水力脉冲轴向振荡减摩钻井技术分析

水力脉冲轴向振荡减阻钻井技术可降低滑动钻进摩阻,改善钻压传递和工具面的控制,提高机械钻速。介绍了水力脉冲轴向振荡减阻钻井技术的减阻原理、水力脉冲轴向振荡减阻工具的结构原理。对轴向振荡减阻钻井工具进行了量化分析。现场实际应用及量化分析表明,在钻柱中加入轴向振荡减阻工具,减少了托压现象及摆工具面的时间,工具面更稳定,对常规PDC钻头具有良好的适应性,可改善钻压传递效果。该工具对MWD、LWD信号传输不会产生干扰。     

水力振荡器的研制及现场试验

应用水力振荡器可有效降低滑动钻进钻具组合与井壁间的摩擦力并有效改善钻压传递,减小井下扭转,减轻横向振动并提高机械钻速,延长PDC钻头的使用寿命。为此,开展了水力振荡器的研制工作。介绍了水力脉冲轴向振荡减阻钻井技术的减阻原理,对水力振荡器的主要结构进行了技术分析。胜利油田3口井的试验结果表明,工具原理正确,结构可靠,压力损耗4.5MPa左右,工作寿命超过100 h,可提高机械钻速20%以上;同时还可改善定向钻进工具面的控制,有效提高定向能力。水力振荡器对常规PDC钻头及牙轮钻头具有良好的适应性。     

大位移井减阻工具性能试验与数值模拟

为解决大位移井、长水平井等在钻进过程中摩阻大、托压等问题,设计了新型大位移井减阻工具。该工具利用水力脉冲压力波动,使钻柱产生轴向振动,有效减小钻柱与井壁间的摩阻,改善钻压传递,延伸定向井、大位移井、水平井等井眼长度。通过工具性能试验和数值模拟相结合的方法,验证了减阻工具设计的可行性和振动的稳定性。分析了叶轮的叶片数、承压板的通孔面积、钻井液排量等参数对减阻工具脉动压力频率和幅值、压降、轴向振动位移等的影响规律。研究结果可为大位移井降摩减阻技术研究、减阻工具参数优选等提供参考。     

基于滑移网格技术的振荡器脉冲压力数值模拟

针对现有水力振荡器的阀盘接触压力高、零件冲蚀及磨损严重、自身压耗偏大,且螺杆马达工作寿命短的问题,研制了一种采用涡轮马达作为动力系统的水力振荡器。该水力振荡器通过涡轮马达将钻井液的动能转化为机械能并驱动阀系产生周期性变化的脉冲压力,该脉冲压力作用在振荡短节使工具产生周期性高频轴向往复蠕动,改变钻柱与井壁间的摩擦状态,减小摩阻、提高机械钻速和钻压传递效率。采用理论计算及滑移网格技术进行CFD仿真的方式,重点研究了阀芯的运动规律及脉冲单元压降随阀芯转角的变化关系。结果表明:阀系开口的连通和关闭改变了流场结构,使得阀系脉冲压力发生周期性变化;采用滑移网格技术可真实地模拟阀系流场结构变化所导致的压力场和速度场的变化情况,提高了水力振荡器的研制效率,并为其优化设计提供了技术支持。滑移网格技术能够满足水力振荡器理论设计的要求,并可弥补试验研究的高成本、长周期等缺陷。     

水力脉冲振荡工具设计

水力脉冲振荡工具在石油钻井中的应用越来越广泛,逐渐成为钻井提速的关键技术之一。对水力脉 冲振荡工具的常见结构、工作原理及破岩机理进行了研究,结果表明,水力脉冲振荡工具能够将水击作用产生的压 力脉冲转化为作用于井底岩石的交变动静载荷,改变岩石的应力状态,利于岩石的破碎和井底岩屑的清理,提高钻 井破岩效率。Ｓ１１－１Ｘ井实际应用效果表明,使用水力脉冲振荡工具比常规钻井方式平均机械钻速提高３８．４％。     

水力振荡器性能影响因素研究

水力振荡器通过产生轴向振动带动钻具产生轴向蠕动,可在一定程度解决滑动钻进过程中的托压问题。为了探讨水力振荡器性能的影响因素,建立了带有水力振荡器的钻柱轴向能量传递数学模型,通过数值模拟分析了水力振荡器的激振力、振动频率及安放位置对减阻效果的影响。分析结果表明:水力振荡器的激振力对减阻效果的表现十分显著,并且水力振荡器的激振力越大,减阻效果越明显,因而在条件允许的情况下,尽可能地选取激振力较大的水力振荡器配合钻进;在同一条件下,水力振荡器的安放位置对钻压的变化较为显著,减阻效果也有差异。所得结论可为合理选择水力振荡器提供参考。     

连续管钻井双向振动减阻工具设计与试验研究

连续管钻井技术面临的技术难题是摩擦阻力大和钻压传递困难,甚至在注入头施加压力和管壁摩擦阻力的影响下易发生屈曲和卡死现象。为此,在分析现有振动减阻工具优缺点的基础上,研制了涡轮式连续管钻井双向振动减阻工具。该工具利用偏心环旋转引起径向振动和水锤效应使轴向振动实现工具的双向振动,并且可以通过改变偏心质量改变工具的激振力。室内试验结果表明:该工具结构合理,工作稳定可靠,在工作排量下激振力为1 000 N,径向和轴向振动频率分别为11.3和22.6 Hz,压降约为2 MPa。该工具的研制成功可解决连续管钻井中摩阻大和压力传递困难等问题。     

柱阀结构参数对涡轮式压力脉冲发生器性能的影响

针对现有水力脉冲振荡工具的动力系统及脉冲发生装置所存在的问题,提出了一种基于柱阀系统的涡轮式压力脉冲发生器,重点研究了柱阀结构参数对压力波形和波幅的影响。以阀芯柱面开口扇形角、阀座周向过流槽的轴向长度、固定节流孔数量与直径等参数为变量,并最终统一为柱阀的固定过流面积和周向过流面积,应用仿真软件Fluent模拟研究了不同结构参数对压力波形和波幅的影响规律。研究结果显示,柱阀的结构参数对脉冲发生器的性能影响非常显著:当钻井液流量一定时,固定节流总过流面积主要影响脉冲压力的最大值,不会改变脉冲压力高压区的宽度;可变的周向过流面积主要影响脉冲压力高压区的宽度,不会改变脉冲压力幅值。该研究结果对不同工况所要求的压力波形波幅的设计及井下脉冲振荡工具的优化设计具有参考价值。      

水力振荡减阻钻进技术发展现状与展望

随着水平井和大斜度井在油气开采中的广泛应用,钻进过程中钻柱与井壁之间摩阻较大时常产生托压现象,导致无法有效施加钻压,影响机械钻速,甚至诱发黏吸卡钻等井下事故。水力振荡减阻技术采用水力振荡器在钻具轴向产生一定频率和振幅的振动,将静摩擦力转变为动摩擦力,以减少钻具与井壁之间的摩阻,具有良好的发展前景。从振动减阻的原理、国内外水力振荡器典型结构、关键技术等方面系统分析了国内外水力振荡器的研究现状,指出现有水力振荡器存在的问题,提出应发展涡轮动力水力振荡器的建议,可为该技术的发展和提高提供参考依据。     

页岩气水平井用轴向振动减阻工具研究

随着非常规资源的广泛开发,水平井、定向井、大位移井、多分支井的数量越来越多,通常这些井的位垂比较大,轴向钻压向下传递存在困难,有时将出现过大的摩阻和钻柱屈曲,甚至会导致钻柱发生自锁,使得泥浆电机滑动钻进、钻柱与完井管柱的下入、钻进期间为钻头传递钻压都将变得异常困难。轴向振动减阻工具可以实现钻柱及井下工具连续的轴向振动,打破静态摩擦并消除扭转振动,解决拖压问题、实现有效的钻压传递、减少滑动钻进期间的钻具拖压和电机制动现象、提高对工具面的控制能力,增加钻速和钻头寿命。该技术工具不仅适合于水平井、定向井、大位移井、多分支井和套管开窗侧钻井,而且同样适用于深直井和超深直井、旋转钻进和旋转导向、连续管作业等,讨论了轴向振动减阻工具的原理结构和应用效果,并对其良好使用提供了建议。     

NPJ-1型高效破岩脉冲射流轴向冲击器研制

冲击器是提高深井机械钻速的主要井下工具。针对冲击器核心部件易损坏,寿命短,提速效果不明显等问题,设计了NPJ-1型高效脉冲射流轴向冲击器。该工具通过水力调节机构使钻头在旋转的同时产生纵向振动,可显著改善钻头与井底附近岩石的受力状况,有效提高机械钻速。通过数值模拟分析,室内强度试验、原理试验,该脉冲射流轴向冲击器工作原理正确,结构简单、可靠,明显提高了钻井速度,且使用寿命长。     

水平钻井振动减阻器参数优化设计

水平井是开发各类非常规油气资源的主流井型技术,现场实践表明,在钻柱上安装振动减阻器可大幅度降低管柱摩阻,有效缓解钻进过程中的频繁托压问题,有助于提高机械钻速。但是,目前针对减阻工具的优选和使用仍然是基于现场的经验,缺乏有效的理论方法指导。为此,首先建立了带振动减阻工具的钻柱动力学模型,揭示了不同振动减阻参数下的减阻规律。然后以提高减阻效率为目标,结合振动传播距离模型与反扭矩作用距离模型,并考虑钻柱疲劳失效以及水力能量损失等约束条件,建立了振动减阻工具激励参数与安装参数的优化设计方法。研究结果表明：(1)减阻器激励力幅值、减阻器的数量和安装间距是影响减阻效率的主要因素;(2)随着减阻器激励力幅值增大和安装数量增多,减阻效率不断提高,多个减阻器振动传播范围相互独立时其减阻效率高于交叉重叠情形;(3)当减阻器激励力幅值过大时,存在管柱疲劳失效的风险,当减阻器数量过多时,存在水力能量损耗过高的风险。结论认为,利用该方法优化减阻器后,减阻效率可由原来的10.2%提高至40.1%,该方法可以有效指导减阻工具激励参数与安装参数优化,有助于支撑长水平井滑动钻进降低管柱摩阻,显著提高钻机机械钻速。     

连续管钻井减阻技术发展

连续管钻井技术在油气开发领域的应用越来越广泛,尤其在水平井、大位移井、多分支井、老井加深和侧钻等技术领域更具有其独特的优势。连续管因其刚度小、不旋转等原因,导致摩擦阻力大,压力传递困难、易屈曲,严重限制了连续管的应用。针对连续管钻井减阻技术,阐述了振荡减阻器、润滑剂和牵引器减阻原理。介绍了几种先进减阻工具的结构、原理和应用情况。提出了我国连续管减阻技术的研究方向。     

水力振荡器性能参数与减阻率影响规律研究

为更科学地优化水力振荡器的参数设计及施工参数设置,建立了水平段钻柱振动模型并进行了数值模拟,采用Minitab软件对数值模拟结果进行了分析,研制水力振荡减阻试验装置并开展了振荡减阻机理试验,通过方差分析了钻压、振动幅值及频率对减阻率的影响规律。分析结果表明：各因素对摩阻的影响程度由大到小依次为振动幅值>钻压>振动频率,其中钻压对减阻率的影响表现为消极,振动幅值和频率对减阻率的影响表现为积极,同时钻压、振动幅值、频率3个因素对减阻率变化的贡献率分别为11.76%、51.98%及10.97%,振动幅值是水力振荡器设计中需要优先考虑的因素。研究结论可为水力振荡器的参数设计及现场应用中施工参数的设置提供理论支撑。     

水力脉冲诱发井下振动钻井技术

在分析现有水力脉冲钻井技术和冲击振动钻井技术现状的基础上，结合当前钻井工程实际，综合水力脉冲和冲击振动钻井两类技术的优势，发展了水力脉冲诱发井下振动钻井技术，即利用水力脉冲直接诱发钻头机械振动，改善钻头与井底附近岩石的受力状况，从而有效提高钻井速度。现场试验表明，该技术具有效果显著、易于实现、工具结构简单、对钻头和地层的适应性强且不影响钻具组合等特点，具有很好的现场应用前景。     

水力振荡器数值计算研究

目前尚未开展水力振荡器在改变特定参数和参数间在某种最优配合条件下能否得以优化的研究,制约了该工具的进一步完善。针对该问题,利用SolidWorks软件对水力振荡器的各部分结构进行三维建模,在ICEM CFD中进行网格划分,将网格导入ANSYS CFX进行数值计算与分析。研究结果表明:当流体通过水力振荡器时,旋转部件的运动使得流体动能增加,在流动过程中流体的动能重新转换为压能,使得该工具沿轴向正方向产生持续轴向力推动钻头做功;动静干涉作用和交界面速度变化所造成的流体震荡使得静止域产生剧烈的轴向和径向周期振动;大流量工况下轴向推力均值更大,轴向和径向振动也更为剧烈;在持续轴向推力和大幅度轴向振动推动下,该工具对钻柱施加周期性轴向振动和钻压并稳定推进。研究成果可为提高水力振荡器优化设计与敏感性分析水平提供相应的理论支撑。     

水力振荡器激励力形式对减阻效率的影响分析

现有研究对水力振荡器的激励力形式研究较少。考虑摩擦力的非线性效应，引入初始条件、边界条件和连续性条件，建立了带水力振荡器的钻柱动力学模型，利用有限差分法进行求解。以减阻效率作为目标函数，考虑钻柱失效和水力损失等约束，对减阻因素进行参数优化。研究结果表明：振幅和频率的增加均可有效降低摩擦力，提高减阻效率；在激励能量相同的条件下，大振幅和高频率下的激励力形式，即脉冲式激励力，更有利于提高减阻效率，3种因素的影响排序为激励力形式>振幅>频率。建议采用激励力形式2,即振幅45 kN,频率22.5 Hz。研究结果可为带水力振荡器钻柱的安全控制和优化设计提供一定的指导。     

水力冲击工具优化及井下试验

现有水力冲击技术存在配套工具适应井况有限、性能不稳定和技术机理未进行试验验证等问题,为此,基于海上油田储层及工程特点,进行了水力冲击工具优化及井下试验。通过优化水力冲击工具尺寸、工具材质及抗压强度和改进冲击片关键部件等,形成了适合于海上油田的水力冲击工具。该工具在储层条件接近海上油田储层的长庆油田3口低产低效井进行了井下试验,共采集了6～20个脉冲波形,持续20～60 s,主要技术机理为水力脉冲作用;工具性能稳定,冲击片破裂压力精度高;该技术可显著增强注水井的增注效果,试验井注入能力大幅提升。水力冲击工具优化后,为其在海上油田大尺寸井筒条件下的应用提供了依据。     

水力脉冲提速工具作业性能分析

水力脉冲提速工具用于油气田钻井作业,可显著提高钻井效率。利用流体分析软件,建立了水力脉冲提速工具内部三维动态流场分析模型。通过对内部部件导流面角度、叶轮齿数、振荡腔长度等多组数据对比分析,得出了影响出口压力、叶轮转速、脉冲频率因素的理论数据,确定了不同因素改变引起的水力脉冲提速工具性能的变化规律。为此类工具参数优化设计提供理论基础。     

水力脉冲式钻井工具的研制与应用

水力脉冲式钻井是利用特定的工具使钻井管柱中的连续流转变为脉冲射流,从而改变井底流场的压力状况,进而提高机械钻速的一种钻井新工艺。在分析水力脉冲产生机理的基础上,探讨了基于瞬变流理论的机械阻断式水力脉冲破岩机理,介绍了SLPMC机械阻断式水力脉冲工具的工作原理及结构特点,简单叙述了该工具在胜利油田进行的2口井的现场试验情况。该钻井工具对于提高机械钻速和降低钻井成本具有一定的积极意义。