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。     

气体钻井井斜机理分析

随着气体钻井技术的广泛应用,气体钻井过程中的井斜问题日益受到关注,但其机理研究还有所欠缺。本文结合气体钻井井斜的特殊性,从破岩机理、温度、地层因素、井径扩大、下部钻具组合运动状态等方面分析了气体钻井的井斜机理。分析结果表明：与钻井液钻井相比,井底岩石应力状态变化导致地层各向异性指数显著增加,是气体钻井容易井斜的根本原因;井径扩大以及整体钻柱所受摩阻变化影响下部钻具的运动特性,是气体钻井易井斜的重要原因。为此,提出了几点解决气体钻井井斜问题的技术思路,供气体钻井防斜进行参考。     

塔式钻具组合对气体钻井井斜影响研究

气体钻井技术由于其具有保护储层、防止井漏和大幅度提高钻井速度等优势而被广泛应用。但在实际钻井过程中暴露出一定程度的井斜不易控制问题制约着此技术的发展。为探讨塔式钻具组合对气体钻井井斜的影响,基于塔式钻具组合在钻井时的力学受力分析,建立了塔式钻具组合在气体钻井条件下的有限元静力学模型,并通过理论计算验证了其正确性。结合川西某气井实际钻井资料,进行了塔式钻具组合的防斜效果研究,探讨了井斜效果影响因素,表明其降斜能力随着井斜角和钻压的变化而变化,使用空气锤的塔式钻具组合比使用牙轮钻头的组合有更大的降斜防斜能力,为塔式钻具组合在气体钻井中的井斜控制研究和现场施工提供了理论指导。     

气体钻井地层自然造斜力计算研究

气体钻井循环介质为气体,井底压力很小,井底岩石受力状态及对井底钻头及岩石的冷却性能等差异,造成岩石破碎方式与常规钻井液钻井的差异。常规钻井液钻井中地层造斜力的求取与气体钻井必然存在差异。以岩石力学为基础,分析了气体钻井破岩机理,认为气体钻井破岩机理不同于常规钻井液钻井,井底岩石破坏方式为体积破坏;建立了气体钻井地层造斜力的计算模型,实例计算表明该模型可用于气体钻井地层造斜力的求取,     

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。     

气体钻井地层剪切应力井斜规律研究

气体钻井时因没有围压,地层的各向异性指数变化较大,使得地层造斜率与钻井液钻井时的地层造斜率有所不同.为了更好地理解气体钻井井斜规律,利用有限元理论,建立了不同钻井方式下的岩石力学模型,在考虑不同地层倾角和不同循环介质影响的基础上进行井底岩石剪切应力计算,分析出气体钻井井斜规律.计算结果表明:在相同的工程和地质条件下,气体钻井时地层造斜力远大于钻井液钻井的几率约为35%,气体钻井更易发生井斜,而小于或等于30.地层倾角钻井时井眼轨迹偏向垂直于地层倾斜面的方向;45.地层倾角钻井时井斜趋势不明显;大于或等于60.地层倾角钻井时井眼轨迹偏向平行于地层倾斜面的方向.     

新型铰接式钻具组合的研究与应用

针对目前钟摆钻具和满眼钻具在大倾角地层、自然造斜力较强地区,其防、纠斜效果不尽人意的现实,提出了一种新型铰接式直井防、纠斜钻具,建立了该钻具组合的力学模型,阐述了其防、纠斜机理。详细分析了若干钻具结构参数和钻井参数对钻头侧向力的影响,并将其钻头侧向降斜力与钟摆钻具加以对比。通过现场试验表明,该钻具组合在大倾角硬地层正常加压快速纠斜钻进中,降斜效果明显,机械钻速达到了正常钻进速度,为易斜区防斜打直提供了一种新的钻具组合类型,发展了防斜钻井技术,对加速油田勘探开发具有重要意义。     

逆掩推覆体防斜打快钻具组合探索与认识

逆掩推覆体地层具有斜、硬、跳、磨、变等特点,常规的钟摆降斜钻具既不能使用大钻压加快钻井速度,又不能有效地控制井斜,在坚硬的地层中只能轻压吊打,严重制约了钻井速度,增加了钻探成本。为加快窿9井在逆掩推覆体地层中的钻进速度、控制井斜,探索性地应用了多稳定器稳斜钻具和MWD +导向钻具、偏轴钻具和悬浮钻井,结果表明,3种钻具组合都能够达到解放钻压,提高机械钻速的目的,但控制井斜的效果不太理想。分析了井斜控制不理想的原因,提出了利用地层自然造斜规律,通过钻定向井来解决逆掩推覆体地层钻井速度慢的难题。     

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随着油气田勘探开发工作的不断深入，所钻遇的地层构造越来越复杂，对地质中靶的要求也越来超高，特别是高陡构造的防斜打快问题更是钻井技术小的难点和重点。传统的满眼钻具组合和钟摆钻具组合只是以钻具侧向力作为井斜控制的理论依据，具有较大的局限性。发展中的偏心钻具、偏轴钻具、柔性钻具、反钟摆钻具、导向钻具等防斜技术，在有效地控制钻具侧向力的基础上，增强了钻柱的公转效应，削弱了钻头倾角的增斜作用，可以较好地控制井斜、提高机械钻速。但是，钻具组合的内在力学性质决定了它们仍然没有抵抗地层造斜力的功能，因此对于高陡构造和强造斜地层，其井斜控制效果仍难以得到充分的保证。要从根本上解决防斜打快问题，除了有效地控制钻具侧向力和钻头倾角之外，还必须具有足够的抵抗地层造斜力的能力。只有同时考虑这三方面的因素，并使之相互协调，才能真正地解决高陡构造和强造斜地层的防斜打快问题。     

VTK垂直钻井系统在龙深1井钻井中的应用

龙深1在钻遇推覆体地层时，地层倾角变化大，自然造斜能力强，采用塔式钻具、钟摆钻具、大尺寸PDC钻头等多种防斜技术，其结果是井斜控制十分困难、钻井速度极慢；利用弯螺杆＋转盘钻井复合技术，虽然钻井速度有一定的提高，但仍不能达到提速的目的。为提高机械钻速，引进贝克休斯的VTK垂直钻井技术，它是由AUTOTRAK（闭环旋转导向系统）、高性能X-TREME马达、可靠的MWD三种技术开发出来的一种闭环自动垂直钻井技术，能够根据井眼的偏斜，经井下微处理器分析判断，使导向稳定地靠近井眼高边方向导向肋板伸出顶向上井壁，这样使钻头产生合理的降斜力，从而使井眼回到垂直轨道上来。现场应用表明：该技术较好地解决了钻井提速工作中井斜与钻压之间的矛盾，使钻井效率明显提高；为充分发挥该技术的作用，需要选择合适的钻头类型和合理的钻井液性能     

Study of a Mechanism for Well Deviation in Air Drilling and Its Control

Abstract

Air drilling applied in an oilfield of western China shows its advantages in enhancing the rate of penetration (ROP) and oil reservoir protection. However, wells deviate more severely in air drilling than in mud drilling, which constrains the its application. The main factors resulting in well deviation are bottom hole assembly (BHA) and formation. This article analyzes these two factors in air drilling. The analysis shows that there is no significant difference in the behavior of BHA during air drilling and during mud drilling. BHA is not the critical factor that results in more serious well deviation in air drilling. The fundamental reason is that the bottom hole formation character changes in air drilling. Air replacing mud in a bore hole would lead to redistribution of bottom hole stress. Greater anisotropy index of formation in air drilling leads to more serious well deviation, and the increasing invasion depth of bit teeth in air drilling aggravates the well deviation. This article will analyze the above changes quantitatively by describing rock failure of anisotropy formation in air drilling. Based on the mechanism of well deviation, two types of BHA are recommended: air hammer and pendulum assembly with air motor, which have been proven as effective measures of controlling deviation in air drilling in Tarim oilfield.     

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。     

预弯曲动力学防斜打快钻具组合动力学模型

建立了预弯曲动力学防斜打快钻具组合的动力学模型,对其动力学特性进行的仿真研究。结果表明,这种模型可以较好地反映出钻具组合在井下的涡动轨迹、涡动速度和涡动方向,同时能近似地计算出这种钻具组合的动态相对防斜力大小。钻具组合的涡动使得钻头对下井壁的动态侧向冲击力明显大于对上井壁的动态冲击力,从而使钻头具有较大的动态防斜力。通过合理设计结构参数和施工参数,可以有效地改善预弯曲动力学防斜打快钻具组合的涡动特征,从而使这种钻具组合具有较好的防斜效果。预弯曲动力学防斜打快技术的使用钻压比钟摆极限钻压提高50%以上,相应地提高了机械钻速。     

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。     

预弯钟摆BHA在不同钻井介质中的动力学特征及其应用

带预弯结构的钟摆钻具组合（简称预弯钟摆BHA）既可适用于气体钻井,也适用于泥浆钻井,并在直井控斜、提速方面得到了较好的应用。但在不同钻井介质中,预弯钟摆BHA的应用效果体现出了较大的差异。从动力学角度出发研究钻井介质对预弯钟摆BHA力学特性的影响鲜有报道。通过研究钻井液附加质量引起的非线性惯性力及流体阻力特征,分析了气体钻井和泥浆钻井中预弯钟摆BHA动力学模型的差异。基于旋转Rayleigh梁模型,推导了预弯钟摆BHA钻头上的动态侧向力和动态轴向力,研究在不同钻井介质中预弯钟摆BHA的运动特征及受力特征,分析其对实际钻井的控斜、提速效果的影响,并研究了弯角大小对不同介质中预弯钟摆BHA的动力学特征的影响规律。结果表明,预弯钟摆BHA在不同钻井介质中的动态特征差异显著,气体钻井中的运动特征更为稳定,动态侧向力和轴向力较高;不同介质中的弯角影响规律有其各自的特点,在现场实际应用中,应根据需要进行合理的选择。     

大庆油田气体钻井配套技术及应用

针对深部地层机械钻速慢、中浅层"三低"储层开发动用难等问题,大庆油田开展了气体钻井配套技术研究及实践。通过配套湿度和注气参数等监测装备、判别水层、计算地层出水量、优化钻具组合及钻井参数、采用"内喷外侵"气液转换工艺,解决了地层出水引起的复杂情况、易发生井斜、井壁失稳等问题,形成了一套适用于大庆油田深层泥页岩地层的气体钻井配套技术,实现了在泥页岩地层出水情况下安全钻进。大庆油田27口深井应用该配套技术后,钻井速度提高4倍以上,钻井周期缩短15 d以上;8口中浅井应用该配套技术,在不采取压裂增产措施的情况下,单井产量提高2 t/d以上。这表明气体钻井技术是深层提速及中浅储层保护可行的技术,为大庆油田加快勘探开发进程提供了新的技术手段。      

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通过有限元分析方法，建立了带偏轴接头下部钻具组合的动力学方程，在处理相应的边界条件后，对带偏轴接头的下部钻具组合的钻头侧向力随时间变化的趋势和钻具任意截面的运动轨迹进行了全面的动态仿真研究，讨论了钻具的结构参数（偏轴距）、钻井参数（钻压、转速）对钻头侧向力和下部钻具在井内运动形态的影响，根据仿真结果判断带偏轴接头下部钻具组合的防斜效果，并提出为达到好的防斜效果所需的钻具结构参数和钻井参数。计算结果表明，由于偏轴接头的存在，带偏轴接头下部钻具组合的公转趋势增强，钻头无稳定的指向，这是偏轴钻柱能够防斜的重要原因。偏轴接头偏轴距的大小、转盘转速对偏轴钻柱防斜效果的影响较大，而钻压对防斜效果影响较小，因而可以通过增加钻压来提高机械钻速，达到既防斜又提高机械钻速的目的。     

预弯曲动力学防斜快钻技术的试验研究

预弯曲动力学防斜打快钻井技术主要利用预弯曲动力学防斜打快钻具组合在井眼中的涡动特征，在钻头上形成一个远大于钟摆降斜力的防斜力，从而使井眼保持垂直。预弯曲动力学防斜打快钻具组合是一种带预弯曲结构的特种钻具组合，钻进时，其在井眼内形成特定的涡动轨迹，引起钻具组合以较大的不平衡几率向下井壁方向振动，从而实现向下井壁的冲击力。常规钟摆和满眼钻具组合的工作原理都是力求钻具组合发生尽可能小的变形，减小钻具组合因变形引起的增斜力。预弯曲动力学防斜打快钻具组合在胜利油田史138-6井进行的试验表明，这种方法具有很好的防斜打快效果。与邻井常规钟摆钻具组合相比，这种钻具组合的钻压提高50％以上，机械钻速则提高120％。文中给出了钻压和转速对预弯曲动力学防斜打快钻具组合防斜力的影响规律。     

鄂尔多斯盆地超低渗气藏钻井技术难点与对策

针对鄂尔多斯盆地超低渗气藏开发井地层古老、砂砾岩及石英砂岩可钻性差、研磨性强、夹层多、非均质性强、有效应力高、井斜、井漏、井壁失稳、井喷、卡钻、跳钻等地层特性与井下复杂情况,从地质和工程2个因素分析了钻井过程中面临的技术难点,提出了优化钻具组合、优选钻头类型、优选钻井液、优化气层保护完井液、钻具失效预防等技术对策与措施。现场应用结果表明,有效地解决了鄂尔多斯盆地山西组开发井的钻井难题,使该井实际钻井周期缩短30%,机械钻速提高10%,为鄂尔多斯盆地超低渗气藏开发井的有效钻进和储层保护提供了技术参考。