微波破岩井下环境建模及多场耦合分析

当前微波破岩研究多为微观层面,基于理想谐振腔模型,这与实际石油钻井应用中的井下微波破岩情况有比较大的差别,已有的规律和认识很难直接指导实际应用。为此,以?215.9mm(■in)空气微波钻井为载体,建立了微波破岩井下环境宏观模型,充分考虑井下环境因素影响,以电磁场-传热场-受力场多场耦合的方式模拟微波在岩石中的传播衰减、热量转化及对岩石的受力影响,使仿真的破岩效果更加接近真实情况。研究结果表明:在井下环境中,微波存在传播衰减和入射岩石表面时的反射损耗,造成微波能量无法全部作用于井底岩石,降低了微波的能量利用率;岩石强度弱化形式主要为受拉破坏,这种形式受到井底围压变化的影响很大;在微波钻井设计中,要充分考虑微波对岩石的作用效率及井底围压影响,适当调整微波照射参数,以实现更加经济高效的破岩。研究结果可为微波破岩技术应用于实际钻井工程提供理论依据。     

温度压力对岩石可钻性和破岩效率影响实验

破岩效率低是深层超深层钻井面临的主要难题之一,受深部地层温度、压力影响,深层超深层钻头破岩效率与浅层钻井有较大差异。基于高温高压钻井模拟装置,测试分析了温度、压力对岩石等效可钻性级值的影响,通过温度20、150、300 ℃,围压25、50 MPa环境下钻头破岩实验,开展了破岩效率影响因素敏感性分析。实验结果显示:在温度、压力单因素作用下,花岗岩等效可钻性级值随温度升高而降低,随压力增加而升高;温度、压力耦合作用下,压力因素对花岗岩等效可钻性级值的影响大于温度因素,花岗岩等效可钻性级值升高1~2级。在20~300 ℃,钻头破岩效率均随温度的升高而增加,高钻压(800 N)下破岩效率对温度敏感性升高,高转速(50 r/min)下破岩效率对温度敏感性降低;在0~50 MPa围压范围,钻头破岩效率均随围压的升高而降低;在温度150 ℃、围压50 MPa环境下,破岩效率与钻压、转速正相关,且与转速近似呈线性关系,钻压、转速对破岩效率的敏感性大于温度、围压对破岩效率的敏感性。综合以上分析可知,高温高压地层钻井时,基于岩石可钻性级值优选或设计钻头时,应考虑温度、压力的影响,同时通过强化钻井参数,可经济有效地提升钻头破岩效率。     

PDC钻头复合冲击井下破岩特性模拟研究

为对比各种冲击钻井技术的破岩效果，利用ABAQUS/Explicit模块建立PDC单齿-岩石冲击模型，研究PDC单齿在无冲击、轴向冲击、扭向冲击和复合冲击作用下的破岩特性，再进一步对影响复合冲击性能的因素进行分析。分析结果表明：在其他条件相同的条件下，复合冲击下的破岩比功相较于无冲击降低了28%,较轴向冲击降低了7%,以复合冲击破岩方式破岩效率最高；岩石在复合冲击作用条件下，钻压对PDC齿破岩效率影响较大，且存在明显差异，增大钻压有利于破碎岩石；转速对复合冲击破岩效率存在一个临界值，未达到这个值时，增大转速反而会降低PDC齿的破岩效率。所得结论可为复合冲击钻井工具选择合适的钻压和转速提供理论依据。     

井底围压对高压水射流的影响规律研究

随着油气资源开发的不断深入,井底围压对高压水射流的影响问题越来越突出.为了对比研究井下围压及地面模拟围压条件下高压水射流破岩性能,通过试验研究了高压水射流在井下真实围压条件与3种地面模拟条件下的破岩能力,并研究了锥形喷嘴、直旋混合喷嘴和空化射流喷嘴的破岩效率.研究结果表明:在650 m深的井底,围压约6.45 MPa,...     

复合冲击频率配合特性模拟研究

目前,对于传统的轴向冲击破岩和扭力冲击破岩机理的研究较多,而复合冲击钻井破岩机理的研究正处于起步阶段,且现有的研究成果极少。鉴于此,利用ABAQUS动力学冲击模块计算平台建立了PDC钻头单齿-岩石相互作用的动力冲击数值模型,考虑切削齿在钻压、转速、交变冲击扭矩和交变轴向冲击力等多个载荷的共同作用下,分析了复合冲击破岩方式、轴向冲击和扭向冲击频率配合方式、钻压等几个因素对复合冲击破岩效果的影响。研究结果表明:岩石单元内部拉应力与压应力破坏区域交替分布;冲击条件相同,且在轴向冲击频率为扭向冲击频率的1/2时,岩石破碎效率最高;如果冲击频率太小,而不能及时有效地破碎钻遇岩石,即发生黏滑振动;如果冲击频率太大,载荷作用时间太短,则破岩过程中冲击能量无法及时分配,冲击力微弱,因此,复合冲击频率配合数量关系存在一个冲击频率极值。复合冲击钻井技术破岩机理的研究为新型钻井工具的进一步开发和优化改进奠定了理论基础。     

负压脉冲射流辅助钻井模拟试验研究

负压脉冲射流是以负压脉动为特征的非连续射流。通过在钻头上部使用负压脉冲射流调制器，使井底压力产生负压脉动，能够瞬间减小井底岩石上的压持效应，降低岩石的抗破碎强度．从而达到提高机械钻速的目的。利用中围压模拟钻进试验系统进行了负压脉冲射流辅助钻进效果试验。通过在天然砂岩岩心中钻进，考察了负压脉动值、围压对负压脉冲射流辅助钻井钻速的影响。试验结果表明。随着脉动负压值的增加。负压脉冲射流辅助破岩钻进速度线性增大；围压对负压脉冲射流辅助钻井钻速的影响较常规钻井小；与常规钻井相比。室内模拟钻井试验条件下负压脉冲射流辅助钻井可以使钻速提高0．7～3.0倍。     

水力机械联合破岩主要配合参数的实验研究

为提高钻井速度,掌握水力机械联合破岩规律,开展了水力机械联合破岩主要配合参数的实验研究。利用水力机械联合破岩实验装置,模拟井底实际钻进工况,得出了不同破岩方式、射流相对于齿的位置、射流与齿间距和围压4个参数对联合破岩效果的影响规律。研究结果表明:水力机械联合破岩工作方式要优于单射流或单钻齿工作方式;射流在齿后喷射的破岩效果要优于射流在齿前喷射的破岩效果;其它参数一定的情况下,随着围压的增大,联合破岩效果降低,但降低的幅度逐渐变小;增加射流压力,也将增大水力机械联合破岩效果;当射流与齿间距大于3 mm时,随着射流与齿间距的增大,联合破岩效果越差。     

高温射流井底流场与参数影响分析

高温射流钻井过程中,高温流体在上返时易引起上部井壁岩石的裂解垮塌和钻柱持续高温,为实现安全高效钻井,提出了通过钻柱侧向注冷水的环空冷却方案,研究了射流速度、射流温度和冷水速度等参数对环空冷却效果的影响。研究结果表明:随着射流速度的增加,环空平均温度对射流速度的变化敏感性越来越弱,同时环空平均温度与射流温度呈线性关系。冷水速度存在某一临界值,该临界值与射流速度和井眼直径等因素有关,当冷水速度大于临界值时,既能够保证高温流体对井底的破岩效果,又可以对环空进行较好地冷却。研究中,临界值为射流速度的70%80%,高温射流与冷却水的临界流量比为0.91,且随井筒尺寸的增加而增大。高温射流破岩的能量利用率高,在深井硬地层中采用非接触式破岩可提高钻井速度。在实际较软地层钻井过程中,两侧冷却条件下的高温射流方案在需要进行扩眼钻进的地层具有一定的适用性。     

超深层井底应力环境下PDC单齿破岩机理研究

为了提高深部地层钻井机械钻速,结合高温高压条件下岩石的特性进行了室内试验,研究了超深层井底应力环境下PDC钻头切削齿破岩机理和PDC切削齿几何参数(前倾角)对钻进效果的影响,同时进行高温高压敏感性分析并对作业参数进行了优选。研究结果表明:在高温高压条件下前倾角对岩石破碎规律的影响与常温常压基本一致,前倾角20°左右时破岩效果最好;在高围压环境下,钻进速度随着温度的升高而增加,当钻压较小时,钻进速度增大趋势较缓,当钻压超过某一值后,钻进速度随温度的升高显著增加;高温高压条件下岩石的破碎规律与常温常压下基本相同,钻进速度随钻压及转速的增大而增加,但是增加幅度变小。研究结果可为钻头结构和钻进参数的进一步优化设计提供一定的指导。     

岩石内部高压电脉冲等离子体通道生成机理

高压电脉冲钻井技术具有破岩效率高、井壁质量好等优点，是一种新型破岩方法。为研究岩石内部孔隙特性对其局部电击穿的影响，构建了多孔隙随机分布的多物理场耦合岩石电击穿二维数值模型，从电路场、电流场、击穿场和温度场耦合的角度实现了多孔隙岩石内部高压电脉冲等离子体通道生成及破岩全过程，主要研究了孔隙特征(即孔隙率、孔径大小和孔隙介质)和电极间距对岩石局部电击穿(即岩石内部等离子体形成)的影响规律。数值研究发现，岩石孔隙对电脉冲破岩效率影响较大，当孔隙内介质为空气时，孔隙发生电击穿，等离子体通道贯穿孔隙；当孔隙内介质为水时，孔隙没有被电击穿，等离子体通道沿着孔隙表面延展；随着孔隙率增大，电脉冲的破岩效果逐渐增强；随着孔隙介质水/气比值减小，等离子体通道生成时间减小，电脉冲破岩的效果逐渐加强；随着电极间距的增大，岩石电击穿时刻逐渐减小，岩石内部“电损伤”区域面积减小。通过开展电击穿破岩的室内实验，再现了电脉冲破岩过程及岩石内部等离子通道形态，电击穿实验结果和仿真试验结果相符合。     

油井水泥石在围压作用下的力学形变行为

目前在单轴条件下研究油井水泥石力学行为通常忽略了井下情况环境对水泥石力学行为的影响，认为凝固后的油井水泥石是非均质脆性体，且在受力超过水泥石屈服极限时瞬间脆裂将会引起井下水泥环层间密封性能失效，但水泥环在井下的实际力学形变能力却受到温度和压力的影响，笼统认为油井水泥石是单纯的脆性材料具有一定的片面性。针对此种情况进行了实验研究，采用美国GCTS公司三轴岩石力学测试系统RTR 100研究了油井水泥石在围压作用下的力学形变行为。实验结果表明，单轴受力下水泥石为典型的脆性材料特征，而围压作用下水泥石破坏前为一定的塑性形变行为，特别是在高围压作用下塑性形变效应更明显；在围压作用下油井水泥石为脆塑性材料力学形变特征。     

围压条件下PDC钻头不同齿形的破岩实验研究

为了解决塔里木油田泥页岩地层钻速低的难题，提高ＰＤＣ钻头的破岩效果，研究了围压及ＰＤＣ钻头齿形对破岩效果的影响规律。利用深井破岩试验装置，模拟了井深０￣５ｋｍ的压力条件，进行了ＰＤＣ单齿破岩室内试验。结果表明，切削齿形不同，其破岩效果不同，楔形齿的破碎比功最小，圆齿的破碎比功最大。此外，试验还显示出随围压的增加，破岩效率下降；增大吃入深度，可降低破碎比功。     

高压水射流井底切槽应力卸载特性

深井/超深井岩石应力大造成的岩石强度升高是导致钻头磨损快、钻井效率低的主要原因之一。高压水射流技术由于可以大幅度提高机械钻速而被广泛应用于钻井工程领域。传统高压水射流破岩理论认为水射流能够起到清岩和辅助破岩的作用,但水射流形成的凹槽对井底岩石应力状态分布的影响一直没有引起足够的重视。结合钻头与高压水射流联合破岩过程,提出了高压水射流井底切槽应力卸载方法。基于Biot多孔弹性力学理论,建立了深部岩层物理模型,分析了不同井深、地应力状态、井底压差条件下岩石有效应力的分布形态和切槽应力的卸载程度;结合不同围压条件下花岗岩的力学特性,使用自定义岩石抗压强度函数分析了井底切槽对岩石强度分布特征的影响规律。研究结果表明:随着井深的增加,应力卸载效率不断升高,井底轴线处有效应力卸载效率在70 %以上,井底周围有效应力卸载效率约为50 %;钻井液压力的升高减小了应力卸载效率,且井底轴线处应力卸载效率受钻井液压力的影响较大;水射流切槽显著降低了井底轴线处岩石的强度,卸载效率达50 %以上,井底周围岩石强度卸载效率约为30 %;井底凹槽的存在释放了岩石的有效应力,并将井底岩石应力集中于区域推离切削面,从而降低了钻头作用区域的应力值,在一定程度上降低了岩石的强度,进而提高机械钻速。     

复杂载荷下深层脆性页岩力学性能及破坏规律实验研究

四川自贡、泸州等区块深层页岩硬度高、脆性强、层理缝发育,水平钻井过程中井下阻卡、溢流等事故频发。针对该问题,通过开展深层脆性页岩钻井液封堵性实验及不同卸载围压速度下力学性能实验,研究了钻井液的封堵性及起钻速度对脆性页岩力学性能的影响及页岩破坏规律。实验结果表明:钻井液封堵性对深层脆性页岩强度和弹性模量具有明显影响,封堵性好时,页岩抗压强度可达350 MPa,弹性模量为16 000 MPa;封堵性差时,页岩抗压强度仅为40 MPa,弹性模量为6 000 MPa;围压卸载速度越快,脆性页岩越容易发生破坏,即起钻速度过快会导致井底有效液柱压力降低,引发井壁岩石崩落;井底压力环境下页岩多为沿层理裂缝发生破裂。该研究解释了复杂工况下深层脆性页岩力学性能及破坏规律,为现场制订防塌工艺措施提供了科学依据。     

低渗透储层岩石覆压实验变形特征分析

对于低渗透储层岩石而言,基于岩石受力变化后发生线弹性变形的假设与实验结果并不相符。为此,采用CMS300覆压测试、岩石力学性质测试、压汞以及铸体薄片观察等实验手段对低渗透储层岩石覆压变形特征进行分析,结果发现实验岩样在应力增大的整个过程中发生的是软塑性变形→弹性变形→塑性变形过程。低渗透岩石在覆压实验中表现出的强应力敏感性是由其变形特征决定的,岩石在覆压增大的初始阶段发生微量软塑性变形是造成渗透率大幅下降的主要原因,其与低渗透岩石的泥质及胶结物含量较高、孔喉通道狭窄有关。基于实验研究结果,定义了新的岩石应力敏感系数来表达渗透率与有效覆压的关系,与实验数据有更好的相关性,并且能够方便地将任意常规岩样渗透率转换成储层条件下的渗透率,具有实际的工程应用价值。     

水射流钻径向孔用步进式钻进系统的研究

水射流钻径向孔用喷管的前端牵引钻进方式存在自牵引力小,限制了喷管长距离钻进的问题;地面下放钻进方式又存在力传递情况复杂,下放速度波动大,地面难以实现井下钻进速度精确控制等问题.鉴于此,研究了水射流钻径向孔用步进式钻进系统.该系统通过低速钻进控制器实现喷管的低速钻进,通过步进式锚定送进机构保证喷管持续钻进.试验结果表明:...     

钻头切削齿破碎岩石的温度变化试验及机理分析

钻头切削齿是破碎岩石的核心部分，在破岩过程中做的绝大部分功会转换成切削热，导致切削齿温度升高，目前对切削齿温度的影响研究成果主要集中在切削深度、切削速度及切削齿结构方面，但对于岩石特性对切削温度影响程度和机理的认识尚不明晰。为此，在自制的MDES 2000微钻平台上，开展了砂岩、大理岩、花岗岩以及玄武岩等4种典型岩石的钻进试验，基于岩石破碎力学模型和数值分析结果，探讨了岩石特性对切削温度的影响程度并进行机理分析。研究结果表明：①在相同的钻进参数下，岩石强度直接影响不同岩石钻进深度，导致岩石破碎模式（塑性、脆性）的转变，从而造成不同岩石切削温度的波动差异，砂岩、大理岩发生塑性破碎，温度波动范围约为±0.5 ℃，而花岗岩、玄武岩则发生脆性破碎，切削齿温度波动范围约为±1.5 ℃；②岩石强度是影响切削温度温升速率变化的重要因素，强度越大所需切削力越大，产生切削热增加，导致4种不同岩石钻进时温升速率随岩石强度的增加而逐次递增；③岩石破碎力学模型和前、后刀面温度分析结果表明，切削齿前刀面起主要的切削作用，是造成不同岩石的切削温度波动程度的主要因素。结论认为，钻进试验与数值模拟所得到的温度变化趋势基本吻合，该成果可以为钻头切削齿工作寿命研究提供借鉴和参考。     

超临界二氧化碳钻井流体关键技术研究

超临界二氧化碳钻井技术是利用超临界二氧化碳作为钻井流体的一种新型钻井方法,具有能有效驱动深井井下马达,控制井底压力容易,破岩门限压力低、破岩速度快,能防止储层损害等优点,但成功利用超临界二氧化碳钻井技术的关键是充分了解超临界二氧化碳钻井过程中井筒中二氧化碳流体的温度和压力分布。为此,建立了考虑井筒流体与地层换热对井筒流体温度影响的井筒传热模型,根据能量守恒原理,推导出了井筒流体温度计算模型,并考虑到钻井过程中可能钻遇水层的情况,对该计算模型进行了修正;利用有限元方法,推导出了井筒内二氧化碳钻井流体的压力计算公式。实例计算表明:钻杆内二氧化碳流体的温度和压力随井深增深而增大,但与井深的关系是非线性关系;钻杆内二氧化碳流体的密度随井深的增加而减小,但到近钻头处开始增大。环空中的压力随井深的增加而增大,但两者的关系也是非线性关系;环空中的温度随井深增加先升高后降低;环空中的二氧化碳密度随井深增加而增大,但两者为非线性关系。