井眼防碰监测中的风险信号特征识别

随着海上加密钻井技术的广泛应用,井眼碰撞风险也急剧增加。为保证海洋石油资源的安全、环保开发,确保钻井施工的顺利进行,提出一种基于检测钻头运动诱发的振动信号识别井眼趋近生产井套管的方法,并在多口防碰风险很高的钻井施工中应用,取得满意的效果。以南海油田某区块W6H井实施的钻井防碰监测为例,对现场监测过程中不同工况下的信号特征进行识别,对风险信号特点进行了归纳,为防碰监测系统的改进和防碰工艺技术的不断完善提供实践与技术支撑。     

海上多平台井眼防碰监测系统设计

为了弥补常规的井眼防碰技术存在的实时性不强等不足,同时确保多平台加密调整井的安全,研制了基于无线数据传输的海上多平台井眼防碰监测系统。该系统通过传感器检测钻头破岩振动波传至邻井套管头的信号,无线数据传输装置发射和接收多平台套管头振动信号,由计算机软件处理获取防碰预警信息。有线传输与无线传输试验结果对比表明,2种方式下信号的特征基本一致,证明无线数据传输具有高保真性,不影响监测的实时性。模拟试验结果表明,系统在海湾地区相距2.4 km处仍能传递高质量的振动信号,满足多平台井眼防碰监测要求。     

小波包变换在井眼防碰振动信号处理中的应用

随着海上油气田加密井调整开发技术应用越来越普遍,钻井过程中井眼碰撞的风险也成了一个不容忽视的问题。在采用钻头振动波方法进行丛式井防碰监测时,将小波分析应用于复杂环境下钻头振动信号的特征提取。采用小波包对信号的各频带进行分解,将信号分解成不同尺度域,得到信号在不同频带内的能量分布特性,通过能量大小对比分析,得出了振动特征显著的4个尺度。对特征尺度进行功率谱分析发现,其信号幅值和能量集中在200～300 Hz范围内;当钻头趋近邻井套管时,信号特征分量发生显著变化,为防碰信号处理提供了新的思路。     

套管头振动信号特征应用于油井防碰监测的可行性分析

提出了一种井间防碰监测的新方法,即利用在风险井套管头上安装的传感器监测由套管传输到地面的钻头振动信号,分析振动波在地层和风险井套管中的传播规律,进而预测钻头是否趋近风险井套管,并评估钻头距风险井套管间的相对距离。分析结果表明:在钻井钻头振动诱发的风险井套管头振动信号存在一个特征频率段,在钻井钻头破岩诱发的风险井套管头振动信号特征与在钻井钻头距风险井套管间的距离有明确的对应关系,因此利用风险井套管头振动信号预测在钻井钻头趋近的方法对加密调整井进行防碰监测,这在技术思路上是可行的。     

基于振动波原理的钻井防碰监测及预警技术

为了防止丛式钻井碰撞事故的发生,设计了丛式钻井防碰监测及预警系统。系统利用振动波在地层中的传播规律和特点,研发出根据振动信号的变化来预测钻头是否趋近或碰撞风险邻井的办法,并开发出相应的软、硬件设备。在渤海油田的现场应用证明,浅层钻井防碰监测及预警效果良好,可有效提高丛式井钻井效率。     

基于经验模态分解的井眼防碰特征信号识别

在采用钻头振动波方法进行丛式井防碰监测时,为了准确识别井下钻头振动信号,将Hil-bert-Huang变换中的经验模态分解(EMD)应用于钻头信号的特征提取。采用EMD方法可将复杂环境下的钻头振动加速度信号分解成固有模态分量,通过分析各分量的归一化峭度及能量分布,得到包含钻头冲击振动特征的4个IMF分量;对相应的特征IMF分量进行功率谱分析,得到钻头钻进时特征信号的频域范围。当钻头趋近邻井套管时,信号特征分量将发生显著变化,通过海上丛式井防碰的现场试验数据分析验证了该方法的有效性。     

井眼防碰技术存在的问题及主动防碰方法探讨

意外的井眼交碰会为人类及环境带来潜在的甚至灾难性的后果,为减小此类事故的发生提出了井眼防碰技术,该技术在钻井应用中效果较差。结合井眼轨迹测量及计算理论与实践,对现有防碰技术进行了分析,得出导致井眼防碰工作失败的因素包括施工井随钻测斜数据存在误差,邻井轨迹参数精度低、失真或缺失,轨迹拟合方法过于理想化,防碰扫描方法存在缺陷等4方面。基于低精度的数据,过于理想化的轨迹拟合方法拟合出的井眼轨迹偏离实钻井眼轨迹,防碰扫描出的失真的轨迹间的相对关系难以等同于实钻轨迹间的相对关系。为此,提出了主动防碰理念, 认为主动防碰方法将成为未来井眼防碰技术的发展方向,并列举了3种可能解决防碰问题的主动防碰方案,即声波探测防碰技术方案、电磁波探测防碰技术方案、射线探测防碰技术方案,并就这几种方法的原理及优劣性进行了介绍。     

基于球面波传播理论的钻头趋近邻井防碰预测模型

为实现丛式井地面防碰监测预警系统有效预测正钻井与邻井间距离的功能,建立了钻头趋近邻井防碰预测模型。该模型依据弹性波的球面扩散和衰减吸收理论,通过分析实测数据的幅值衰减规律而建立。利用该模型,通过地面实时监测、分析、计算风险邻井套管的振动信号特征,可求取钻头与邻井套管的距离,识别钻头碰撞邻井井筒的可能性并及时预警。根据渤海某油田的防碰监测数据,用所建模型计算出了监测井段钻头与邻井套管的距离;对比测井数据计算的井眼扫描距离和模型计算结果发现,利用该预测模型求解的钻头与邻井间的距离与测井数据得到的井间距离有明确的对应关系,表明所建模型可以作为丛式井地面防碰监测预警系统预测井间距离的一种计算方式。      

齿柱式PDC钻头的孔间防碰研究

通过对现有齿柱式ＰＤＣ钻头上轴孔的排列情况进行分析，提出了孔间不碰条件，推导了防碰计算公式，为ＰＤＣ钻头计算机辅助设计提供了理论依据。     

PDC钻头流场数值仿真与水力结构优化

针对φ311.15mm(121/4英寸)井眼采用复合钻进时存在的岩屑量大,钻头处存在重复破碎等问题,在前人研究的基础上,对某区块常用的φ311.15mmPDC钻头进行了水力结构分析与优化。通过数值模拟,得到了钻头表面速度矢量图、喷嘴中心剖面速度矢量图及刀翼表面速度矢量图,并在此基础上确定了水力结构优化方案。仿真结果表明,改进后涡心与射流区的距离增加,漩涡边界流体切入到漫流层中并附壁上返,漩涡强度减弱,漫流区厚度与速度增加,携岩能力提高,清洗与冷却能力增强。     

套管螺旋钻机钻头控向系统的研究

鉴于在役套管螺旋钻机均无控向装置,管线敷设中常因穿越套管偏斜而无法施工的状况,研制了套管螺旋钻机钻头控向系统。该系统利用水平和垂直方向的铰接形成联轴器,以确保钻头的自由转动和偏移;采用水平和垂直传感器,将钻头相对初始值产生的偏移量变成电位量,传至操作面,由转换器将电信号通过液压伺服机械传至液压缸,对钻头进行实时监控。现场使用情况表明,带套管钻孔水平偏斜量小于1%,垂直偏斜量小于0·5%,符合管道穿越工程设计规范。     

变频调速恒钻压自动送钻系统

针对手动送钻和电磁阀控制刹车恒钻压自动送钻的不足,开发了变频调速恒钻压自动送钻系统,该系统采用电动机反拖实现钻进时钻压恒定。在详细讨论送钻过程钻压变化简化数学模型的基础上,给出恒钻压自动送钻系统的数字模型。采用西门子变频器和变频电动机建立了变频调速恒钻压自动送钻系统的配置,现场实际调试达到了设计要求。     

冲旋钻头边齿力学分析及倾角设计

文章通过对钻头边齿的力学分析,找出了危险点。明确了牙齿最可能的破坏不是受压或受拉破坏,而是剪切破坏。分析了危险点的应力与钻头边齿倾角的关系,确定了合理的边齿倾角设计范围是30°～45°。在冲击力较小的情况下可放宽到20°～50°;在冲击力较大的情况下可缩小到35°～40°,为科学设计冲旋钻头边齿倾角提供了理论依据。初步实验结果表明,按照上述准则设计的冲旋钻头寿命得到了有效地提高。     

钻头机械能对深水钻井井筒温度场的影响分析

从影响深水钻井井筒温度分布的因素出发,在常规钻井井筒温度计算理论和模型的基础上,应用能量守恒方法,建立了深水钻井井筒温度预测模型,综合考虑了钻头机械能破岩生热、钻井液循环摩阻生热等诸多热源对钻井液温度场的影响。结果表明,钻头机械能在破岩过程中产生的热量流入地层岩石,钻井液在井底携岩过程中温度产生了瞬时波动,温度波动范围为2～4℃,钻头机械能是研究深水钻井井筒温度场不可忽略的一部分。所建模型的求解结果与实测结果相比,最大误差小于5%,证明该模型具有较高的精度。     

抽吸式微取心PDC钻头的研究与应用

常规PDC钻头切削产生的粉状或片状岩屑颗粒不便于地质录井,对此提出了一种新型抽吸式微取心PDC钻头。该抽吸式微取心PDC钻头取消了常规PDC钻头心部的主切削齿,设置特殊的水力结构,使钻头心部在钻进过程中形成一定直径的竖直岩心并适时折断,通过负压抽吸作用将断的微岩心从钻头体内部流道带离井底。结合破岩仿真与液固两相流理论,研究了在岩心、岩屑与钻井液混合流动的流场中,射流喷嘴直径的大小对取心通道中抽吸效果的影响规律。数值模拟结果表明,对于拟定条件下钻头直径为215.9 mm的微取心PDC钻头,当射流喷嘴直径为8 mm时,从排心孔排出的岩心、岩屑和钻井液的质量较高,其负压腔的抽吸效果较好。室内及现场试验表明:采集的岩心以柱状为主,岩心完整性和采集率高;在磨溪111井位嘉陵江组二段3亚段至长兴组上部地层,获总进尺805.65 m,平均机械钻速为4.57 m/h,最高机械钻速可达7.4 m/h;该钻头在嘉陵江组二段3亚段至飞仙关组一段(总进尺742 m)的机械钻速比该区块同层位的其他常规PDC钻头高出了50%以上。     

井下振动测量、分析原理研究

为了揭示钻头、钻柱系统的复杂振动现象,摸清井下工具的工作动态,避免异常振动带来的损害,必须进行井下振动测量工具的开发和应用。在多坐标系钻柱运动分析模型的基础上,建立了井下振动的运动和测量方程,证明通过安装三轴加速度计可以进行多种形式的井下振动测量和分析,并且给出跳钻、黏滑、横向振动（冲击）和涡动等异常振动情况判断分析方法,为井下振动测量工具的开发及井下振动分析发展提供理论支持。     

流花油田地层岩石力学参数评价及钻头选型技术

钻头的合理选型对提高钻进速度、降低钻井成本起着重要作用。应用改进的经济效益指数法对流花LH11-1区块的钻头使用效果进行了评价,结合地层岩石力学参数评价结果优选出了与流花LH11-1区块地层相适应的钻头型号。改进的经济效益指数法考虑了钻头磨损的影响,从而使评价结果更加客观合理。由于没有搜集到按垂深进行地层划分的数据,提出了按照地层岩石力学性质进行地层分层的新方法,该地层分层方法首先将地层的多种岩石力学性质进行聚类分析,然后根据层内离差平方和最小,层间离差平方和最大的原理进行地层划分,此种地层划分方法对于钻头优选、钻进参数优化以及合理制定钻进措施等具有重要意义。现场应用结果表明,文中给出的钻头选型结果和地层分层方法是合理的,能够在大位移井中应用。     

稠油出砂监测系统设计及实验室评价

出砂监测方法主要有声测法和ER法。声测法主要应用于气井出砂和稀油出砂的监测中,ER法则存在寿命短、监测延迟等问题。为此,研制开发了稠油出砂监测系统。该系统利用加速度传感器采集砂粒撞击引发的高频振动信号,并通过专门的计算机软件对出砂振动信号进行时域分析、频域分析。在实验室条件下模拟了一定粘度原油在不同含砂量条件下的信号特征。试验结果表明,稠油出砂监测系统在原油粘度100 mPa.s以上、含砂质量分数超过0.05%、砂样粒度大于100目时,能够明确感知出砂量的变化;在砂样粒度、携砂流速等固定的条件下,随着含砂量的增加,出砂振动信号的均方根值、功率谱幅值、方差值等信号特征值不断增大且规律明显,验证了系统的可行性。