钻头钻削桥塞过程受力分析与试验研究

为了定量分析和控制连续油管钻头钻削桥塞过程中的钻压和扭矩,预防钻屑过大,返屑困难,对复合桥塞钻削过程进行了力学分析。通过建立连续油管钻头钻削桥塞过程力学分析模型,分析了钻头钻压与压入深度和扭矩与切屑之间的力学关系,得到了钻压、扭矩与切削深度的力学方程。为验证该力学方程计算结果的准确性,在2口井进行了现场试验,共钻掉9个桥塞。试验显示,计算结果与现场试验结果的最大相对误差为15%,可满足预测实际钻塞深度的精度需求。研究结果表明,建立的连续油管钻头钻削桥塞过程力学分析模型可以描述钻压、扭矩与切削深度之间的力学关系,对桥塞钻削施工中钻压与扭矩的控制具有指导意义。      

水平井油管钻磨复合桥塞技术及应用

针对连续油管钻磨复合桥塞存在成本高、易卡钻等问题,结合长庆致密油藏地层压力低的特点,提出了水平井中采用油管输送工具钻磨复合桥塞。改进了一种平底磨鞋;兼顾转速和扭矩优选了性能稳定、使用寿命长的螺杆;按实现功能和尽量简化的原则组配形成了国产化的钻磨工具组合;依据环空止动返速模型设计了最小施工排量;以偏心环空压耗计算为重点得到最大施工泵压;针对水平井难以精确计算钻压的问题,提出了按螺杆最大许用钻压控制悬重同时限制泵压压降的钻压施加方法。该技术在长庆油田进行了8 口井的现场试验,一趟钻最多钻除复合桥塞13 个,单个桥塞平均钻磨时间小于120 min,单个桥塞最快钻磨时间40 min,性价比不低于连续油管作业。     

水平井仿生磨鞋钻磨复合桥塞的设计与仿真

针对水平井可钻式复合桥塞技术钻塞效率低及返屑困难等问题,以土壤动物蜣螂的胸节背板为仿生原型,设计出一种仿生孕镶金刚石取心磨鞋(以下称仿生磨鞋)。仿生磨鞋以“套铣”的方式钻磨多级复合桥塞,与传统磨鞋相比其钻塞速度更快,返屑成功率更高。为了验证仿生磨鞋的改善效果,在有限元分析软件ABAQUS中对常用的5翼PDC镶齿平底磨鞋与仿生磨鞋进行了钻除复合桥塞仿真对比试验。仿真结果表明：两种磨鞋在钻塞方式上存在较大的差异,仿生磨鞋的钻塞速度明显快于常规磨鞋;仿生磨鞋钻除下来的钻屑尺寸更小,返屑成功率更高,卡钻的可能性更低;增加钻压与转速对提升磨鞋的钻塞速度都具有促进作用,但增加钻压的增速效果更明显;磨鞋底面最外圈边缘的磨损量最大,在加工磨鞋时应该对其优化加强。研究成果可为国内可钻式复合桥塞工艺技术的进一步发展提供理论基础。     

水平井连续油管钻磨桥塞工艺研究与应用

针对连续油管钻磨桥塞过程中经常由于工艺参数选择不合理导致施工效率低的问题,通过分析连续油管钻磨工艺特点、钻磨工具的工作特性以及井底磨屑在不同井段的运移规律,结合"上提扫屑和定点循环"的钻除桥塞模式,对施工工艺进行了调整,对工作参数进行了优化,形成了水平井连续油管钻磨桥塞的工艺方案:选用PDC镶齿5刀翼磨鞋,螺杆钻具选择"中扭矩、中转速"工作模式,排量不低于420 L/min,钻压控制在14.7~19.6 kN。该工艺在数十口井进行了现场应用,与优化调整前相比,单个桥塞的平均钻除时间缩短46.5 min,钻磨动力液消耗量减少49.4%,一趟钻具能够连续钻除12个复合桥塞。应用结果表明,连续油管钻磨桥塞工艺在压裂后可以迅速恢复井筒畅通,达到提速增效的目的,具有很好的推广应用价值。      

复合桥塞钻削过程力学分析

在采用桥塞和连续油管实施分层射孔、压裂、桥塞钻磨一体化作业中,快速高效、完整的钻磨井筒内分段压裂用的多级复合桥塞不仅可以提高作业效率,还可以为后继采油作业提供可靠的作业通道,避免管柱卡阻、失效等事故发生。以应用效果良好的复合桥塞及圆柱切削齿专用钻头为研究对象,基于弹塑性力学及机械加工切削原理,推导了单个齿的进给力与切削深度、切削力与切屑脱离的关系式,考虑钻头布齿和复合桥塞部件结构,推导了钻塞过程中的钻压和进给力、钻头转矩和切削力的关系式。考虑连续油管和螺杆钻具特性,优选了钻塞过程中钻压和排量的取值范围。经现场钻塞数据分析与计算表明,不同材料桥塞段的实际钻速与计算钻速相对误差均在11%以内,为优选钻塞工艺参数提供了可靠的计算方法。     

单牙轮钻头轴承载荷测试与分析

用带传感器的试验用单牙轮钻头，在改变轴倾角、钻压和转速的条件下进行钻头轴承载荷的台架试验，得到动载荷系数、轴向力、径向力、周向力、扭矩和牙轮传动比等数据。对实测和计算数据的分析表明，单牙轮钻头的动载荷系数基本不随钻压、转速和轴倾角变化，并且比三牙轮钻头低；轴向力和径向力随钻压的增加而增加，且受轴倾角的影响；周向力随扭矩的增加而增加；牙轮传动比小于１，基本不受钻压和转速的影响，但与轴倾角有关。有限元分析表明，轴承内部存在三个应力集中区域。     

PDC钻头与岩石相互作用规律试验研究

试验采用81/2in和121/4in两种PDC钻头,对嘉陵江石灰岩和香溪砂岩两种典型岩样进行钻进,在不同钻头转速和钻压下,测得了扭矩和机械钻速.分析试验结果得出,对于表面刮削破碎和体积破碎两种岩石破碎状态,钻压对扭矩的影响不一样.当钻压没有达到体积破碎钻压时,钻压对扭矩的影响较小;当钻压超过体积破碎钻压时,钻压对扭矩的影响非常明显.钻头转速对钻头扭矩几乎无影响.     

螺杆钻具井下磨铣管柱受力分析及改进设计

针对螺杆钻具磨铣钻削井下桥塞、水泥塞及类似钻削工作中管柱在井下所产生的巨大反扭矩的危害,在对磨铣钻削管柱进行受力分析的基础上,提出了改进方案,即"井下防扭装置"和"磨铣钻削管柱的配置",有效地降低了反扭矩带来的危害,改善了磨铣钻削管柱的受力状况。现场2口井的实际应用说明,改进后的管柱在应用上更为安全可靠,钻削用时比简易管柱缩短1/4~1/3。     

连续油管钻磨复合桥塞作业参数优化

多级储层改造技术的产生促进了封隔桥塞的应用,油气井投产前要求桥塞能够快速地被钻磨掉。使用连续油管和容积式马达钻磨复合桥塞是油气田开发中最常用和最有效的技术之一,而这项技术的优化常常受到各种可变参数的制约。通过对连续油管可控变量参数的总结、分析和研究,重点介绍了连续油管钻磨复合桥塞作业技术的优化过程,并认为钻塞工具、钻磨液体流体排量、马达失速停转、钻磨进尺速率和最佳井口压力是影响钻磨桥塞效率的５个关键因素。还通过对现场施工作业数据的分析,得到了钻磨进尺速率和最佳井口压力是优化的关键与提高作业效率的结论。     

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。      

欠平衡钻磨桥塞施工工艺

××井桥塞座封于井浅处,下桥塞前下层测试时井口最高关井压力达到46.8MPa,桥塞下部气体的上顶力达85.4t。由于钻具重量远远低于下部气体产生的上顶力,靠泥浆液柱压力来平衡该力不可行,在钻桥塞与下部井筒连通瞬间,下部压缩高压气体瞬间释放将会出现一个极大的上顶力推动井内钻具急速上行,给地面井控工作带来极大的困难和风险。同时受井控要求限制,钻扫参数选择余地小,钻扫时加钻压困难,钻扫桥塞时间长;且套管磨损加剧,影响正常井控。通过对井口装置及施工工具的优化选择,确定了一套合理的施工工艺方案,确保了此次欠平衡钻磨桥塞成功完成,为以后类似井况的施工积累了宝贵经验。     

钻浅层塞井口防顶装置的研制及应用

在钻浅层塞作业过程中,为了防止出现井喷顶钻事故,研制了井口防顶装置。该装置是根据以最高上顶力和井口装置最低抗内压两者中最低者来选用井下作业井口控制装置的原则进行设计的。中原油田普遍使用350井口,最高耐压35 MPa,钻塞使用114 mm钻头,故设计的防顶装置承受的最低上顶力为364 kN,附加安全系数1.5倍,其承载上顶力为550 kN,能够避免防顶控制过程中上顶力对防顶装置的损坏,确保施工安全。现场应用控制防顶5口井,成功率100%,有效地解决了钻浅层塞施工中井喷防顶的难题。     

非常规水平井多段钻塞完井工艺在河南油田泌页HF1井的应用

河南油田泌页HF1井是部署在南襄盆地泌阳凹陷深凹区的一口以主探页岩油为目的的水平预探井。介绍了该井在钻桥塞施工中,如何选定钻桥塞完井方案(包括:钻塞施工泵压的确定、钻塞施工钻压的确定、钻塞施工时液体的选择、钻桥塞工具组合)及钻塞施工的详细步骤。通过选择带压施工装置,配套钻桥塞工具,设定施工参数,历时4d,仅用1只钻头就实现了在1042m水平段,钻桥塞14个,冲砂钻进达170.93m,开创了非常规钻桥塞的新记录。     

随钻恒扭器在TH121125井的试验

塔河油田12区深部硬地层在钻井过程中,常因PDC钻头黏滑振动造成机械钻速较慢.为解决该问题,在TH121125井1 204.00~4 845.00 m井段试验应用了随钻恒扭器.结果表明:试验井段的扭矩波动小,比较平稳;与邻井相同井段相比,机械钻速提高了20.56%~59.65%,钻井周期缩短了21.08%~41.39%;试验井段的最大井斜角仅1.07°,最大井径扩大率仅6.42%,与邻井相比井身质量得到明显提高.试验结果表明,应用随钻恒扭器可以有效消除PDC钻头的黏滑振动,保护钻头及钻柱,有利于防斜打快,提高钻井速度.      

水平井井底钻压的研究

将水平井井内切点以上非垂直井段钻柱,采用弹性梁的变形微分方程以及单元体的静力平衡和力矩平衡关系建立了钻进时轴力的二维计算模式,同时,对切点以下导向动力钻具组合采用纵横弯曲法大变形进行分析时,考虑了动力钻具结构弯曲角的影响,得出导向动力钻具三弯矩方程组和扶正器正压力,摩擦阻力的二维计算模式,并给出了利用钻井时的钻重和视压力,计算出吉底钻压的方法及步骤。