,工具产生的压力脉动与冲击力随排量的增加而增大。在塔河油田进行了3口井的试验应用,结果表明,自激振荡式旋冲钻井工具研制思路正确可行,与钻头类型、地层岩性、钻井液密度和排量等相关钻井参数具有良好的适应性,机械钻速相对提高31.8%~80.5%。自激振荡式旋冲钻井工具具有性能稳定、操作简单、使用方便、寿命长、延缓PDC钻头磨损等特点,可推广性较强,为深井、超深井钻井提速提供了一条有效的技术途径。      

哈山3井火成岩地层钻井难点与提速对策

准噶尔盆地火成岩地层具有岩石坚硬、可钻性差、井斜问题突出等特点,严重影响了石炭系目的层的勘探开发进程。为此,在分析哈山3井火成岩地层钻进过程中的技术难点以及扭转冲击工具在火成岩中的适应性的基础上,针对SLTIT型扭转冲击工具的工作原理、主要结构及性能特点进行了深入分析,指出该工具通过将部分流体能量转换成一定频率、周向扭转的冲击扭矩,并直接传递给钻头,能够有效消除PDC钻头的卡滑现象,提高难钻地层机械钻速。该扭转冲击工具首次在哈山3井火成岩中现场试验,一次入井连续工作649 h,单趟钻进尺457.5 m,行程钻速0.7 m/h,经与相邻上部火成岩井段钻井情况对比,行程钻速提高45.8%,节约了至少11趟起下钻时间与钻头费用。SLTIT型扭转冲击工具的成功开发为今后准噶尔火成岩地层的钻井施工探索出了一种有效提速手段。     

复合冲击钻具的研制及现场试验

为了进一步提高硬地层的机械钻速,同时控制PDC钻头的黏滑振动,将扭力冲击器和旋冲钻具的特点相结合,研制了同时给PDC钻头提供高频单向轴向冲击和往复扭转冲击的复合冲击钻具。通过地面试验验证了复合冲击钻具的可行性并测试了其性能,结果表明,复合冲击钻具能实现轴向冲击和扭转冲击功能,冲击频率、冲击功和压降随排量增大而增大,随喷嘴直径增大而减小。在葡4-32井的现场试验结果表明:使用复合冲击钻具后,与邻井“螺杆+PDC钻头”复合钻井相比,机械钻速提高了60.2%;试验过程中,PDC钻头未出现黏滑振动和崩齿现象。研究结果表明,复合冲击钻具能提高硬地层机械钻速,并能控制PDC钻头的黏滑振动,起到保护PDC钻头的作用。      

旋冲振荡钻井提速工具的研制与应用

针对PDC钻头在硬质地层出现的黏滑振动问题,为改善PDC钻头受力状态,提高硬质地层的机械钻速,研制了旋冲振荡钻井提速工具。该工具以高压钻井液为驱动介质,能同时产生轴向冲击和扭转冲击。文中对工具的结构与原理进行了阐述,分析了工具内部腔体钻井液压力分布,计算得到了工具的冲击频率、冲击功等性能参数。室内实验结果表明:旋冲振荡钻井提速工具能实现轴向和扭转相耦合的冲击载荷,工具冲击频率和压降随着排量的增大而增大。现场试验结果表明:该工具能够实现提速减振效果,应用井段平均机械钻速提高了59.46%~84.33%,PDC钻头未出现崩齿现象。     

液力扭转冲击器配合液力加压器的钻井提速技术研究与现场试验

在应用PDC钻头钻进硬地层时易出现钻具粘滑振动、跳钻、钻具突然回转等问题,导致钻头崩齿、钻具扭转变形,从而影响钻井效率和钻头、钻具的使用寿命。为此,研制了液力扭转冲击器和液力加压器并组合应用,形成了液力扭转冲击器配合液力加压器的钻井提速技术。室内性能试验结果表明,液力扭转冲击器能够产生高频冲击扭矩,且随着排量的增加,冲击扭矩、冲击频率和节流压力均会增加;液力加压器可以降低钻头的剧烈振动,从而达到提高钻速、保护钻头的目的。该技术在3口井进行了现场试验,与邻井相比,机械钻速分别提高了50%,33%和68%,且单只钻头进尺显著增加。研究表明,液力扭转冲击器配合液力加压器的钻井提速技术,可以大幅度提高机械钻速,并解决定向钻井中存在的托压问题,为实现油气藏高效开发提供了一种新技术。      

复合冲击钻井工具结构设计与运动特性分析

深部复杂硬地层岩石强度高、可钻性差、抗破碎能力强,易引起PDC钻头黏滑振动及过早磨损。鉴于此,设计了一种复合冲击钻井工具。分析了该工具的轴向冲锤和周向摆锤的受力特征,建立了冲锤和摆锤的运动数学模型,研究了工具的运动特性,并通过室内试验测试其冲击性能。研究结果表明:复合冲击钻井工具的冲锤和摆锤的运动过程分为三个阶段,且在不同阶段运动均呈非线性;工具的冲击功和冲击频率均随排量增加而增大,冲击功计算值要比试验值高出25%,频率计算值比试验值高19%;轴向冲击频率高于周向冲击频率,工具结构参数满足设计要求。研究结果可为复合冲击钻井工具结构的合理设计及现场应用提供借鉴。     

新型扭转冲击钻井工具的研制与应用

针对临兴PSC区块致密砂岩胶结致密、硬度高、研磨性强及可钻性差等特点,研发了一种新型扭转冲击钻井工具;钻进过程中,利用高压流体在射流单元中的附壁和换向自然特性,造成活塞切向敲击下接头,这样给PDC钻头施加一个周期性切向冲击载荷,增加PDC钻头剪切破岩能量,提高机械钻速和减缓PDC钻头粘滑振动。现场应用结果表明:该工具平均机械钻速较邻井提高了152%,有效降低钻井成本。     

周向冲击扭矩作用下PDC钻头的黏滑振动分析

黏滑振动是PDC钻头钻井过程中一种常见的现象,它会引起钻头过早失效、钻进效率低等问题,使钻井成本升高。在钻头上部安装一套扭力冲击器,可在钻进过程中给钻头提供一个周期性的高频周向冲击载荷,减少扭矩的积蓄时间,减轻PDC钻进过程黏滑振动。通过对周向扭力冲击器作用下的PDC钻头在钻井过程中的工况分析,结合钻头钻进力学分析和岩石破碎学,建立了PDC钻头在周向往复循环冲击载荷作用下的破岩力学模型。对其数值仿真后结果表明,在一定的冲击扭矩作用下,钻进岩石内聚力为40 MPa的岩层时,卡钻时间减少了51%。这说明对钻头施加周向冲击后可以减轻黏滑振动。研究结果可为周向扭力冲击器在PDC钻头钻井作业过程中的使用提供理论支撑。     

复合冲击破岩钻井新技术提速机理研究

为了解决PDC钻头钻遇硬地层时出现的机械钻速低、钻头粘滑振动失效快等问题,提出了PDC钻头复合冲击钻井破岩新技术,并对该技术的提速机理进行了研究。根据建立的PDC钻头受单向轴向冲击及复合冲击时的扭转振动模型,对PDC钻头的运动规律进行了分析,并利用ABAQUS软件对岩石受单向轴向冲击及复合冲击时所受的剪切力进行了模拟。模拟结果表明,PDC钻头受单向轴向冲击时切削齿的切削深度会增加,但是会造成PDC钻头扭转振动;复合冲击大大提高了PDC钻头对岩石的剪切作用,降低了岩石的阻抗扭矩,从而抑制了PDC钻头受单向轴向冲击所产生的扭转振动。研究表明,PDC钻头复合冲击钻井破岩新技术能够增加切削齿的切削深度并抑制扭转振动,提高硬地层的机械钻速。      

哈山3井火成岩地层快速钻井技术

为解决准噶尔盆地火成岩地层岩石坚硬、可钻性差、井斜问题突出等技术难点,进行了火成岩地层“PDC钻头+扭转冲击工具”复合钻井技术研究。针对火成岩地层岩性特点和钻井技术难点,通过研制具有较强耐磨性的φ311.1 mm PK6245MJD型PDC钻头,与适合PDC钻头机械剪切破岩机理的SLTIT型扭转冲击工具配合形成了“高效PDC钻头+SLTIT型扭转冲击工具”复合钻井技术,并在哈山3井火成岩地层取得了较好的应用效果。现场应用发现,“φ311.1 mm PK6245MJD型PDC钻头+SLTIT型扭转冲击工具”一次入井连续工作649 h,单趟钻进尺457.50 m,平均机械钻速1.0 m/h,行程钻速0.7 m/h,与相邻上部火成岩井段相比,至少节约了11趟起下钻的时间与钻头费用;同时井斜角由入井前的4.2°（井深2 882.00 m）降至1.2°（井深3 310.00 m）,纠斜效果明显。现场应用表明,“φ311.1 mm PK6245MJD型PDC钻头+SLTIT型扭转冲击工具”复合钻井技术是实现准噶尔盆地火成岩地层优快钻井的一种有效技术手段。      

近钻头扭转冲击器破岩机理及应用

PDC钻头是超深井硬地层主要的破岩工具。由于黏滑振动引发的PDC钻头过早失效是造成超深井钻井成本增加的一个重要因素。本文针对PDC钻头的黏滑振动效应,理论分析了黏滑振动机理,建立了PDC钻头黏滑振动系统的力学模型,并用高频低幅扭转冲击器及优化钻头结构的方式来消除钻头的黏滑振动。研究结果表明:PDC钻头长度越长,能量衰减越快,扭转冲击能量传递效率越低;PDC钻头截面积越大,长度越小,高频扭转冲击器冲击系统能量传递效率越高。新疆塔里木盆地XK3井试验表明,扭转冲击工具与常规钻具相比机械钻速提高1倍以上,能够有效消除PDC钻头的黏滑振动效应,减轻钻柱扭转振荡,降低钻井成本。     

衡转矩钻井工具研制

PDC钻头在难钻地层钻进时有“憋跳钻”现象严重、钻头机械钻速低、单只钻头进尺低等问题。研制了一种衡转矩钻井工具,该工具采用弹簧+螺旋导向机构的机械传动方式,实时存储、释放钻井转矩能量; 通过对钻头的破岩能量实时优化,实现了钻井转矩波动的“消峰填谷”,平稳钻进。试验结果表明,衡转矩钻井工具设计合理、性能可靠,可满足直井和定向井工程需求,能够有效减少钻井转矩波动、提高钻头进尺及机械钻速。     

轴扭复合冲击工具的研制与应用

为提高PDC钻头破岩效率并减小钻具的粘滑振动,研制了一种轴扭复合冲击工具。该工具以自激振荡脉冲射流为能量来源,通过螺旋面结构将轴向冲击力转换为轴扭复合冲击力进行破岩,具有结构简单和轴向、扭向冲击力同步作用的特点。现场应用结果表明:与常规钻具相比,轴扭复合冲击工具的机械钻速提高了95.2%～193.8%,单只钻头进尺增加了46.4%～229.2%;与螺杆钻具相比,轴扭复合冲击工具的机械钻速提高了71.0%;与轴向冲击工具相比,轴扭复合冲击工具的机械钻速提高了66.3%,单只钻头进尺增加了194.0%;与扭向冲击工具相比,轴扭复合冲击工具的机械钻速提高了30.2%～46.8%,单只钻头进尺增加了17.2%～191.8%。研究表明,轴扭复合冲击工具可以提高破岩效率,减小硬地层的粘滑振动,破岩提速效果显著,具有推广应用价值。      

SLTIT型扭转冲击钻井提速工具

在我国钻井大提速的背景下,提出了一种集机械剪切、水力和扭转冲击3种破岩方式共同作用的复合钻井工艺新技术及装备。旋转钻井过程中,在不影响钻进的情况下,扭冲工具利用钻井液驱动内部冲击锤做反复的扭转冲击,将部分流体能量转换成一定频率、周向扭转、冲击型的井底机械破岩能量,并直接传递给钻头。5口井的现场试验结果表明,扭转冲击复合钻井技术与装备适合我国的钻井技术环境,能够有效消除PDC钻头的卡滑现象,减轻钻柱扭转振荡,能够有效保护钻头和钻具等配套部件,有效降低钻井成本。     

钻柱粘滑振动仿真和控制策略研究

在深井和超深井钻探过程中存在钻柱粘滑振动,不仅造成机械钻速降低,驱动能量浪费,而且会加速钻具的老化和失效,严重威胁钻井安全。以钻柱旋转系统为研究对象,建立转盘、BHA(Bottom-Hole Assembly)和钻头的二自由度钻柱系统扭转模型。该模型考虑了扭转刚度、粘滞阻尼和岩石钻头相互作用等高度非线性摩擦。通过MATLAB/Simulink仿真模块对该模型进行仿真试验,分析了实际钻井过程中钻柱产生的粘滑振动特性。为抑制钻柱的粘滑振动,设计1套基于PID控制策略的双闭环控制系统。该研究结论对工程实践中钻柱粘滑振动的抑制具有重要意义。