Managed Pressure Drilling to Increase Rate of Penetration and Reduce Formation Damage

One of the advantages of managed pressure drilling (MPD) is an increase in drilling speed and a reduction of mud filtrate invasion as a result of decreasing pressure differential. Reduction of overbalanced pressure (OBP) leads to a decrease of confining pressure around the formation rock and consequently the rock is broken more easily under the bit action and therefore the rate of penetration (ROP) increases. It is also obvious that decreasing the overbalanced pressure results a reduction in mud filtrate invasion and formation damage. In the present article the effect of MPD on increasing rate of penetration and decreasing mud filtrate invasion is studied. Artificial neural networks (ANN) were implemented to develop a model for estimation of ROP by using operational inputs including overbalanced pressure. Using the ANN model, the effect of OBP was analyzed. The effect of OBP on mud filtrate invasion was studied by using developed models of the process and simple Darcy’s law. The results demonstrated that MPD leads to about 30% increase in rate of penetration and 50% decrease in mud filtrate invasion.     

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。      

可更换钻头套管钻井工具及工艺研究

采用常规钻机、利用转盘驱动的简易套管钻井技术由于受钻头寿命的限制，只能用于一只钻头钻至设计井深的情况，为此，研制开发了转盘驱动的可更换钻头套管钻井系统。该系统由起下工具、井下锁定工具串及坐底套管3部分组成。进行套管钻进时，井下锁定工具串锁定在坐底套管上，需更换钻头或井下锁定工具串时，往套管内部下入起下工具并解锁锁定装置，起出井下锁定工具串，更换完毕后，再将井下锁定工具串从套管内送入井底，锁定在套管柱末端的坐底套管上，起下过程中可保持钻井液的循环和钻柱的转动。该系统在吉林油田2口井上进行了试验，井下锁定工具串的下入成功率达到100％，并实现了套管正常钻进，但由于打捞矛无法进入到井下锁定工具串的打捞孔中，致使2口井都没有正常起出井下锁定工具串。详细介绍了可更换钻头套管钻井系统的组成、原理、施工工艺及现场试验情况。     

Relationship between Formation Water Rate, Equivalent Penetration Rate and Volume Flow Rate of Air in Air Drilling

Formation water invasion is the most troublesome problem associated with air drilling. However, it is not economical to apply mist drilling when only a small amount of water flows into wellbore from formation during air drilling. Formation water could be circulated out of the wellbore through increasing the gas injection rate. In this paper,the Angel model was modified by introducing Nikurade friction factor for the flow in coarse open holes and translating formation water rate into equivalent penetration rate. Thus the distribution of annular pressure and the relationship between minimum air injection rate and formation water rate were obtained. Real data verification indicated that the modified model is more accurate than the Angel model and can provide useful information for air drilling.     

应用改良钻头和改进的钻井液优化深井钻探

在工业和能源部联合指导下,进行了一项等比例室内实验.总共有7种钻头和12种不同的钻井液在3种不同的岩石和各种钻井参数下进行了测试.第一阶段结果已发表在先前的文章中(Judzis 等人,2007年),本文介绍第二阶段的研究结果.第二阶段研究的目的是评估钻头特征和泥浆添加荆是否能在高压条件下提高机械钻速.第二阶段的重要发现包括:①高压条件下,泥浆添加剂在提高机械钻速方面实际上可能比钻头的设计特征扮演更重要的角色.②16 lb/gal的甲酸铯钻井液与16 lb/gal的油基钻井液相比,前者可以在大理石和页岩中增加1倍的机械钻速.用甲酸铯钻井液时既提高了钻头的效率又增加了破岩性.③16 lb/gal的油基钻井液与细粒(直径≈1～3μm)四氧化锰混合,与同样的钻井液和常规重晶石混合相比,在蟹果园砂岩中可以增加1倍的机械钻速.四氧化锰通过增加钻头效率来提高机械钻速,但是对钻头的破岩性没有观测到影响.④第二阶段的试验继续支持第一阶段的结论,即钻井时的实际比能消耗高于岩石的极限抗压强度.     

综合考虑成本和钻速的PDC钻头钻进参数优化设计

传统的钻进参数优化模型不适用于PDC钻头。针对传统模型的不足,在牙轮钻头钻进参数优化理论的基础上,引入钻井成本和钻速权重系数,结合PDC钻头钻速方程、磨损方程和钻速随累积进尺的变化规律等基本方程,建立了钻井成本和钻速双目标约束下的PDC钻头钻进参数优化模型。该模型可根据降低成本或提速的具体目标设置钻井成本系数和钻速系数,在同时考虑成本和钻速的条件下对钻进参数进行优化设计。川西新场地区实钻资料的计算结果显示,经过参数优化后PDC钻头的单位进尺成本降低,同时钻速提高,这表明该模型可以用于双目标下PDC钻头钻进参数的优化设计。      

提高分支井侧钻成功率的对策

针对中原油田分支井侧钻普遍存在作业成本较高、钻井速度慢、施工周期长等问题,分析了影响分支井侧钻成功的因素,通过改进和完善柔性管分支井侧钻技术、开窗侧钻小井眼技术、悬空侧钻技术和小井眼固井技术等关键技术措施,成功地解决了分支水平井存在的一些技术难题,减少了井下事故和复杂情况的发生,缩短了施工周期。其中采用柔性管分支井侧钻技术后,其经济效益显著,胡19-9井由原来的不出油达到平均日产油10.4t;开窗侧钻小井眼技术的实施大大提高了油气层钻遇率;悬空侧钻技术的应用为油田后续开发提供了借鉴;小井眼固井技术的改进与完善,提高了侧钻井的固井技术水平和施工质量。     

深水钻井钻柱疲劳寿命研究

深水钻井作业中平台的动力响应将使钻柱承受更多的交变载荷,钻柱疲劳寿命的计算过程更为复杂。应用数值模拟方法,通过Ansys-Workbench中的AQWA模块、瞬态动力学分析模块以及疲劳分析模块,提出了一种研究深水钻井中钻柱疲劳寿命问题的方法。通过实例计算,得到了某海洋环境下平台的运动响应,进而得到钻柱的疲劳极限寿命约102.61 d。计算结果表明,对于水深1 000 m的深水钻井作业,服役时间达到100 d的钻柱必须经过探伤检测,方能确定是否继续使用,且尤其应注意靠近水面部分的钻柱。     

基于岩石性能试验的冲旋钻井钻齿破岩仿真

利用空气冲旋钻井技术进行钻进时,易出现钻齿脱落、折断以及磨损严重等失效问题。针对该问题,应用岩石力学试验机和SHPB试验装置,开展了花岗岩动态劈裂拉伸、单轴压缩和围压下的压缩性试验,为数值模拟提供了必要的岩石材料模型参数。数值模拟选用H-J-C动态本构模型,结合试验结果确定了材料模型参数,选择花岗岩的拉应变作为失效准则。在此基础上,对钻齿的齿形参数和破岩的钻齿侵入深度、破碎体积进行了数值模拟。研究表明,相同工况下锥形中心齿的破岩效率最高,边齿角度取30°可显著提高岩石的破碎体积。在此基础上,对齿面布齿进行选配研究,发现“中心球形齿+周围锥形齿”的破岩效率最高,“中心球形齿+周围球形齿”组合的破岩效率最低。      

螺杆钻具配合PDC钻头快速钻进试验研究

综合分析了目前使用的ＰＤＣ钻头和螺杆钻具工作特性。介绍了ＰＤＣ钻头配合螺杆钻具在吐哈油田中深井中的快速钻进试验情况。试验结果表明，采用合理配套的钻具组合可大幅度提高机械钻速、降低钻井成本，经济效益明显。     

用惩罚函数法提取牙轮钻头钻进模式有关参数

由于钻井数据的误差较大,使得用简单的方法往往不能有效地提取工程设计和现场施工所需的信息。解决这一问题的办法,一是尽可能提高数据采集质量;二是革新数据处理的方法。作者提出了用惩罚函数法来提取分井段、分地层、分岩性的钻进模式有关参数的方法,并用该方法处理了中原油田濮深13井的综合录井资料和钻头记录数据,提取了与牙轮钻头有关的参数,获得了满意的效果。这些参数的获得,可以用来为现场实时监测、室内践现场工程设计施工以及钻井工程模拟服务。     

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ζ电位,初步分析了其作用机理。结果发现,AlCl3和Al2(SO4)3具有较好的提速效果,AlCl3的浓度为0.01 mol/L时机械钻速能提高33.7%;通过ζ电位分析得出,Al3+能够使含岩屑溶液的ζ电位由负值变为0,再转为正值,ζ电位大于-10 mV时提高机械钻速的效果明显。分析其主要原因是,ζ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。      

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。     

川深1井超深井钻井提速关键技术

川深1井储层埋藏超深,陆相难钻地层研磨性强、可钻性差,大尺寸井眼提速困难,深部地层可钻性差、井身质量控制困难。为此,根据川深1井的地层特征,优化应用了一系列钻井提速技术:采用了气体钻井和泡沫钻井技术,以大幅提高机械钻速;采用了抑制泥岩水化膨胀的泡沫钻井液体系,以解决上部大尺寸井眼地层出水、井眼失稳及高效携岩的难题;采取了旋冲钻井技术、“孕镶金刚石钻头＋高速螺杆钻具”复合钻井技术钻进高研磨性地层,以提高钻井时效;采用了预弯曲动力学防斜打快技术,并配套高效PDC钻头和钻井参数优化,钻进深部难钻地层,以提高井身质量。川深1井钻井提速关键技术的应用,确保该井顺利钻至井深8 420 m完钻,创当时亚洲陆上钻井井深最深纪录,平均机械钻速提高至2.11 m/h,钻井周期缩短至475 d,取得了很好的现场应用效果,可为国内类似超深井高效钻井提供借鉴。      

巴麦地区钻井难点分析与提速关键技术

巴麦地区是中国石化在西北地区的勘探开发新区,钻井过程中存在中上部地层阻卡严重,二叠系、石炭系井壁稳定性差,深部地层可钻性差、机械钻速低等技术难点。针对这些技术难点,进行了高压喷射钻井技术和优化水力参数的研究与现场试验,优选了钻头和螺杆类型,进行了涡轮复合钻井技术研究与现场试验,提出了微裂缝地层井壁稳定技术。结果表明:高压喷射钻井技术与常规钻井相比,平均机械钻速提高26.0%～29.3%;311.1和215.9mm井眼段采用优选的钻头,机械钻速分别提高29.0%和43.0%;二开和四开井段采用优选的螺杆,机械钻速提高27.0%～100.0%;高速涡轮复合钻井与常规钻井相比,机械钻速提高146.0%,与螺杆复合钻井相比机械钻速提高20.0%;中速涡轮复合钻井与螺杆复合钻井相比,机械钻速提高23.0%;应用微裂缝地层井壁稳定技术后未出现井壁失稳问题,实现了微裂缝地层安全钻井。     

硬地层PDC钻头切削齿尺寸及后倾角优化设计

PDC钻头是目前石油钻井中使用较为广泛的一种破岩工具,但其在硬地层中的使用效果不佳,钻进效率低,使用寿命短。PDC钻头的切削齿尺寸、后倾角等是影响其钻进性能的重要参数,通过室内微钻头试验,综合考虑硬地层PDC钻头布齿设计中切削齿的重叠和覆盖情况,以相同钻压下微钻头在岩样表面旋转一周的切削深度作为评价其破岩效率的指标,分析了切削齿尺寸、后倾角等对硬地层PDC钻头破岩效率的影响。结果表明:在钻进可钻性超过Ⅵ级的硬地层时,.切削齿尺寸越大,其破岩效率越低;钻进可钻性为Ⅵ—Ⅶ级的硬地层时,13.44 mm.切削齿的破岩效率最高,其最佳后倾角为15°。      

裂缝性储层PDC钻头随钻响应特征实验研究

裂缝性储层的裂缝预测难度大,研究裂缝性地层PDC钻头钻进响应特征对裂缝性储层随钻识别具有重要意义。文章利用水泥石材料制备的无裂缝水泥石试件、填充裂缝水泥石试件和张开裂缝水泥石试件开展了微PDC钻头钻进实验,监测不同裂缝类型的水泥石试件在钻进过程中的钻压、转速、扭矩、钻时等直接参数,通过计算机械比能、机械比能异常因子、机械比能波动因子和扭矩波动因子等衍生参数,揭示了不同裂缝类型的试件在PDC钻头钻进时的响应特征,构建了无缝、填充裂缝、张开裂缝在PDC钻头钻进时的特征图谱、评价指标体系和分类标准。并在渤中19-6气田进行了现场应用,与测井解释符合率达到了82%以上。该项研究成果为裂缝性储层的随钻识别诊断提供了实验依据。     

螺杆钻具配合PDC钻头在深直井中的应用

在分析螺杆钻具配合 PDC钻头提高机械钻速的原理的基础上 ,介绍了螺杆钻具配合 PDC钻头在大港油田 6口深直井中的应用情况 ,并对其经济效益进行了分析。6口井的应用表明 ,螺杆钻具配合 PDC钻头钻进可显著提高机械钻速 ,缩短建井周期 ,降低钻井成本 ,值得推广应用。     

用岩石强度法随钻监测预测地层压力

在钻进过程中,利用岩石强度法随钻监测预测地层压力;根据监测数据对探井钻前的地震勘探预测结果和计算模型进行修正,再根据修正后的模型,对钻头下部未钻开地层的孔隙压力进行再预测,以此来提高地层压力的预测精度,为安全、优质地完成钻井作业提供技术保证。这项技术已应用于中国南海莺歌海盆地。结果表明,它能够大大提高地层压力的监测和预测精度,可及时准确地预报井下异常高压层,为现场钻井施工提供可靠的技术依据。