旋转冲击破岩实验装置的设计与应用

旋转冲击钻井技术是深井、超深井钻井常用的提速措施之一。实践表明,钻压、钻头转速、冲击力与冲击频率是影响旋冲钻井破岩效率的关键参数,优选旋冲钻井参数有助于提高冲击器的破岩提速效果。设计了一种新型旋转冲击破岩实验装置,利用齿形振套的碰撞产生冲击载荷,用地质钻机带动钻头破岩。测量实验表明该装置冲击载荷受弹簧压缩量影响,冲击频率为冲击振套齿数与钻机转速的乘积,冲击过程稳定高效,冲击参数与现场多种旋冲钻井工况有较好的对应。旋冲破岩实验表明旋冲钻井技术可以显著提高钻头破岩速率;提高冲击载荷幅值,能够提高钻头破岩速率。旋冲钻井技术存在最适宜钻压,使用不同类型冲击器钻进不同地层时需要对钻压进行优选。利用该实验装置研究旋冲钻井参数对破岩速率的影响规律,有助于旋冲工具性能参数的设计和优选。     

温度压力对岩石可钻性和破岩效率影响实验

破岩效率低是深层超深层钻井面临的主要难题之一,受深部地层温度、压力影响,深层超深层钻头破岩效率与浅层钻井有较大差异。基于高温高压钻井模拟装置,测试分析了温度、压力对岩石等效可钻性级值的影响,通过温度20、150、300 ℃,围压25、50 MPa环境下钻头破岩实验,开展了破岩效率影响因素敏感性分析。实验结果显示:在温度、压力单因素作用下,花岗岩等效可钻性级值随温度升高而降低,随压力增加而升高;温度、压力耦合作用下,压力因素对花岗岩等效可钻性级值的影响大于温度因素,花岗岩等效可钻性级值升高1~2级。在20~300 ℃,钻头破岩效率均随温度的升高而增加,高钻压(800 N)下破岩效率对温度敏感性升高,高转速(50 r/min)下破岩效率对温度敏感性降低;在0~50 MPa围压范围,钻头破岩效率均随围压的升高而降低;在温度150 ℃、围压50 MPa环境下,破岩效率与钻压、转速正相关,且与转速近似呈线性关系,钻压、转速对破岩效率的敏感性大于温度、围压对破岩效率的敏感性。综合以上分析可知,高温高压地层钻井时,基于岩石可钻性级值优选或设计钻头时,应考虑温度、压力的影响,同时通过强化钻井参数,可经济有效地提升钻头破岩效率。     

复合冲击条件下PDC钻头破岩效率试验研究

为分析纵向冲击与扭转冲击复合条件下PDC钻头的破岩效果,以及不同钻进条件和冲击参数对破岩效果的影响规律,设计了一种具有纵向和扭转冲击功能的旋扭复合冲击发生装置,利用粉砂岩、石灰岩和花岗岩3种岩性的岩样开展了PDC钻头常规破岩和复合冲击破岩试验,研究了复合冲击条件下钻压、转速、冲击力和冲击扭矩等参数对PDC钻头钻进速度的影响规律。试验结果表明:钻压和转速是影响破岩效率的主控因素;相较于常规PDC破岩,复合冲击钻井方式产生的岩屑粒径更大,破岩效率更高;冲击力和冲击扭矩越大,破岩效率越高,复合冲击方式在硬地层钻进中的钻速最高可提高50%。研究PDC钻头在复合冲击条件下不同钻井参数对破岩效率的影响规律,为复合冲击工具设计和性能参数优化提供了理论依据。      

PDC钻头复合冲击井下破岩特性模拟研究

为对比各种冲击钻井技术的破岩效果，利用ABAQUS/Explicit模块建立PDC单齿-岩石冲击模型，研究PDC单齿在无冲击、轴向冲击、扭向冲击和复合冲击作用下的破岩特性，再进一步对影响复合冲击性能的因素进行分析。分析结果表明：在其他条件相同的条件下，复合冲击下的破岩比功相较于无冲击降低了28%,较轴向冲击降低了7%,以复合冲击破岩方式破岩效率最高；岩石在复合冲击作用条件下，钻压对PDC齿破岩效率影响较大，且存在明显差异，增大钻压有利于破碎岩石；转速对复合冲击破岩效率存在一个临界值，未达到这个值时，增大转速反而会降低PDC齿的破岩效率。所得结论可为复合冲击钻井工具选择合适的钻压和转速提供理论依据。     

双动力随钻扩眼工艺提速特性分析

常规随钻扩眼工艺只能进行井眼简单扩大作业,功能单一,效率较低。因此,提出了一种双动力随钻扩眼方法,即扩眼钻头与领眼钻头分别由2个动力源驱动破岩,且缩小2个钻头间距。该方法既能用于扩眼作业,又能提高设计井眼钻速。根据提速机理,采用数值模拟方法分析钻压、转速和工具结构尺寸等钻井参数对机械钻速的影响规律。研究结果表明:双动力随钻扩眼工艺卸载岩石内应力效果明显,能在更短时间内使岩石达到损伤破坏;扩眼钻速随钻压增加逐渐减小,随领眼钻头转速的增加而增大,随钻头高度差的增加先增大后减小,随钻头直径比的增大而增大。研究结果可为双动力随钻扩眼装置的优化设计及参数优选提供重要依据。     

井下冲击钻井工具模拟试验装置研制

为了研究井下冲击钻井工具的工作参数对钻头破岩效率的影响规律,研制了井下冲击钻井工具模拟试验系统.该系统主要由钻采工具多功能试验机、动力水龙头、冲击钻井工具模拟装置、钻具、模拟井筒、试验介质循环系统、测控系统等组成.通过钻进岩样试验,分析钻压、冲击频率、冲击幅值、冲击力等参数对钻头破岩效率的影响.为优化冲击钻井工具提供试...     

复合冲击频率配合特性模拟研究

目前,对于传统的轴向冲击破岩和扭力冲击破岩机理的研究较多,而复合冲击钻井破岩机理的研究正处于起步阶段,且现有的研究成果极少。鉴于此,利用ABAQUS动力学冲击模块计算平台建立了PDC钻头单齿-岩石相互作用的动力冲击数值模型,考虑切削齿在钻压、转速、交变冲击扭矩和交变轴向冲击力等多个载荷的共同作用下,分析了复合冲击破岩方式、轴向冲击和扭向冲击频率配合方式、钻压等几个因素对复合冲击破岩效果的影响。研究结果表明:岩石单元内部拉应力与压应力破坏区域交替分布;冲击条件相同,且在轴向冲击频率为扭向冲击频率的1/2时,岩石破碎效率最高;如果冲击频率太小,而不能及时有效地破碎钻遇岩石,即发生黏滑振动;如果冲击频率太大,载荷作用时间太短,则破岩过程中冲击能量无法及时分配,冲击力微弱,因此,复合冲击频率配合数量关系存在一个冲击频率极值。复合冲击钻井技术破岩机理的研究为新型钻井工具的进一步开发和优化改进奠定了理论基础。     

脉动式扭转冲击钻井工具工作特性分析与测试

为抑制PDC钻头钻进硬地层时的粘滑振动,设计了一种可以为PDC钻头提供周向冲击载荷的脉动式扭转冲击钻井工具,并在介绍其结构设计和分析其工作原理的基础上,建立了计算其周向扭矩、直井工况下冲击功的数学模型,通过算例分析了其工作特性。分析结果表明:脉动式扭转冲击钻井工具的周向扭矩随排量增大而增大,随节流喷嘴直径增大而减小;在直井中的冲击功随钻柱扭矩和扭转角度增加而增大,随钻压增大而减小。脉动式扭转冲击钻井工具样机性能室内测试结果表明,该钻井工具能实现高频扭转冲击,且其工作频率、周向腔体压差和周向扭矩均随排量增大而增大。研究和测试结果表明,脉动式扭转冲击钻井工具的结构设计合理,能够为PDC钻头提供周期性扭转冲击载荷,抑制PDC钻头的粘滑振动。      

PDC切削齿破碎干热岩数值模拟

开采干热岩地热资源大多都需要在硬度大、研磨性强、可钻性差、温度高的地层中钻井,PDC钻头的合理布齿是提高破岩效率的关键。为了给干热岩钻井用PDC钻头的设计提供参考,基于弹塑性力学和岩石力学,以Drucker-Prager准则作为岩石的强度准则,建立了PDC切削齿动态破岩的三维数值仿真模型,研究了60 MPa围压条件下切削深度、温度、后倾角、切削速度对PDC切削齿破岩效率的影响以及影响机理。研究结果表明:①PDC切削齿以0.5 m/s的速度切削岩石,PDC切削齿(后倾角5°～25°)的破岩比功随切削深度的增加而减小,随温度的增加呈现出先增大后减小的趋势,临界温度为200℃;②PDC切削齿以0.5 m/s切削速度切削岩石,PDC齿(切削深度1～3 mm)的破岩比功随后倾角增加呈现出先减小后增大的趋势,最优破岩后倾角为20°;③岩石温度处于20～300℃的范围内,PDC齿以后倾角5°进行破岩,破岩比功随切削速度的增加而增大,任意切削速度下,破岩比功随切削深度的增加而减小。结论认为:在干热岩钻井中,采用浅内锥、大冠顶、长外锥的钻头外形结构,增加冠顶处布齿密度、降低中心处布齿密度、20°后倾角,可以释放岩石围压、均匀切削齿磨损、增加切削深度、降低破岩比功、提高钻井效率。     

旋冲钻井技术的破岩及提速机理

深部硬地层钻井效率低、成本高的问题是现阶段深井、超深井钻井过程中长期面临的难点问题。旋冲钻井技术由于其具有提高硬地层钻进效率、降低定向钻进中黏滑振动以及提高钻压传递效率等优点而得到认可，但旋冲钻井技术的破岩提速机理尚不够明晰，且与冲击器配合的钻头使用寿命尚达不到工业要求。基于岩石力学、岩石破碎学、损伤力学等理论结合有限元方法建立了单齿旋冲破岩的三维有限元模型，分析了单齿旋冲作用下岩石的裂纹扩展、岩屑形成、损伤演化以及破岩比功等问题。研究发现，硬地层岩石在旋冲作用下更易发生脆性破碎，旋冲钻井技术能够改善钻齿的受力状态，更好地保护切削齿，提高钻进效率；冲击幅值对破岩比功的影响程度不大，这与扭冲钻井技术不同；冲击频率对于破岩比功的影响较大；旋冲钻进技术不适用于软地层。     

复合冲击破岩钻井新技术

针对传统旋冲钻井和扭冲钻井在钻头的匹配性及地层的适应性方面存在的局限性,结合高效钻井技术发展趋势,提出了复合冲击破岩钻井新技术,并开发了可实现扭向反转冲击联合轴向脉动冲击的新型复合冲击钻具。该钻具可将流体的液压能转换成工具扭向和轴向交替的高频冲击机械能并直接传递给钻头,给钻头施加周期性的低幅高频复合式冲击,在不需要改变任何设备的前提下提高破岩效率。在介绍复合冲击破岩钻井新技术破岩原理的基础上,详细介绍了复合冲击钻具的结构和工作原理、影响破岩效率的关键参数等。新型复合冲击破岩钻井新技术,可真正实现“立体破岩”,从而提高机械钻速和井身质量。      

基于LS-DYNA的粒子冲击破岩机理及参数优化

粒子冲击钻井是一种以粒子冲击破岩为主的新型钻井技术,能有效解决目前坚硬地层钻井中常出现的钻进速度慢、钻头寿命短等问题。为分析影响粒子冲击钻井中粒子破岩效果的因素,应用非线性有限元软件LS-DYNA建立球形钢粒子冲击岩石的三维实体模型,模拟了粒子冲击岩石的全过程。通过分析粒子入射参数随岩石的能量吸收率和侵彻体积的变化规律,得出粒子入射速度为120～150 m/s、粒子直径为2.5～4.5 mm和入射角度为0～10°时为宜。     

石油旋冲钻井技术研究及应用

介绍了旋冲钻井技术的基本原理,对液动冲击钻具的结构设计、工作原理、性能测试、参数匹配进行了详细论述。实践证明,冲击和旋转联合作用的砂岩效果同纯旋转钻井相比,效率可提高40%~49.8%,中硬以上地层使用效果更加明显,同时可降低钻井成本,提高井身质量,减少井下事故。在软地层中,可通过调节冲击钻具的性能参数,适当提高转数、冲击频率,同样可提高机械钻速。     

自激振荡式旋转冲击钻井工具在胜利油田的应用

摘要 :自激振荡式旋转冲击钻井工具安装于钻头上部 , 钻井液高速流经自激振荡器,形成水力脉冲作用于冲击传递杆,产生低幅高频机械冲击力传递至钻头,提高钻头破岩效果;所产生的水力脉冲再向下传递,经钻头水眼喷出形成脉冲射流,改善井底流场,提高井底净化和清岩效率,同时井底瞬时负压脉冲产生局部瞬时欠平衡,改变井底岩面破岩应力状态,可明显提高机械钻速。在胜利油田沙三和沙四段地层进行了钻井试验,无论是牙轮钻头还是 PDC钻头都有明显的提速效果,试验井段的机械钻速都提高了 30%以上,可成为钻井提速的新途径。     

自激振荡式旋转冲击钻井工具在大港板深19-64井的应用

自激振荡式旋转冲击钻井工具利用水力振荡元件产生的周期性机械冲击,通过钻头作用于岩石,使岩石的破坏强度相对降低,同时产生的水力脉动作用于井底,改善了井底岩石的受力状况,提高了岩屑的净化效果,从而有效提高了钻头的破岩效率。自激振荡式旋转冲击钻井工具采用优化的水力结构和高耐磨材料,性能可靠,对钻头和钻具结构没有特殊要求。板深19-64井使用JB-ZJXC-178型自激振荡式旋转冲击钻井工具钻进747 m,平均机械钻速9.05 m/h,比本井同地层马达钻具机械钻速提高90.12%,提速效果明显。     

水力振荡器在JHWL2-1井的应用

新疆准噶尔盆地地区在定向井及水平井在定向滑动托压粘卡方面遇到"瓶颈"性问题,难以实现突破性进展。水力振荡器作为钻井提效提速的重要工具被应用,缓解了托压现象,提高机械转速。通过在 JHWL2-1深定向井中试验应用水力振荡器的分析,结果表明,该工具能够有效改善井下钻压传递,并在复合钻井过程中机械钻速有了进一步的提高,同时大大减少了钻井润滑剂的投入量,但并非所有的情况都适用,还应该对工具参数进行合理的设计,从而实现了钻井生产的提速提效和降本增效。     

指向式旋转导向系统内外环转速对PDC钻头破岩效率的影响

为了提高指向式旋转导向钻井工具的破岩效率,在钻头运动学研究的基础上,利用Matlab软件建立了数字化PDC钻头模型和数字化岩石模型,结合岩石模型的离散化处理,模拟了旋转导向钻进条件下,PDC钻头与岩石的相互作用过程,并给出了破岩效率的定量计算方法;分析了指向式旋转导向系统内外偏心环转速对PDC钻头破岩效率的影响,得到了不同时间步长下的破岩规律。研究结果表明,抗剪强度为11 MPa、内摩擦角为22°、摩擦系数为0.2的岩石,其最佳破岩转速比在1.0左右,且指向式旋转导向系统在钻进过程中均存在稳态切削,其破岩效率与内外偏心环的转速比密切相关,随着内外偏心环转速比增大,破岩效率也相应增大,但最终趋于稳定。研究结果对提高指向式旋转导向系统的钻井效率具有一定的理论指导作用。      

中石油钻井工程技术现状、挑战及发展趋势

中国石油天然气集团公司（以下简称中石油）近年来自主研制了万米钻机及配套装备、近钻头地质导向、欠平衡/气体钻井/控压钻井、连续管作业机、21 MPa/35 MPa带压作业机等核心装备,发展完善了以水平井、欠平衡钻井、钻井提速、储层改造、带压作业为核心的配套技术,有力地支撑了水平井、欠平衡钻井、钻井提速、水平井分段压裂等重点工程的实施。但与国外同行相比,在自动化钻机、海洋钻完井装备、旋转导向系统、抗高温随钻测量仪器、抗高温螺杆、高效钻头、高温高密度油基钻井液、高压气井带压作业装备、低成本高效压裂液、无限制选择性压裂工具、完井技术等方面差距明显。研究结果认为：我国深层、海洋、非常规油气藏领域钻完井面临高温高压、高研磨性地层钻速低、钻井周期长、旋转导向等技术储备不足的挑战,建议在高效起下钻机、高效破岩钻头和辅助工具、旋转导向系统、井筒完整性、井下宽带信息传输技术、海洋钻井成套装备和技术、工厂化钻完井与体积压裂一体化技术等方面开展技术攻关。