中国石油天然气总公司1995年十大科技成果之九:大庆钻井全尺寸综合模拟试验装置

“钻井全尺寸综合模拟试验装置”是一套机电液一体化的能模拟井下钻具工况、测试钻井动态参数的综合模拟大型试验装置。该装置总体设计正确、技术先进。其中在综合模拟试验功能、钻柱振动模拟系统、动态测试系统和装置的稳定性等四方面具有特色,总体上居于国内领     

深水钻井喷射下导管模拟试验装置的研制

深水钻井下喷射导管的钻井参数与陆地及浅水钻井存在较大不同.为了模拟喷射下导管过程,为深水钻井喷射下导管作业参数计算提供试验数据,根据深水喷射下导管的特点,以其工具及组合形式为基础,结合土力学基础理论,研制了深水钻井喷射下导管模拟试验装置.该装置主要由土箱、管柱系统、起吊系统、循环系统、加载系统和测量系统组成,可以模拟喷射下导管全过程,通过改变模拟试验中的喷射参数和岩土性质,并对导管的下入速率、承载能力(横向应变、竖向应变及承载能力)进行测量,进而可以研究深水钻井导管喷射作业过程当中,不同岩土性质条件下的喷射参数与导管下入速度和承载能力之间的相互关系和影响规律,建立导管作业参数优化设计方法,为深水油气钻探中导管喷射下入的优化设计提供参考.      

喷射钻井井底流场研究取得新成果

利用流体力学的理论和试验方法,研究喷射钻井井底流场,研究钻头喷嘴的组合和分布方案,以获得最好的井底岩屑清除效果,可以提高钻井速度。西南石油学院建立了全尺寸井底流场台架试验装置,采用贴线观察、井底岩面压力场、排屑量等多种试验研究方法,开展了喷射钻井井底流场的研究,取得了一些新成果。     

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。     

钻柱振动能量转化效率评价试验方法研究

利用量纲分析法推导了模拟试验的相似准则,根据该相似准则设计并建立了钻柱振动能量转化效率试验装置,推导了试验参数,设计了能量转换结构,选取了能量转换结构的核心部件模拟蓄能元件,绘制了模拟蓄能元件的弹性曲线,并与原型蓄能元件的弹性曲线进行了对比,两者拟合性较好。建立的试验装置可进行不同钻进参数、弹性刚度和安装位置条件下的冲击振动试验,可通过测量井底钻压波动值和纵向位移波动值来计算井底钻柱振动能量值,从而分析不同试验条件下井底钻柱振动能量的转换效率。研究结果可为有效利用钻柱振动能量提供参考依据。     

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。     

钻井全尺寸综合模拟试验装置中模拟器固有频率的计算

钻井全尺寸综合模拟试验装置是我国第一台能模拟井深至６０００ｍ井下环境的试验装置，其中模拟器是一个重要的结构部分。作者简化了模拟梁，计算了模拟梁需模拟的频率范围和模拟梁的中点刚度，并利用Ｌａｇｒａｎｇｅ方法分析了质量加载时模拟梁的固有频率。     

控制压力钻井技术全尺寸模拟井试验及分析

指出了控制压力钻井技术室内试验存在的不足,给出了控制压力钻井技术全尺寸模拟井试验的原理、方法和设备,验证了控制压力钻井技术的工艺流程和控压设备的可操作性以及自动控制系统控制能力。试验结果表明,该试验流程配套简单,可以较好地模拟钻井的整个过程,通过对采集控制系统的不断调试,掌握了其调节特性,为现场试验起到了很好的指导作用;同时指出,处理气体溢流时,必须配置针对极端非线性、时变和多变量耦合等过程特性的智能控制器。如果控压钻井自动节流管汇配套的是常规液压驱动的节流阀,在钻井泵启、停过程中,流量的变化速度远远高于节流阀的反应速度,而且井筒内流体存在巨大的惯性,套压控制过程中,ECD变化达到0.3,因此应采用电动钻机,这样可以逐步缓慢降低钻井泵的排量,从而实现恒井底压力控制。     

连续管调制局部欠平衡钻井试验系统研究

连续管调制局部欠平衡钻井可以有效控制井底近钻头环空压力,在实现近钻头局部欠平衡钻井的同时保障了封隔器以上井眼稳定。为了研究该钻井技术的井底欠平衡情况及循环压耗变化规律,设计并研制了连续管调制局部欠平衡钻井试验系统,初步进行了压力分布及微环空岩屑运移测试。分析结果表明:主要由试验架、回流装置和旋转密封排岩装置等组成的连续管调制局部欠平衡钻井试验装置,能够模拟连续管调制局部欠平衡钻井过程;该试验系统可进行井底近钻头压差变化规律、近钻头钻井液携岩规律以及微环空钻井液携岩规律研究。所得结论可为连续管调制局部欠平衡钻井技术的现场应用提供参考。     

全尺寸深井钻井模拟装置对钻井技术发展的影响

缩短钻井周期是降低深井钻井成本和钻井风险的关键,这需要钻井新技术、新工艺、新材料、新工具的研究与应用,这必然要很大程度上依赖于大量的室内试验。斯伦贝谢Terra Tek钻完井实验室有全球最先进的全尺寸钻井模拟试验装置,在30多年间做了大量的模拟试验,试验结果对钻井技术发展、钻头设计、钻井液体系优选及性能优化起到了积极的促进作用。在介绍Terra Tek全尺寸钻井模拟试验装置的组成及主要功能的基础上,分析了该实验室在美国岩石力学协会钻井论坛、冲击钻井及深井钻井模拟试验中取得的主要成果,并介绍了该实验室在页岩气地层特点、开发技术和井眼稳定等方面取得的研究进展。      

水平井井下工具模拟试验装置的研制

根据油田对井下工具的试验检测需要,研制了水平井井下工具模拟试验装置。装置主要由模拟试验台、水压系统、液压系统和数据采集与控制系统组成。试验台可以提供300kN的载荷输出,水压系统设计指标为30MPa。液压系统采用变量泵和比例溢流阀控制压力和流量,数据采集与控制系统由工控机与PLC联合,可实现对拉力、液压力、水压力和油温的实时采集,以及对比例溢流阀的连续控制。性能试验和应用试验表明,该模拟试验装置能满足井下工具拉压力检测和水压试验的要求。     

旋转防喷系统试验装置的研制

旋转防喷系统是实施欠平衡钻井的关键设备，其使用可靠性关系到欠平衡钻井作业的成败和施工人员的生命安全。为提高旋转防喷系统的维护、保养和检修水平，研制了用于模拟现场使用工况的试验装置．对旋转防喷系统进行测试和检修。文章分析了试验装置的结构及工作原理。介绍了试验台架中的液体体积补偿装置及计算机监测系统，描述了目前世界上压力等级最高的旋转防喷系统在该试验装置上进行各种试验的情况。模拟试验为检测和判断井口压力控制设备是否正常工作提供了定量分析的依据。为欠平衡装备研究提供了必要的技术支持。     

深水石油钻采工程模拟试验装置的研制

深水恶劣的海洋环境及复杂的地质条件,使得深水油气田在钻采过程面临巨大的挑战。为此,研制了深水石油钻采工程模拟试验装置。该装置可以模拟3 000～5 000 m水深的海底环境。在试验装置底部加装海底土后能够进行深水喷射法下表层套管、深水浅层地质灾害预测、深水水下井口稳定性、深水水下采油树力学分析及深水石油装备等模拟试验,也可以开展自升式钻井平台桩腿插拔桩等模拟试验研究。该装置具有环境压力高、内部空间大、土质置换方便、操作简单、数据采集可靠以及试验过程可视化等特点。深水模拟试验装置为我国深水钻完井模拟试验提供了一个良好的试验平台。     

带轨迹测量功能的PWD系统研制

泥浆脉冲随钻井底压力监测系统是指在钻井过程中,将真实的井底压力这一关键钻井参数,进行动态采集并利用水力脉冲方式实时传输,经地面接收还原成井底压力数值的一套钻井实时监测系统,业界简称"PWD"系统。MWD无线随钻测量仪是对定向井、水平井井眼轨迹实时监测并指导完成井眼轨迹控制的测量仪器。本文叙述一种可以动态采集井底压力、温度、井斜、方位、工具面数据,并实时传输至地面的系统(PWD+MWD),以实现对井底压力、井眼轨迹精确控制的目的。     

负压脉冲射流辅助钻井模拟试验研究

负压脉冲射流是以负压脉动为特征的非连续射流。通过在钻头上部使用负压脉冲射流调制器，使井底压力产生负压脉动，能够瞬间减小井底岩石上的压持效应，降低岩石的抗破碎强度．从而达到提高机械钻速的目的。利用中围压模拟钻进试验系统进行了负压脉冲射流辅助钻进效果试验。通过在天然砂岩岩心中钻进，考察了负压脉动值、围压对负压脉冲射流辅助钻井钻速的影响。试验结果表明。随着脉动负压值的增加。负压脉冲射流辅助破岩钻进速度线性增大；围压对负压脉冲射流辅助钻井钻速的影响较常规钻井小；与常规钻井相比。室内模拟钻井试验条件下负压脉冲射流辅助钻井可以使钻速提高0．7～3.0倍。     

涩北气田砾石充填防砂技术参数的求取

通过室内大型模拟试验研究,利用全尺寸井眼出砂模拟试验装置,开展了涩北气田疏松砂岩气藏进行不同防砂方式及不同防砂管参数下的防砂模拟试验,评价了不同防砂方式的优缺点及对该气田的适用性,并对砾石尺寸和充填厚度等参数对防砂效果的影响进行了模拟试验,为优选适合该气田的防砂方式以及优化设计高压充填参数提供了依据。     

欠平衡钻井中钻井液密度的确定与控制方法

合理的钻井液密度是欠平衡钻井安全、快速施工的前提。在欠平衡钻井工艺方面,研究较多的是井壁稳定力学和油气储层保护,在确定和控制井底负压差及钻井液密度方面研究较少。讨论了欠平衡钻井井底负压差的确定因素和合理钻井液密度的计算方法;研制出欠平衡钻井地面数据监控系统,可依据实时监测的钻井作业参数和产出流体量,以及立管压力和套管压力与井底实际压力间的数学关系及软件计算,调节钻井液密度和井口回压来控制井底负压差。理论模式和控制方法经计算模拟及现场应用,符合钻井现场要求,软件计算误差小于5%。     

岩石冲击开裂试验峰值压力和加压速率计算模型

岩石冲击开裂模拟试验装置的主要加栽参数与爆燃药爆燃基本相当，完全可以模拟炸药爆燃加栽环境。根据动量和能量守衡原理及岩石冲击开裂模拟试验装置的工作原理，建立了岩石动态损伤峰值压力和加压速率计算模型。理论分析表明，落物的质量、自由落体的高度、液体压缩系数和模拟井眼体积等参数是影响冲击作用下流体第一个脉冲增压值的关键因素；自由落体的高度、液体压缩系数、内活动柱塞面积和模拟井眼体积等参数是影响冲击作用下流体第一个脉冲平均加压速率的关键因素。根据16次厚壁筒钢材试样试验结果修正了计算模型，修正计算模型的计算结果与试验结果相比增压值和平均加压速率的平均相对误差分别为2．56％和4．04％，表明计算模型具有较高的精度，同时44次岩心冲击开裂试验结果也验证了计算模型的准确性，对指导试验装置的应用具有重要作用。     

基于双向可控供电的随钻环空压力测量系统

随钻环空压力测量系统能够提供实时的井底压力数据,提高井底压力控制精度,防止井下复杂情况的发生,提高钻井时效。鉴于此,介绍了随钻环空压力测量系统的基本原理、系统硬件组成、压力传感器选型及标定结果,阐述了采用双向可控供电方式的信号测量与数据采集电路。现场试验情况表明:随钻环空压力测量系统的测量精度较高,钻进过程中测量数据实时传输可靠稳定。该系统可为控压钻井、欠平衡井、高温高压井和大位移井等钻井作业提供技术支持。     

电-液模拟抽油机运动试验系统

新型电-浪模拟抽油机运动试验系统为提高抽油泵效率和节省电能消耗的研究提供了试验手段。该试验系统由三级伺服阀和液压缸组成全尺寸模拟抽油机运动的执行机构；由计算机和伺服控制器组成试验系统的信号输入和自动控制部分。详细地介绍了该试验系统的基本组成。工作原理和基本设计。在对试验系统进行建模研究和分析后，得到了该系统的数学模型和动态响应指标。还对系统作了带载模拟抽油机运动的试验，并用动态分析仪对系统的输入、输出信号进行了测试。试验表明，该模拟系统能圆满地复现抽油机的运动规律，具有模拟精度高、工作稳定可靠等特点。