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。     

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。     

射流式水力振荡器振动频率分析与现场应用

为了解射流式水力振荡器的振动对井底钻具结构强度的影响程度,利用CFD数值模拟方法和地面试验方法分别对其振动频率进行了研究,分析了振动频率和振动位移随排量变化的规律;同时对射流式水力振荡器的提速效果在张海某井进行了现场验证。分析结果表明,不同排量下射流式水力振荡器的振动频率在6.5~9.8 Hz内变化,振动频率较小且小于10 Hz,说明振动频率受排量影响不大,随着输入排量的增大,振动频率呈现缓慢增大的趋势;射流式水力振荡器不仅对MWD的信号传输没有影响,而且具有显著提高钻井机械效率的作用,可明显减小钻井摩阻,缓解托压现象。所得结论对水力振荡器的优化和钻井工艺设计具有指导意义。     

国产新型水力振荡器在陕北YB536-H02井的应用

陕北地区定向水平井一般采用螺杆+PDC钻头的常规钻具组合,在斜井段或水平段钻进过程,存在钻压传递困难,定向作业托压、粘卡等现象,影响机械钻速。部分井位采用常规水力振荡器解决该问题,但同时带来工具压耗高、工具稳定性差或效果不明显等问题。陕北YB536-H02井使用国产新型水力振荡器进行施工,现场应用表明,该水力振荡器工具压耗较低,输出载荷稳定,有效降低了钻柱与井壁间的摩阻,同时避免常规水力振荡器带来循环系统压力过高的问题,解决了托压、粘卡等问题,实现了提速降本增效。     

水力振荡器最优安放位置研究与应用

复杂结构井滑动钻进过程中,托压现象严重,钻头无法获得有效的钻压,导致滑动钻进机械钻速低。水力振荡器通过轴向振动带动钻具产生轴向蠕动,从而使滑动钻进的静摩擦转变为动摩擦,可以大幅降低摩阻,从根本上解决托压问题。对井眼轨迹进行了力学简化,通过钻柱瞬态动力学分析,建立了工具有效传播距离的数学模型和计算方法。针对张海31-26井的现场试验提出了相对于钻头的最佳安放距离,并对试验中机械钻速、百米定向次数和滑动钻进进尺比例等参数进行了统计分析,验证了模型的有效性。研究内容为该工具的有效应用提供了理论指导。     

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。     

国内外水力振荡器的研究现状及展望

针对目前定向井段和水平段钻进过程中为提高机械钻速使用水力振荡器出现的问题,分析了水力振荡器的研究现状与现场应用状况。首先介绍了国内外不同水力振荡器的结构,分析了其优缺点;然后结合现场资料,通过实例对比了水力振荡器和旋转导向钻井工具的提速效果;最后针对水力振荡器在应用时出现的一系列问题给出了相关建议。现场应用效果统计资料表明,水力振荡器能降低摩阻,提高机械钻速,缩短钻井周期,降低钻井成本,与旋转导向工具相比,机械钻速可提高29.8%,钻井成本可降低38万元。但存在实际工作排量达不到设计要求、安放位置不合理、自身压耗高、损坏MWD等精密仪器和耐冲蚀性偏差等问题,严重影响了水力振荡器的应用。为解决这些问题,需要对水力振荡器进行持续完善和改进。      

水力振荡器在川渝地区水平井的应用

川渝地区地质结构复杂,在水平井施工过程中出现严重的托压、粘卡现象,尤其在滑动钻进过程中,无法保证给钻头施加真实、有效的钻压。水力振荡器可以使常规的钻具组合克服定向钻进过程中遇到的常见问题。为此,介绍了水力振荡器的结构及工作原理,并在在长宁H2-1井、高石12井施工过程中应用了水力振荡器。应用效果分析表明,水力振荡器在水平井中把单纯的机械式加压改为机械与液力相结合的加压方式,为钻头提供了有效、真实的钻压,改善井下钻压传递效果,明显降低摩阻,提高机械钻速,缩短钻井周期。     

水力振荡器在储气库长水平段的应用

Y37-2H井是国家储气库项目分属榆林储气库的第一口四开大尺寸井眼注采试验水平井,也是目前鄂尔多斯盆地井身结构及完井方式最为复杂的一口水平井。由于储气库为注采合一井,具有双重功能,要承载交变载荷的变化,周期循环一般要达50年以上等特殊要求,因此,对Y37-2H井注采气井的设计、施工和完井管串 技术都提出了非常高的要求Y37-2H井除了具有储气库特殊要求的特点外,该井主要存在水平段长、摩阻大、加压困难、钻压不能有效传递等技术难点,通过摩阻分析和应用先进的水力振荡器,同时采用了相应的安全可行钻井措施,确保了长水平段的顺利完成,为长庆大库容的储气库建设奠定了可靠的技术基础。     

三维水力振荡器性能影响因素研究

为解决滑动钻井过程中大摩阻问题,结合现有轴向振荡释放摩阻以及钻柱扭摆释放摩阻的原理,设计了三维水力振荡器。阐述了三维水力振荡器的工作原理,并对其关键部位阀口进行了理论分析,得到阀口过流面积以及压降随时间变化关系。分析了三维水力振荡器作用区间,在不影响导向钻具工作的前提下,确定了三维水力振荡器安放位置。以φ172 mm三维水力振荡器为例进行分析,分析结果表明:当压力脉冲为0.03~2.90 MPa时,水力振荡器具有较好的轴向振荡效果。确定三维水力振荡器的作用区间为20 m,故三维水力振荡器安放位置与导向马达距离保持在20 m以上,可保证导向马达不受三维水力振荡器影响。研究结果可为水力振荡器的现场应用提供参考。     

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。     

水力振荡器在苏36-8-18H井的应用

在苏里格区块大规模开发天然气水平井施工过程中出现严重的托压、粘卡现象,尤其在滑动钻进过程中,无法保证给钻头施加真实、有效的钻压。为此,介绍了Andergauge公司生产的水力振荡器的结构及工作原理,以及其在苏36-8-18H井的应用情况。应用效果分析表明,水力振荡器在水平井中应用,把单纯的机械式加压改为机械与液力相结合的加压方式,为钻头提供了有效、真实的钻压,提高了机械钻速,缩短了钻井周期。     

连续油管水力振荡器断裂失效分析

为了探究连续油管水力振荡器断裂失效原因,通过无损检测、理化性能检验及断口分析等方法,对失效样管进行了研究与分析。结果显示,失效样管的理化性能满足设计要求,样品表面存在缺陷。研究表明,失效的主要原因是连续油管水力振荡器定子在交变应力和含砂流体冲蚀的共同作用下产生疲劳和冲蚀缺陷,最终导致断裂失效。建议重视水力振荡器零部件在交变应力作用下的疲劳断裂失效行为,适当选材,并通过热处理方式提高材料的抗疲劳强度;提高工件表面光洁度,以减少应力集中;工具使用完后应加强无损检测,避免工具突然断裂造成的损失。     

板坯连铸振动液压系统油液污染分析及对策

分析了板坯连铸振动液压系统水污染的危害性和原因，介绍了防止水污染的方法。     

涡轮搅拌桨混合时间数值计算

混合时间是表征搅拌槽内流体混合状况的重要参数之一。利用CFD方法计算了单层涡轮搅拌槽内流体混合过程的流动场和浓度场,研究了物料在搅拌槽内的混合过程以及不同监测点位置对混合时间的影响。结果表明,拌槽内物料的混合主要受槽内流体流动形式所影响,混合时间的长短与监测点位置有关,在桨叶附近进行监测所得到的混合时间较短,在液面附近进行监测所得的混合时间较长。在实际生产和试验中,应注意对监测点位置的选取。     

井下水力活塞泵力平衡分析计算

介绍了水力活塞泵的结构及工作原理,分析计算了其液马达排量和泵的有效排量、实际排量及额定排量,建立了水力活塞泵力平衡方程,计算得到摩阻损失和P/E值,为水力活塞泵的设计应用提供依据。     

用节点矩阵求解支状管网水力计算问题

依据管路能量平衡方程式，建立了支状管网水力计算的数学模型，并用数值分析的方法，采用节点矩阵在计算机上求解，具有计算精度高、速度快，编机程序简单等优点，为解决支状管网水力计算问题提供了一种实用可靠的方法，并以实例进行计算，获得了较满意的结果。     

保角变换法在水压裂缝缝内流场数值模拟中的应用研究

均匀介质中的水压裂缝是按椭圆形状向前延伸的,数值求解缝内二维流场的压力分布是水力压裂工艺的关键。水压裂缝二维流场的数值模拟分2部分进行:首先是物理域的保角变换——物理平面的椭圆域变换成计算平面上的矩形域;其次是控制方程的转换——物理平面的控制方程通过保角变换方程转换到计算平面上后,在矩形域内模拟缝内流场随裂缝几何参数的变化规律:从而求出缝内流体真实的压力分布规律。     

最小曲率法计算中的数值方法

最小曲率法是测斜计算、井眼轨道设计中最常用的方法之一,在井眼轨迹计算中有广泛的应用。研究了最小曲率法计算机数值计算中的几个细节问题,给出了零井斜角测点的方位角定义,阐述了零井斜角测点方位角的二义性。分析了坐标增量计算过程,给出了减小三角函数计算次数的算法。对小弯曲角情形的坐标计算使用高精度近似公式代替容易产生除法溢出的直接计算,提高了计算过程的稳定性和计算精度。对水平投影长度的计算给出了使用Gauss数值积分法的精确计算方法。文中提出的方法可以用于使用最小曲率法时的井眼轨道计算的计算机软件开发,提高计算机软件的计算稳定性和计算精度。对涉及井眼轨迹计算的其他实际问题如定向井中靶分析预测、井眼轨迹控制、井身质量检查等都有一定的参考价值。