空气钻井钻具组合动力学特征及井斜机理研究

研究了用牙轮钻头进行空气钻井时光钻铤钻具组合动力学特征及井斜机理,建立了光钻铤钻具组合的转子动力学模型,分析了空气钻井与泥浆钻井时光钻铤钻具组合动力学特征的区别。结果表明,高碰摩系数使空气钻井时钻具组合反向涡动,空气的低阻力使空气钻井的涡动速度增大。泥浆钻井则相反,钻具组合以较低的涡动速度向前涡动。这些特征的综合作用使得空气钻井时钻头上的降斜力小于泥浆钻井,成为引起空气钻井井眼易斜的主要原因之一。     

气体钻井井斜的原因及防斜技术

在归纳气体钻井井斜规律的基础上,对比分析了气体钻井与钻井液钻井两种情况下,地层各向异性、地层倾角、井眼几何参数及钻井参数等因素对井斜的影响。结果表明：气体钻井与钻井液钻井相比,地层各向异性显著增加是气体钻井容易井斜,且井斜后较难控制的根本原因;在中、大钻压下,井径扩大是气体钻井容易井斜的重要原因;而地层倾角、钻压、钻头切削各向异性和钻具组合对气体钻井井斜的影响与钻井液钻井相似。建议在现场推广应用空气锤、钟摆钻具组合和空气螺杆钻具组合三项气体钻井防斜技术来防止气体钻井井斜。     

气体钻井井斜机理研究

气体钻井存在井斜不易控制的难题,其机理尚不明确。应用纵横弯曲BHA(底部钻具组合)分析方法和钻头与地层相互作用模型,根据实钻资料对比分析了气体钻井和钻井液钻井的地层造斜特性,进而探讨了气体钻井的井斜机理。结果表明,与钻井液钻井相比,气体钻井条件下地层造斜力和钻具降斜力都有增加,但地层造斜力增加的幅度更大,这正是气体钻井更容易发生井斜的原因。因此,建议在用气体钻井技术打直井段时,通过调整钻具组合和钻进参数适当增加钻具的降斜力,以提高井身质量。     

气体钻井井斜有限元岩石应力分析

气体钻井易井斜,钻井施工主要通过调整钻具组合和钻井参数进行轨迹控制,然而在高陡构造地区,气体钻井井斜变化严重超出井身质量控制要求,为后期作业带来了严重影响。因此,气体钻井井斜变化必须考虑井筒中不同循环介质的影响和井壁稳定程度的影响,而现有的数学模型复杂,计算量大,不能真实地模拟井下钻井的力学变化。为此,利用有限元理论,建立了实体三维力学模型,可以充分考虑井筒中不同循环介质的影响和井壁稳定性的影响进行Von Mises应力计算,根据地层应力值的变化,可以直观地分析出气体钻井井斜规律。通过对该模型力学计算结果的分析表明：在相同地层倾角和岩石强度下,气体钻井井斜幅度大于钻井液钻井的井斜幅度,井壁更不稳定,钻井时更易出现井眼扩大现象;当地层倾角小于45°时,井斜具有上倾趋势;地层倾角等于45°时,井斜趋势不明显;地层倾角大于45°时,井斜具有下倾趋势。     

空气钻井井斜问题与地层倾角的规律探讨

由于可以有效的保护储层、防止井漏和大幅度提高钻井速度等优点使得空气钻井得到迅速发展,然而在一些地层的钻进过程中,使用空气钻井时出现了在钻井液钻井时不会出现的井斜问题。针对这一问题,采用弹塑性有限元法建立了空气钻井和钻井液钻井中井筒在不同地层倾角情况下的高度非线性力学分析模型,重点从岩石力学的角度分析和探讨了空气钻井中井筒岩石的应力分布、破岩趋势以及井斜与地层倾角的变化关系,得到了空气钻井的井斜规律;同时与钻井液钻井进行了比较,证明了空气钻井比钻井液钻井更易发生井斜的观点。     

巨厚砾石层气体钻井井筒不规则性对井斜的影响研究

直井易斜和下套管困难是巨厚砾石层气体钻井存在的2个亟需解决的问题.现场测试数据表明,即使使用普遍认为具有较好控斜效果的空气锤钻井技术,井斜控制依然困难,且井筒的规则性很差,这很难用现有的控斜理论解释.现有底部钻具组合(BHA)受力模型均未考虑井筒的不规则性,都假设井筒光滑规则.为此,基于现场实测数据,利用有限元方法建立...     

空气钻井井斜控制问题的探讨

玉门青西油田地县岩性不均，岩性变化频繁，地层极硬、研磨性极强，可钻性差，机械钻速较低，造成全井钻井速度较慢。为了提高机械钻速，在窿9井等4口井试验了空气钻井，大幅度地提高机械钻速，但出现空气钻井井斜不易控制的问题。文中阐述和分析了影响空气钻井可控因素和不可控因素对井斜影响的机理；阐述了空气锤防斜技术，分析了空气锤在窿15井试验未起到防斜的原因，对今后空气钻井的设计和施工具有一定的指导意义。     

柔性防斜纠斜钻具组合在勃参1井中的应用

介绍了柔性防斜纠斜钻具组合的防斜纠斜机理，给出了其力学模型并进行了分析，提出了其防斜纠斜钻进技术措施。在勃参一井的应用表明，该钻具组合能有效地控制井斜的增加并具有降斜的作用且能提高机械钻速，为大倾角硬地层易斜区快速防斜纠斜钻进提供了一种新的钻具组合类型。     

水平井眼中双稳定器钻具组合的力学特性分析

目前国内以旋转导向螺杆钻具组合为主的长水平段钻进后期存在滑动摩阻大、纯钻时效低和单趟钻进尺较少等问题,造成非常规油气藏的勘探开发成本普遍较高。鉴于此,利用井斜趋势角的概念,对常规双稳定器钻具组合钻进长水平段时各种因素对井斜趋势的影响规律进行分析,设计了一套适合胜利油田樊154区块长水平段稳斜钻进的双稳定器常规钻具组合。研究结果表明,采用双稳定器钻具组合钻进水平段时,稳定器位置、直径、钻压以及井径扩大率等是影响井眼轨迹控制效果的关键参数;在其他参数不变时,随着第1稳定器外径的减小或第2稳定器外径的增大以及钻压的减小,双稳定器钻具组合的增斜趋势将逐渐减弱、降斜趋势逐渐增强。     

Wellbore Instability and Countermeasures in Offshore Bedding Shale Formations

Abstract

The properties of bedding shales are different from that of normal formations. Strength anisotropy is their outstanding feature. Experimental study and theoretical analysis show that this kind of anisotropy of bedding shales is the main reason of wellbore instability. W-2nd section shales in WZ12-1N oilfield are in typical bedding formation, and there were some problems such as severe borehole collapse and pipe sticking in drilling. Bedding shale formation was assumed to be a transversely isotropic material, and a collapse pressure calculating method was established. The calculation result of directional drilling collapse pressure in W-2nd bedding shales shows that if hole deviation exceeds a certain critical value, collapse pressure will increase sharply. This result was used in mud density design and well trajectory optimization, which solved the wellbore instability problems of the W-2nd formation. This research method has reference value to solve problems of wellbore instability and improve drilling efficiency in other similar regions.     

应用钻头与地层相互作用模型优化防斜钻具组合设计

应用钻头与地层相互作用模型，综合考虑钻头和地层各向异性、钻头侧向力及钻头转角对井斜的影响，提出了“井斜趋势角”概念。针对各向同性地层，推导了简单实用的“井斜趋势角”计算公式。分析表明，进行防斜钻具设计、优选钻井参数时，综合考虑上述诸因素对井斜的影响是十分必要的；与“钻头侧向力最大”或“钻头转角最小”等单一指标相比，“井斜趋势角”指标考虑因素更全面、设计（或评价）结果更可靠。     

“垂直钻井工具+等壁厚螺杆”提速钻具组合先导性试验

为有效解决库车山前井因高陡构造、高含砾石及地层各向异性导致的井斜控制难、钻头涡动及钻具黏滑问题,塔里木油田在克深A井盐上高含砾石地层康村组、吉迪克组应用了“垂直钻井工具+等壁厚螺杆”提速钻具组合。优选了适用于库车山前地区的输出功率高、性能稳定、处理复杂能力强的螺杆钻具,并通过钻柱力学及水力学优化设计解决了与垂直钻井工具的配套问题,实钻过程可用钻压高、扭矩平稳、机械钻速快,能够有效控制井斜并改善钻头涡动、钻具黏滑等非正常钻进状态,达到了解放钻压、保护钻头和提高破岩效率的目的,相比邻井同层位同井段机械钻速、单趟钻进尺分别有75%~262%、51%~134%的提高。验证了“垂直钻井工具+等壁厚螺杆”钻具组合在库车山前高陡含砾地层的提速应用可行性,可在库车山前井盐上地层规模推广使用。     

塔深1井四开井斜控制技术

塔深1井设计井深8000m,四开用241．3mm钻头从5460钻进到6800m,所钻油藏岩性以泥微晶灰岩为主,岩性复杂,主要表现为地层裂隙发育、破碎,井漏失严重,给井斜控制带来了极大困难。为确保井身质量,将井斜控制在设计范围内,本开次采用了塔式钟摆钻具组合、刚柔钻具组合、欠尺寸单扶正器钟摆钻具组合、光钻铤大钻压打快钻井技术,最终优质地完成了本开次钻井任务。该开次的顺利完钻,为安全顺利地完井奠定了坚实的基础。该技术的成功应用也为其它超深井深部地层的井斜控制提供了经验。     

气体钻井井斜机理与控制初探

气体钻井由于能有效地保护低压油气层，解决恶性井漏、压差卡钻，提高机械钻速而得到了广泛应用。然而气体钻井井斜机理方面的研究文献报道甚少，井斜机理还不十分清楚。为此，基于气体钻井井底岩石受力状况，从温度、地层各向异性、井径扩大、下部钻具组合等方面对气体钻井不可控因素和可控因素2方面对气体钻井井斜影响进行分析，认为新的岩石破碎机理和地层各向异性是影响气体钻井井斜的主要原因；气体钻井井径的扩大对钻头侧向力产生较大影响，是引起气体钻井井斜的又一因素；并对气体钻井井斜控制做了初步讨论，这将对气体钻井井斜控制及下部钻具组合设计具有一定指导意义。     

带双心钻头底部钻具组合的分析

针对使用双心钻头钻进时扩孔尺寸不理想、钻具工作不稳定、井斜趋势引起钻头工况对钻压非常敏感等问题,对底部钻具组合的受力、变形和运动状态等方面进行了分析研究表明,由于双心钻头几何设计的独特性,工作时钻头上受有不平衡力,这使得钻头切削不稳定,且影响钻柱变形。钻柱变形后,钻头相对井底偏转,偏转的方向和角度影响钻头的有效切削面积;钻柱的运动方式,即自转和公转,也影响扩孔尺寸和钻头稳定性。通过简单试验,认为钻头的不平衡力使钻具倾向公转;另外井斜、井眼弯曲也对钻具运动状态有很大影响,表现为钻具稳定性对钻压的变化非常敏感。     

元坝区块超深井钻井提速关键技术应用

元坝超深井提速受大尺寸井眼长、致密性硬地层多、同一裸眼井段压力体系多且差异大、深层地层高温、高压、高含硫等因素制约,机械钻速提高困难,钻井周期长。为此,对空气钻、个性化PDC钻头选型及井下工具、预弯曲钻具组合、钻井液体系等方面进行优化,形成了一套元坝区块超深井提速模板。现场应用表明,元坝701井通过空气钻和个性化PDC钻头实现陆相地层提速,在须家河组地层最高机械钻速达2.02 m/h。在易斜地层使用小度数螺杆的预弯曲钻具组合,相比常规钻具组合能更好释放钻压,在防斜和提速方面达到平衡。     

推靠式旋转导向钻具力学性能研究

旋转导向钻井系统在大位移井中得到广泛的应用,该项技术国内正处于研究阶段。结合国家863项目"旋转导向钻井系统整体方案设计及关键技术研究",对设计出的偏置式旋转导向钻具组合进行了力学性能的理论研究,介绍了理论模型的建立和力学性能研究的部分结果,给出了推靠式旋转导向钻具的受力状态分析、井眼曲率预测、导向稳定器运行参数、井眼曲率和方向与导向稳定器偏心距和偏心方向的关系。可以为旋转导向稳定器的设计提供理论依据。     

底部钻具组合力学特性模拟试验研究

底部钻具组合(BHA)的力学特性直接影响井身质量、钻井安全与钻速,因此,需要从理论和试验2个方面去研究BHA的力学特性,然而目前试验方面的研究很少。根据相似理论,利用底部钻柱力学装置,模拟研究了钻压和转速对井斜力、方位力、钻头合侧向力及其方向角的影响规律。结果表明:合侧向力随钻压的增大而增大,转速对合侧向力的影响较小;随钻压增大,井斜力增大,转速越大,井斜力越大;方位力随钻压增大而增大,转速对方位力的影响较小;合侧向力方向角随钻压增大而减小,随转速增大而增大。研究结果可为井斜控制机理研究和防斜打快提供理论依据。      

自动垂直钻井系统BHA力学分析的二维模型

为了指导自动垂直钻井工具的研究开发和现场应用,并且为自动垂直钻井系统底部钻具组合的优化设计提供理论依据,在充分调研自动垂直钻井系统的结构特征、工作原理的基础上,结合自动垂直钻井工具的BHA的一维力学模型,用纵横弯曲法建立了加装自动垂直钻井工具的BHA的二维力学模型,得到了自动垂直钻井系统的BHA的二维力学方程。确定了钻头和上切点处的边界条件,推导出了钻头侧向力和钻头转角的计算公式,应用建立的力学模型能准确地计算出稳定器支点的内弯矩和梁柱各点处的挠度。同时,也可计算出一定工作条件下的钻头侧向力和钻头转角,通过研究钻头侧向力和钻头转角随钻进参数的变化规律可以分析钻进参数对自动垂直钻井工具造斜能力的影响规律,为自动垂直钻井工具的现场使用提供理论依据。     

圆柱靶小半径三维绕障定向井钻井技术在萨中区块的应用

大庆油田萨中区块井网密集,为确保新钻调整井轨迹躲避老井,使定向井井眼轨迹精准命中目的层,要求钻小半径、圆柱靶区定向井。通过对剖面设计优化、钻具组合的优化、总结不同区块的地层对井眼轨迹的影响规律等一系列措施,建立起了一套较为完善的圆柱靶、小半径三维绕障定向井钻井技术,并取得了较好的钻井效果。