超声波高频旋冲钻井技术破岩效果试验研究

为了研究超声波高频旋冲钻井技术相较于常规旋转钻井技术的提速效果,以及钻进条件和参数对超声波高频旋冲破岩效率的影响规律,设计了超声波振动发生短节,搭建了超声波破岩模拟试验台,采用控制变量法和正交试验法,开展了超声波破岩提速试验及影响超声波破岩效率的试验,得到了钻压、超声波振幅、转速和钻头直径对超声波高频旋冲破岩效率的影响规律。结果表明:在实验室常规温度和压力条件下,与常规旋转破岩技术相比,超声波高频旋冲钻井技术的破岩效率更高,平均提高幅度达77.65%;影响超声波高频旋冲破岩效率的因素从大到小依次是钻压、振幅、钻头直径和转速;钻压和振幅对超声波高频旋冲破岩效率的影响显著,且振幅越大,超声波高频旋冲破岩的效率越高。研究结果表明,超声波高频旋冲钻井技术可为提高深部硬地层机械钻速提供一种新的破岩方法。      

水力旋冲钻井工具破岩影响因素模拟及应用

常规的冲击钻井工具不能满足井眼轨迹控制要求、使用寿命有限、缓解脱压不显著等问题,影响了在定向井钻井中的推广应用。建立ø215.9 mm PDC钻头和岩石的有限元模型,分析钻井参数对破岩效率的影响规律,结果表明:冲击频率为17.5 Hz和35 Hz时,破岩效率最优; 破岩效率随钻压增大而增加,而后变化逐渐平缓; 破岩效率随钻头转速增大而增加; 破岩效率随冲击载荷的增加变化平缓。据此研制了新型水力旋冲钻井工具。现场试验表明,该工具符合定向水平井“一趟钻”工艺要求,使机械钻速提高56%,使用寿命达150 h,MWD信号正常。     

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。     

液动旋冲工具的研制

为了提高PDC钻头在深井硬地层中的机械钻速,研制了液动旋冲工具。该工具能够通过钻井液提供的动力,在周向上产生高频冲击,在轴向上产生水力脉冲,使钻头的破岩方式由普通的刮削转变为机械冲击与水力脉冲相结合的破岩方式,有效提高PDC钻头在深井硬地层中的破岩效率,消除钻头的粘滑和卡钻现象。现场试验结果表明:该工具设计合理、性能可靠,操作简单,可满足直井和定向井提速需求。液动旋冲工具在大庆区块的寿命及提速指标与国外扭力冲击器相当,在辅助破岩方式及正反冲击力大小上具有一定优势。     

提高深井钻井速度的有效技术方法

在旋冲钻井技术应用的基础上,对旋冲钻井破岩特点进了描述,论述了旋冲钻井技术应用对钻头寿命的影响以及旋冲钻井工具 (液动射流式冲击器)的工作原理和室内研究,确定了旋冲钻井参数,进行了现场 6次入井试验,试验表明旋冲钻井工艺技术在深井钻井中应用,可提高机械钻速 2 0%~160%,为深井快速钻井探索出了一条有效的途径,丰富了深井钻井技术内容。     

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。      

射流冲击器配合PDC钻头在超深井中的应用

射流冲击器配合PDC钻头在超深井中应用可有效提高机械钻速。在简要介绍旋冲钻井破岩机理和射流冲击器的工作原理与性能特点之后,对应用于新疆塔河工区的YSC-178射流冲击器的技术参数进行了优化,选择冲击器活塞行程15 mm,冲锤质量45 kg,分流孔直径13 mm,确定冲击功193～268 J,冲击频率6～19 Hz,压耗1～3 MPa。最后对YSC-178射流冲击器在S116-3井的应用情况进行了详细分析,指出该型射流冲击器与PDC钻头配合进行超深井钻井提速是可行的,应用井例的机械钻速较邻井显著提高。     

螺杆驱动旋冲钻井工具设计及试验研究

为提高石油钻井破岩效率,将螺杆高速旋转与冲击器高频冲击相结合,设计了一种螺杆钻具驱动的新型机械式旋冲钻井工具。在设计旋冲钻井工具结构的基础上,建立了直井中单次冲击功、冲击频率等关键参数的计算模型,并进行了实例计算分析。计算结果表明,直井中单次冲击功仅是凸轮推程和钻压的函数,当钻柱结构确定且存在一定长度(大于500 m)的φ127.0 mm钻杆时,单次冲击功与钻压成正比关系,改变钻压可实时调整冲击功。工程样机测试表明,该工具结构设计合理,能够实现螺杆驱动钻头高速旋转和高频冲击,进一步提高工具的耐磨性能后具有良好的应用前景。      

玉北地区深部地层扭力冲击器提速工艺

新疆玉北地区古生界沙井子组地层埋深4 000 m以上,岩石强度高;加之泥质岩含量高、塑性强,地层可钻性较差,提速困难。前期实践表明,沙井子组高塑性地层牙轮钻头的纵向冲击压碎破岩效果不佳,常规PDC钻头钻井反扭矩大,易产生“黏滑”现象,破岩效率低。为提高机械钻速,降低钻井综合成本,引入了国外的新型钻井提速工具——TorkBuster扭力冲击器,并通过匹配个性化PDC钻头、提高钻井液排量、合理控制钻压等配套技术措施,大幅度地提高了平均机械钻速。“PDC钻头+螺杆钻具”、“孕镶PDC石钻头+涡轮钻具”和“PDC钻头+扭力冲击器”3种钻井工艺的现场试验结果表明,扭力冲击器提速效果明显,平均机械钻速为6.42 m/h,与前期相比机械钻速提高了2~3倍。扭力冲击器钻井克服了深井高强度塑性地层的钻井难题,可进一步推广应用。     

冲击振动钻井工具流固耦合模拟试验

深井超深井钻井过程中,旋转冲击钻井技术是解决硬岩钻速慢的有效方法之一。目前液动冲击器多采用水力能量驱动,随着井深的增加,管路水力能量损耗增大,依靠钻井液驱动的液力冲击装置同样需要消耗水力能量,使得钻头有效压降进一步降低。因此,液力驱动冲击钻井技术在深井超深井中的应用受到局限。基于钻柱振动原理,提出一种利用水力能量和钻柱振动耦合作用的新型冲击旋转钻井装置,通过建立流固耦合物理模型,运用流固耦合方法,获得入口流量、运动位移、振动频率以及入口和出口直径等对装置所产生的载荷特征影响规律。结果表明,装置所产生动载荷幅值随流量、振动位移以及振动频率的增加而增加,而静载荷仅与流量变化有关。     

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。      

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...     

直井牙轮钻头碎岩功率研究

针对国内外现用计算钻头碎岩功率的经验公式不能完全反映功率与各参数之间的定量关系的现状，在考虑牙轮钻头和岩石各向异性的基础上，首先建立了牙轮钻头与岩石碎屑间的摩擦力所消耗功率和牙轮钻头破碎岩石所消耗功率的模型，综合两模型建立了更适用直井牙轮钻头碎宕功率的模型。由此模型可知：合理增加钻压、选择合理的转速和牙轮结构能提高牙轮钻头的碎岩功率，从而达到提高机械钻速的目的。这对实际的钻探工程来说具有十分重要的指导意义。     

气动潜孔锤钎头破岩分析及工艺参数优选

为提高硬质地层气动潜孔锤的破岩效率和进尺能力,基于非线性接触动力学理论,运用ABAQUS软件建立了活塞-气动潜孔锤钎头-岩石(花岗岩)仿真模型,采用无反射边界条件,分析了冲击速度和回转速度对钎头冲击反力、侵入深度和破岩比功的影响,进而对工艺参数进行优选。分析结果表明:冲击反力峰值与冲击速度近似呈线性增加,回转速度对钎头冲击反力和钻头侵入岩石深度影响较小;钎头在冲击破岩过程中存在多次反弹,活塞第二次撞击钎头后,钎头侵入岩石深度达到最大;相同条件下,冲击回转钻进破岩速度比仅在钻压作用下回转剪切钻进速度提高3～5倍;破岩比功受冲击速度和回转速度影响较大,随着冲击速度的增加,破岩比功存在一个最优值,当钻压为25 kN时,最优工艺参数组合为冲击速度8 m/s,回转速度20 r/min。研究结果可为现场工程施工提供参考。     

沙特HWY区块HWY-116井提速技术

为提高沙特HWY区块三开直井段钻进坚硬、强研磨性地层时的机械钻速,在HWY-116井三开井段进行了液动射流冲击器旋冲钻井技术试验。根据液动射流冲击器性能参数与岩石抗钻特性参数的关系,与HWY-116井钻井设计结合,优化了钻具组合,选择了与液动射流冲击器配合的PDC钻头,优化了旋冲钻井参数,形成了适用于HWY-116井的?228.6 mm液动射流冲击器旋冲钻井提速技术。应用该提速技术后,HWY-116井三开井段机械钻速为9.40 m/h,与邻井相同井段相比提高了45.5 %。这表明,应用液动射流冲击器旋冲钻井技术可以提高沙特HWY区块坚硬、强研磨性地层的机械钻速。      

高效破岩新方法进展与应用

为了提高破岩效率,新型钻井工具和技术不断产生。为此总结和介绍了国内外最新的高效破岩方法及其应用,按高效破岩方式将其分为2类:①利用新型钻井工具提高破岩效率,包括水力脉冲空化射流发生器、新型PDC钻头与井下增压工具;②利用新型钻井技术提高破岩效率,包括控粒子钻井技术和超临界二氧化碳钻井技术。现场应用和试验研究结果表明,这些新型的钻井工具或钻井技术都能显著提高破岩效率,具有很好的应用前景。最后提出高效破岩的合理化建议,以期为我国钻井实现高效破岩提供指导。