钻头与地层相互作用的新模型

本文综合考虑了地层各向导性和钻头各向异性对井眼轨迹的影响,经过力学分析和数学处理,建立了更为一般的钻头与地层相互作用模型即UPC模型。它是目前已有类似模型的推广。在此基础上,本文给出了有效钻力的概念,从而找到了确定钻头钻进方向的根据。利用UPC模型,并结合底部钻具组合三维分析程序,既可预测井眼轨迹,又可反求地层因素或钻头各向异性指数等。     

井眼轨迹控制问题的力学分析方法

对井眼轨迹控制问题的力学分析模型进行了讨论.给出了底部钻具组合三维受力和变形的控制方程及其简化形式的通解;综合考虑地层和钻头的各向异性钻井特性,建立了钻头与地层相互作用的一个矢量模型;讨论了井眼轨迹预测和控制计算方法.     

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利用下部钻具力学分析和钻头与地层相互作用模型来预测和控制井眼轨道对于大多数钻井作业来说仍是一个难题。文章分析了沿钻头的瞬时钻进方向向前差分存在的问题；在分析井眼轨道形状的基础上，提出了井眼轨道预测的4点新认识，建立了侧向钻速等于零的预测和控制准则；分别建立了井眼轨道预测方程、井眼轨道控制方程、钻具导向能力预测方程，并应用于国家重点科技攻关项目和“863”项目中。预测数据与实测结果误差较小。以井眼轨迹光滑为目标，将下部钻具组合三维力学分析与三维钻速方程相结合建立的井眼轨迹预测方程较其它轨迹预测方法具有明显的理论上的先进性和实际应用上的可靠性与准确性。     

关于UPC模型的理论问题

UPC模型是"钻头与正交各向异性地层相互作用模型"的代名词,是1988年提出来的。利用UPC模型,可以确定钻头在各向导性地层中的实际钻进方向,可以推论典型地层及钻头的各向异性钻井特性;将它与底部钻具组合力学分析程序配合使用,便可进行井眼轨迹预测和控制计算。本文公布了关于UPC模型的推证材料,给出了它的矢量表达式,并阐明了它的物理意义,以便正确理解和应用该模型。钻头与横观各向同性地层相互作用模型,作为UPC模型的一个特例,在实际计算中较常用,本文对有关问题进行了讨论,以利于正确认识这类模型。     

地层力计算的新模型

根据钻头与地层相互作用理论,结合钻头的力学分析,建立了地层力计算的新模型.模型重点考虑了井眼轨迹变化和地层各向异性的影响,克服了以往只能由稳斜稳方位(或稳斜)条件确定地层力的缺点,它适用于井眼轨迹任意变化的状态.模型具有广泛的使用价值.文中还讨论了地层力的影响因素和分布特征.并结合大庆油田南Ⅱ区的实钻井史资料,得出了该地区的地层力数值和地层力与钻压的平均比值为0.74%.     

井眼轨迹预测研究的回顾和展望

<正> 一、前言 井眼的轨迹控制一直是钻井工程中最重要的问题之一。 影响井眼轨迹控制的因素很多,大致可分成三个方面:底部钻柱的力学性能、地层岩石的状态或应力和钻头与岩石的相互作用。地层岩石的状态和地层应力方面已有研究成果,并在井眼轨迹控制方面得到应用。人们对钻柱在井中的工作环境作适当假设后,已能近似计算或测量出钻头的方位和钻柱给钻头的侧向力(造斜力与方位力)。但是,牙轮钻头与岩石的相互作用至     

根据新的钻头—岩石相互作用模型预测井眼的轨迹

文中提出了一个新的钻头—岩石相互作用模型.该模型没有采用地层各向异性指数的概念,而是从横观各向同性岩石(地层)的本构方程出发,考虑了地层各向异性和钻头各向异性对井眼轨迹的影响,编制了相应的井眼轨迹模拟程序,该程序可在微机上运行.模型有利于现场推广使用,对定向钻井有一定的参考价值.     

岩石力学性质对井眼轨迹走向的影响机理

为了提高在极软、极硬地层中钻井时的井眼轨迹预测与控制能力,研究了岩石力学性质对井眼轨迹的影响机理和相应的控制措施。基于纵横弯曲连续梁理论,分析了地层力学性质对下部钻具组合导向性能的影响,在此基础上,建立了考虑地层力学性质的钻头导向模型,利用钻头导向模型定量描述钻压、造斜力、地层可钻性和钻头各向异性对井眼轨迹的影响。对于Φ215.9 mm井眼,井眼瞬时扩径率小于3%时,宜采用弯壳体螺杆钻具,井眼扩径率大于3%时,弯接头配合直螺杆导向能力更强;地层可钻性级值由1增大为10时,趋势角从6.00°降为1.00°。软地层和侧钻井眼推荐使用弯接头配合直螺杆钻具,硬地层推荐使用侧切能力强的钻头配合单弯螺杆钻具。      

考虑钻头转速影响的新三维钻速方程

为了更全面地考虑影响机械钻速的因素、提高预测机械钻速和井眼轨迹的准确性,深入研究了涉及钻头和地层相互作用的三维钻速方程。考虑钻头转速的影响,重新定义了钻头各向异性指数和地层各向异性指数;利用地层各向异性指数和钻头各向异性指数的定义以及坐标变换,建立了考虑钻头转速影响、钻头与地层相互作用的新三维钻速方程。利用新三维钻速方程,实例分析了钻头转速对机械钻速的影响,随着钻头转速的增加,井底平面Xd方向、Yd方向及井底法向Zd方向的机械钻速都随之提高,但井底3个方向的机械钻速随钻头转速增加而提高的幅度并不相同,井底法向Zd方向机械钻速的提高幅度要大于井底Xd和Yd方向机械钻速的提高幅度。研究表明,钻井过程中,利用新三维钻速模型可以预测钻头转速变化对机械钻速和井眼轨迹的影响,也可以通过调整钻头转速、钻头各向异性指数、钻头机械力等参数对井眼轨迹进行控制。      

预测井眼轨迹的实用方法

通过定量计算地层力和分析井眼几何形状、钻头力及钻具结构特性对钻进方向影响，提出了钻具结构柔度概念和算法，建立了定向井井眼轨迹预测新模式，为井眼轨迹控制提供了一种新的实用方法，并经胜利油田十几口井现场应用，收效明显。     

底部钻具组合的参数设计及优化方法

为满足井眼轨道设计或实际钻井过程中对井眼轨迹控制的要求,从底部钻具组合设计角度实现了控制井眼轨迹。基于底部钻具组合力学参数分析方法及钻头与地层相互作用理论,模拟钻井过程,计算出井眼轨道的曲线,且将模拟计算的曲线与设计曲线(或者实际要求曲线)之间误差最小设为目标函数,以底部钻具组合设计参数及操作参数为决策变量,建立了底部钻具组合参数设计及优化方法。该方法综合考虑了钻头侧向力、转角、钻头各向异性、地层各向异性、井眼几何参数等对井眼轨迹的影响,克服了钻具组合设计过程中通常以单一参数作为设计依据的局限,并实现了从定量角度对井眼轨迹的模拟描述。计算和实例分析表明,该方法分析结果准确,可以有效地对钻具组合设计是否最优做出评价。     

贝克休斯公司研制出可辅助控制井眼轨迹的PDC钻头

<正>目前,多用水平井开发非常规油气藏,用弯壳体井下马达和旋转导向系统控制井眼轨迹,在钻进过程中常因钻头移动、地层推动等外力导致井眼轨迹发生偏移,需通过滑动钻进调整井眼轨迹,这会严重影响机械钻速。常规PDC钻头在定向钻井中的主要作用是实现预期的造斜率和机械钻速,对井眼轨迹控制的帮助不大。为此,贝克休     

考虑钻头与地层相互作用的侧钻水平井轨迹预测方法

在侧钻水平井钻井过程中，由于造斜率高，从造斜点到半点之间的井段长度有限，给侧钻井的井眼轨迹控制带来较大的挑战。考虑钻头与地层之间相互作用、钻头切削各向异性以及钻头侧向力等因素的影响，建立了侧钻水平井造斜井段采用弯外壳螺杆钻具滑动钻进时的轨迹预测模型，并用现场实钻数据对理论模型进行了验证，为侧钻水平井井眼轨迹预测及井眼轨迹控制提供了一种行之有效的方法。     

井眼弯曲平面倾角对钻头侧向力的影响研究

井眼轨迹的空间形状是影响钻头侧向力特别是方位力的一个主要因素。文中利用弯曲平面倾角来描述井眼轨迹的弯曲方向,并探讨了弯曲平面倾角对钻头侧向力的影响及其规律。结果表明,弯曲平面倾角和井眼曲率的有机结合可以很好地描述井眼轨迹空间形状对钻头侧向力的影响。当弯曲平面倾角为0°时,钻头上的方位力近似为零,而当弯曲平面倾角接近90°或270°时,钻头上的方位力绝对值最大。在不考虑地层因素的影响时,井眼的弯曲平面倾角及弯曲程度是产生钻头方位力的一个主要因素。在现场井眼轨迹控制过程中,应充分考虑这一特点。     

利用岩石可钻性预测井眼轨迹

本文利用我国各油田岩石可钻性研究成果及地层各向异性研究结论[1],分析钻碎各类岩石所表现的非线性位移性质对井眼轨迹的影响,在分析岩石可钻性的同时,还分析了地层各向异性、钻头各向异性等反映井下环境因素对形成井眼轨迹的影响。在给定钻头外力的前提下,运用钻速方程列出预测井眼轨迹的计算式,为反映井下环境的综合影响因素提供了定量计算方法。研究表明,由岩石可钻性决定的非线性位移性质、地层各向异性和钻头各向异性等三种性质是影响井眼轨迹的井下环境因素,在钻井设计和施工中都应计算其影响数值。由岩石可钻性级值Kd表示的井下环境因素,引入钻达预测方程中进行运算,可以获得影响井眼轨迹的定量结果,从而使定向井预测由定性进入定量研究阶段。     

旋转导向系统在深层页岩油水平井的应用

页岩油已成为全球非常规油气资源开发的重要领域,水平井是页岩油勘探与开发采用的主要技术之一。为解决钻井过程中轨迹控制、高压、近距离防碰、托压以及目的层段无任何实钻和测试参考资料等问题,根据方位伽马探测原理,建立了三地层数学模型,结合随钻测井曲线提出了"标志层地层倾角计算方法"并推导出相关公式。采用了旋转导向钻井系统与地质导向技术相结合对井眼轨迹进行控制,现场应用结果表明,应用旋转导向钻井系统可实时监测井底环空压力、提高机械钻速、实现自动导向控制和地层评价、通过标志层地层倾角提前预测目的层"着陆"点井斜及钻头到边界的距离,使井眼轨迹光滑并精准中靶。优化了井身结构并完善了地质导向模型,对后期页岩油开发提供了新的参考资料和策略。     

地层自然造斜能力在定向钻井中的应用

地层自然造斜规律和造斜能力是定向井井眼轨迹控制和直井防斜打直的基本地质依据。文中从钻柱力学的基本原理着手,分析了钻头与地层的相互作用,建立了地层自然造斜能力的力学模型,利用江苏油田桥河口地区的实际资料,对桥河口地区的地层各向异性指数、地层造斜系数和方位漂移系数进行了计算,并根据计算结果设计了新的钻具结构。     

煤层气羽状水平井井眼轨迹控制技术

为了提高煤层气的钻遇率、减少井下复杂事故,开展煤层气羽状水平井井眼轨迹控制技术研究至关重要。通过分析煤层气产出机理和羽状水平井技术特点,给出了羽状井井眼轨迹控制综合分析流程图及常用的控制方法,详细介绍了随钻电阻率、自然伽马测井等测井响应井眼轨迹综合控制技术及不同地层倾角煤储层井眼轨迹实施跟踪预测控制技术。研究结果表明:准确掌握煤储层物性参数、地层倾角及顶底板岩性等是实现井眼轨迹有效控制的基础和关键,在钻进过程中通过实时跟踪和分析钻井参数,并结合随钻电阻率、自然伽马测井及综合录井信息等对井眼轨迹进行实时监测和调整,可有效控制钻头在目标层中最佳层位延伸钻进,从而可确保煤储层钻遇率及减少井下复杂事故发生。     

川东地区高陡复杂构造LWD跟踪有效储层的方法

随钻地质导向技术(LWD)是20世纪90年代发展起来的前沿技术,在高陡复杂构造上钻水平井,及时准确了解地层产状、识别储层特性,引导水平井的井眼轨迹沿着有效储层钻进是LWD数据解释的关键内容。为此,以四川盆地川东地区钻探石炭系的高陡构造为例,在对区域地质特征、构造背景和储层特征及分布规律的深入细致分析基础上,应用地震、录井、测井资料建立起了钻探目的层段的岩—电模型、钻前三维地质导向的井眼轨迹模型。实钻中,把钻前建立的目的层岩—电模型与随钻实时测量的自然伽马、电阻率信息进行对比,及时分析钻头所钻岩性在岩—电模型中的位置,判断井眼轨迹与地层相切关系,进而用电阻率信息分析储层特性来指导钻进井眼轨迹实时调整,确保水平井段有效储层的钻遇率。该导向模型的建立与数据解释的方法可供类似探区参考。     

各向异性地层钻井井斜问题研究

在实验室内以全尺寸实物钻头破岩,系统地研究各向异性地层对井斜影响程度的成本较高。随着计算机硬件和数值模拟计算软件，尤其是有限元软件的发展，使得有限元仿真模拟各向异性地层钻井井斜是经济可行的。在弹塑性力学、岩石破碎力学的理论基础上，建立了三牙轮钻头齿面与井底岩石接触问题的动态模拟的有限元模型，模型中地层岩石力学特性建立为各向异性材料模式。提出了以岩石临界塑性应变为判据，来判断岩石材料是否被切削或剥落，并在动态仿真模拟过程中，将这些剥落的单元去掉，形成钻井井眼和新的井底表面。用文中建立的模型，动态模拟、分析了钻头钻进时，在各向异性地层和地层倾角的干扰下，钻头与井壁间产生不对称的侧向力，使钻头产生侧向偏移，累积形成井斜，给出了定量的模拟结果。调整参数可以模拟和分析不同钻井参数、各向异性地层以及地层倾角对井斜的影响关系，从而为各向异性地层以及高陡构造地层防斜打快提供理论参考，同时为防斜工具的设计、改进以及井眼轨迹控制提供理论基础。