自激振荡式旋转冲击钻井工具在胜利油田的应用

摘要 :自激振荡式旋转冲击钻井工具安装于钻头上部 , 钻井液高速流经自激振荡器,形成水力脉冲作用于冲击传递杆,产生低幅高频机械冲击力传递至钻头,提高钻头破岩效果;所产生的水力脉冲再向下传递,经钻头水眼喷出形成脉冲射流,改善井底流场,提高井底净化和清岩效率,同时井底瞬时负压脉冲产生局部瞬时欠平衡,改变井底岩面破岩应力状态,可明显提高机械钻速。在胜利油田沙三和沙四段地层进行了钻井试验,无论是牙轮钻头还是 PDC钻头都有明显的提速效果,试验井段的机械钻速都提高了 30%以上,可成为钻井提速的新途径。     

自激振荡式旋转冲击钻井工具在大港油田的应用

自激振荡式旋转冲击钻井工具是安装于钻头与钻铤之间.钻井液流经该工具的自激振荡器产生低幅高频机械冲击力传递至钻头,提高钻头破岩效果;同时钻井液高速流经振荡器所产生的脉冲射流作用于井底,改善井底岩石的受力状况和井底流场,强化清洗效果,从而有效提高钻头的破岩效率.自激振荡式旋转冲击钻井工具在大港油田共进行了7口井试验,试验井段机械钻速提高20.57％一132.63％,为中深层钻井提速开辟了新途径.     

井底脉冲式不对称流场钻井工具的研制及应用

常规钻井作业中井底水力能量利用率较低,水力辅助破岩和清岩能力下降,导致井底岩屑不能及时清理而造成岩屑的重复破碎,甚至形成钻头泥包,使得钻井速度降低。鉴于此,研制了与钻头配套使用的JSXMC型井底脉冲式不对称流场钻井工具。该工具产生的脉冲射流直接通过钻头喷嘴作用于井底,在井底产生不对称流场,不仅具有降低井底压持效应、产生负压脉冲和空化辅助破岩等功能,还具有脉冲效果更强、工具长度短和辅助冲击钻井等特点,从而大幅提高机械钻速。现场应用结果表明:在钻具组合相同和钻进参数基本相同的情况下,该工具的平均机械钻速比邻井提高30%,同时还具有保护钻头的作用。该工具的研制成功可为钻井现场合理有效地利用井底的水力能量并提高机械钻速提供参考。     

水力脉冲空化射流欠平衡钻井提高钻速技术

研究了水力脉冲空化射流欠平衡钻井破岩、清岩、提高机械钻速机理,并在准噶尔盆地金龙3井进行了水力脉冲空化射流欠平衡钻井现场试验。研究结果表明,井底欠平衡状态下产生水力脉冲、空化冲蚀和局部负压效应,可改善井底流场,降低岩石的破碎强度,促进井底已破碎岩石及时脱离井底,减少反复切削及压持效应,从而达到提高机械钻速的目的。金龙3井相邻井段机械钻速对比表明,在钻井参数基本不变的情况下,采用牙轮钻头+水力脉冲空化射流发生器欠平衡钻井方式钻2 590~2 655 m井段和采用牙轮钻头+水力脉冲空化射流发生器+螺杆钻具欠平衡钻井方式钻2 655~2 759 m井段的机械钻速分别比采用欠平衡钻井方式钻2 485~2 590 m井段的平均机械钻速提高19.8%和87.1%。图5表2参14     

自激振荡式旋冲工具在深井超深井中的试验应用

针对深井、超深井钻井机械钻速低的问题,根据调制水力脉冲激发钻头冲击振动的原理,研制了自激振荡式旋冲钻井工具。工具性能参数测试结果显示,工具产生的压力脉动与冲击力随排量的增加而增大。在塔河油田进行了3口井的试验应用,结果表明,自激振荡式旋冲钻井工具研制思路正确可行,与钻头类型、地层岩性、钻井液密度和排量等相关钻井参数具有良好的适应性,机械钻速相对提高31.8%~80.5%。自激振荡式旋冲钻井工具具有性能稳定、操作简单、使用方便、寿命长、延缓PDC钻头磨损等特点,可推广性较强,为深井、超深井钻井提速提供了一条有效的技术途径。      

下扬子区临古1井高研磨性地层钻井技术

临古1井是下扬子区中古生界地层的一口重点预探井,设计井深3 200 m。该井在泥盆系和志留系钻遇高研磨性石英砂岩和白云岩,造成钻头寿命短、磨损严重。针对高研磨性地层钻井难点,开展了岩石力学特性分析,优选T1376B型PDC钻头进行个性化设计,钻头进尺提高179%,最高机械钻速2.78 m/h。同时采用自激振荡式旋转冲击钻井技术改善底部钻具组合力学特性,延长钻头使用寿命,同比机械钻速提高36.45%,对高研磨性地层钻井提速有显著效果。     

机械式旋转冲击钻井提速工具应用研究

近年来,我国石油行业钻井深度不断增加,岩石硬度越来越高,可钻性变差,严重制约了我国钻井速率的提高。旋转冲击钻井提速工具是解决深井钻井难问题的新的途径。介绍了旋转冲击钻井提速工具的种类,其中,机械式旋转冲击钻井提速工具工作过程中钻井液不直接参与冲击工作,其主要部件为马达驱动总成、万向轴总成、传动轴总成及冲击锤总成,介绍了机械式旋转冲击钻井提速工具的工作原理,其冲击作用主要由凸轮组机构或啮合齿机构所产生,冲击频率和冲击功可实现稳定输出。此工具可大幅提高机械钻速,提高钻井效率,并且可以采用小钻压钻进,有利于保护钻头,并减小井斜的发生。在A23井机械式旋转冲击钻井提速工具机械钻速为0.92 m/s,比使用普通钻井工具在相同地层并且钻井参数相近的情况下,机械钻速提高13.4%,钻头基本保持完好,B25井提速效果达到89%,证明机械式旋转冲击钻井提速工具的提速效果与保护钻头的功能,因此旋转冲击钻井工具具有广阔的应用前景。     

水力脉冲空化射流技术首次在煤层气井中的试验研究

为了提高煤层气井中的机械钻速,缩短钻井周期,节约钻井成本,根据水力脉冲空化射流提高钻速原理,通过改善井底流场,降低岩石的破碎强度,减小压持效应,从而提高机械钻速。水力脉冲空化射流技术在织4井进行了现场试验。结果表明:该技术在试验过程中不需要改变原钻具组合,对钻头和钻井施工参数没有特殊要求,可有效应用于煤层气井;在地层相同,钻具组合与钻井参数相近的前提下,与邻井相近井段对比,该技术机械钻速平均提高100.7%。     

水力脉冲振荡工具设计

水力脉冲振荡工具在石油钻井中的应用越来越广泛,逐渐成为钻井提速的关键技术之一。对水力脉 冲振荡工具的常见结构、工作原理及破岩机理进行了研究,结果表明,水力脉冲振荡工具能够将水击作用产生的压 力脉冲转化为作用于井底岩石的交变动静载荷,改变岩石的应力状态,利于岩石的破碎和井底岩屑的清理,提高钻 井破岩效率。Ｓ１１－１Ｘ井实际应用效果表明,使用水力脉冲振荡工具比常规钻井方式平均机械钻速提高３８．４％。     

水力脉冲诱发井下振动钻井工具研究

为有效提高深部地层钻井速度,充分发挥水力脉冲钻井和冲击振动钻井的技术优势,提出了水力脉冲诱发井下振动钻井的技术思想,并研制了相关的钻井工具。该类钻具的基本原理是调制水力脉冲,通过水力能量转换机构,将压力脉动直接转化为作用于钻头上的周期性冲击载荷,利用岩石在冲击载荷作用下易于破碎的特点、井底的水力脉动有助于改善井底岩石应力状态、强化岩屑净化的特性,提高了钻头的破岩钻进效率。实际应用结果表明,所提出的技术思想确实可行,研制出的工具原理正确,结构可靠,为提高深部地层的钻探效率提供了一个有效途径,可大面积的推广应用。     

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。      

水力脉冲空化射流钻井机理与试验

在分析水力脉冲与空化射流调制机理的基础上,设计出一种新型水力脉冲与空化射流耦合的水力脉冲空化射流发生器,通过流体脉冲扰动和自振空化效应耦合,使进入钻头的常规连续流动调制成振动脉冲流动.钻头喷嘴出口形成脉冲空化射流,产生水力脉冲、空化冲蚀和局部负压效应,从而提高井底净化和辅助破岩效果.塔里木盆地6口井的现场试验结果表明,水力脉冲空化射流钻具对钻头类型、地层特性、钻井液密度、排量、动力钻具等具有良好的适用性,机械钻速提高10.1%～53.4%.水力脉冲空化射流发生器具有性能稳定、效果好、使用寿命长等特点,完全可以满足现场的需要.水力脉冲空化射流技术将为提高深井钻速提供一种切实有效的途径,具有较好的推广应用价值.图4表4参12     

苏里格区块上部井段PDC钻头研究与应用

大量的钻井实践证明,PDC钻头的剖面形状、切削齿尺寸、后倾角的大小、布齿密度的高低和流道喷嘴设计,对PDC钻头破岩效率和使用寿命有着十分重要的影响。针对苏里格区块2800 m以上井段地层特点,采用现场实践和数值模拟相结合的方法,确定出合理的剖面形状、切削齿尺寸及后倾角、布齿密度和水力结构,研制出?215.9 mmG1943型PDC钻头,该型号钻头在苏里格地区上部井段应用了10井次,平均单只进尺2154.31 m,平均机械钻速26.21 m/h,与临井对比机械钻速提高了29.62%。该型号钻头使用寿命长、机械钻速高,具有很高的推广应用价值。     

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。      

“NEW-DRILL”提速新工具在元坝气田的应用

元坝气田陆相深部的自流井组和须家河组地层岩性致密，非均质性强，砾岩含量高（最高可达50%），地层研磨性强（可钻性为8 级以上），且钻井液密度高（最高可达2.4 g/cm3），压持效应大，导致牙轮钻头磨损速度快，单只钻头进尺少，是制约元坝钻井提速的关键层段。为了解决这一关键层段钻井提速问题，针对元坝陆相深部高压致密研磨性地层的钻井难点，从破岩工具入手，通过对破岩机理的进一步研究分析，提出了要应用为钻头提供持续的扭矩、恒定转速和钻压的动力工具，以增加钻头的破岩能力，减少钻柱的震荡，减少切削时滑脱和钻压波动，同时配合高效的PDC 钻头或孕镶金刚石钻头，从而提高钻井效率的思路。为此，元坝气田开展了“NEW-DRILL”提速新工具的现场应用，获得了成功，取得了明显的效果。使元坝气田三开平均机械钻速由0.76 m/h 提高到2.06 m/h；周期由150~170 d 缩短到90~110 d。缩短率为35%，有效地解决了元坝气田钻井提速的技术瓶颈问题。现场应用表明，“NEW-DRILL”提速新工具能够有效提高陆相地层的机械钻速，具有进一步推广应用前景。     

非均质地层锥形辅助切削齿PDC钻头设计与试验

为了提高PDC钻头在非均质地层中的机械钻速和延长钻头使用寿命,研制了带有锥形辅助切削齿的PDC钻头。该钻头以PDC齿为主切削元件,锥形齿和PDC齿为副切削元件,开始工作时以PDC切削齿剪切破岩为主,当PDC切削齿吃入地层到一定程度后,锥形齿开始犁削岩石形成裂纹,有助于PDC齿以较小切削力破碎岩石;相邻2个刀翼的后排齿分别布置锥形齿与PDC齿,用于钻头钻进后期的提速提效,既具有常规PDC钻头破岩效率稳定的特点,又具有锥形齿在非均质地层破岩效率高的特点。现场试验表明,与常规PDC钻头相比,锥形辅助切削齿PDC钻头在非均质地层中使用寿命长、机械钻速高。锥形辅助切削齿PDC钻头的成功研制,为钻进非均质地层提供了一种新的高效破岩工具。      

旋冲钻井技术在逆掩推覆体地层的应用

在玉门青西油田窟窿山背斜构造南翼和金海子构造,由逆掩推覆带推覆上来的志留系及石炭-二叠系等老地层具有地层高陡、岩石可钻性差等特点,致使钻井过程中钻进效率低、井斜控制难.旋冲钻井技术是钻进硬岩的有效方法,为解决逆掩推覆体地层钻进难题,在玉门油田窿¨4和金海1两口井应用了DGSC型液动冲击器及配套技术,取得了较好的效果,机械钻速提高30%以上.介绍了逆掩推覆体地层特点和钻进难点,液动冲击器的特点、破岩机理及现场应用情况.应用结果表明,该技术可有效地提高硬岩钻井速度、防止井斜、减缓钻头磨损、降低钻井成本,是一种在硬岩难钻地层有发展前景的钻井技术.     

提高塔里木盆地钻井速度的认识与对策

针对塔里木盆地地面条件恶劣、地层构造复杂、钻探难度大等特点,分析了地层特性、机械破岩能量、水力参数、钻进参数及钻头等因素对深探井、大尺寸井眼钻井速度的影响,通过分析对比,提出了提高机械钻速的技术对策,为加快深探井钻井进度提供技术参考。     

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。